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Die Erfindung betrifft ein additives Fertigungsverfahren zur Herstellung eines metallhaltigen Objekts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine 3-D-Druckvorrichtung zur Herstellung von metallhaltigen Objekten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Aus dem Stand der Technik ist der 3-D-Druck von Objekten aus metallischen oder keramischen Werkstoffen als generatives Fertigungsverfahren (Additive Fertigung/Additive Manufacturing (AM)) bekannt. Bei einem solchen 3-D-Druck üblicherweise angewandte Verfahren sind beispielsweise das selektive Laserschmelzen (Selective Laser Melting (SLM)) und das selektive Laser-Sintern (Selective Laser Sintering (SLS)). Bei beiden Verfahren wird der in Pulverform vorliegende metallische Werkstoff beispielsweise mittels einer Walze oder einer Rakel aus einem Vorratsbehälter in einer dünnen Schicht flächig auf einer Grundplatte eines 3-D-Druckers aufgebracht und mit einem Laserstrahl an vorbestimmten Stellen lokal aufgeheizt bzw. geschmolzen, wobei das Material anschließend rasch erstarrt. Üblicherweise wird die Grundplatte anschließend um den Betrag der Schichtdicke abgesenkt und eine neue Pulverschicht auf der Grundplatte aufgebracht. Diese Vorgänge werden wiederholt, bis das gewünschte Werkstück fertiggestellt ist. Das nicht gesinterte bzw. nicht aufgeschmolzene Pulver kann nach Fertigstellung des Werkstücks in der Regel wieder in den Vorratsbehälter rückgeführt werden.
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Beispielsweise beschreibt die zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Erfindung unveröffentlichte
DE 10 2018 200 010 ein additives Fertigungsverfahren, mit dem ein Werkstück gefertigt wird, indem in einem Fertigungsbereich metallisches Pulver durch eine erste Auftragvorrichtung schichtweise auf einen Basiskörper aufgetragen wird, bereichsweise durch einen Laserstrahl aufgeschmolzen wird und erstarrt. Um die Effizienz eines Verfahrens zum selektiven Laserschmelzen zu verbessern, ist vorgesehen, dass Stützstrukturen, die das Werkstück mit dem Basiskörper verbinden, erzeugt werden, indem durch eine zweite Auftragvorrichtung bereichsweise ein Bindemittel auf das Pulver aufgetragen wird und zu einer Pulver bindenden Bindemittelmatrix aushärtet. Dabei werden die Stützstrukturen nach Fertigstellung des Werkstücks von diesem entfernt, indem die Bindemittelmatrix durch Abbaumittel aufgebrochen wird, gegenüber denen das Werkstück stabil ist.
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Der in Pulverform vorliegende metallische Werkstoff muss nicht zwingend mittels einer Walze oder einer Rakel aus einem Vorratsbehälter in einer dünnen Schicht flächig auf einer Grundplatte eines 3-D-Druckers aufgebracht werden.
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Als Alternative dazu beschreibt die
US 2015/0125335 A1 eine additive Fertigungsvorrichtung und ein additives Fertigungsverfahren zur selektiven Erwärmung eines Wirbelbetts aus pulverförmigem Material, einschließlich pulverförmigem Metallmaterial und pulverförmigem Flussmittel, mit einem Energiestrahl. Das pulverförmige Material wird in einer Kammer gehalten, um eine Komponente zu reparieren oder herzustellen. Das pulverförmige Bett wird durch Einleiten eines nicht-inerten Gases in die Kammer fluidisiert. Eine Durchflussmenge des fluidisierten Gases wird derart gesteuert, dass das Bett ausreichend verwirbelt wird, so dass sich eine ausreichende Menge an pulverförmigem Material zur Verarbeitung absetzen kann. Die relative Bewegung zwischen dem Energiestrahl und der Komponente wird in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Form der Komponente gesteuert. Wenn das pulverförmige Material erwärmt, geschmolzen und verfestigt wird, bildet sich eine Schlackenschicht über einem abgeschiedenen Metall, die dann entfernt wird, so dass fluidisiertes pulverförmiges Metall, das sich auf einem zuvor abgeschiedenen Metallsubstrat absetzt, erhitzt und geschmolzen werden kann und sich verfestigt, um die Komponente aufzubauen.
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Die
US 2016/0083303 A1 beschreibt eine keramische Turbinenkomponente, die mittels eines Verfahren gebildet ist, das das Mischen eines keramischen Pulvers mit einem anorganischen Bindemittelpulver beinhaltet. Dabei kann das anorganische Bindemittelpulver ein Metall, eine intermetallische Verbindung, eine Keramik oder Mischungen davon beinhalten. Die Pulvermischung wird dann zu einer Turbinenkomponente geformt, die anschließend durch transientes Flüssigphasensintern verdichtet wird. In einer Ausführungsform kann die Turbinenkomponente durch einen additiven Fertigungsprozess wie beispielsweise selektives Lasersintern gebildet werden.
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Pulverbasierte additive Herstellungsverfahren, die für die vorliegende Erfindung anwendbar sind, umfassen selektives Lasersintern (SLS), direktes Lasersintern (DLS), selektives Laserschmelzen (SLM), direktes Laserschmelzen (DLM), Elektronenstrahlschmelzen (EBM), direkte Metallabscheidung, und andere auf dem Fachgebiet bekannte additive Herstellungsverfahren. Im Verfahren kann eine Kammer zur Bereitstellung einer kontrollierten Aufbauumgebung einschließlich Inertgasen oder Vakuum verwendet werden. Insbesondere kann der hergestellte Freiformteil nach dem Formen durch transientes Flüssigphasensintern in Luft, einer kontrollierten Atmosphäre oder in einem Vakuum weiter verdichtet werden.
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Die
US 5,745,834 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen in freier Form, typischerweise unter Verwendung von computergestützten Konstruktionsdaten, das selektives Verbinden durch Laser und transientes Flüssigphasensintern von gemischten Pulvern beinhaltet. Die Pulvermischung enthält eine Basismetalllegierung, eine Legierung mit niedrigerer Schmelztemperatur und ein Polymerbindemittel, das ungefähr 5-15% der Gesamtmischung ausmacht. Ein Vorformteil wird schichtweise durch lokales Laserschmelzen des Polymerbestandteils aufgebaut, der sich schnell wieder verfestigt und die Metallpartikel bindet. Das Polymerbindemittel wird aus dem Vorformteil durch Erwärmen in einem Vakuumofen, beispielsweise auf 300°C bis 500°C, bei niedrigem Atmosphärendruck entfernt. Das Vorformteil kann während der Beseitigung des Polymerbindemittels und der anschließenden Verdichtung durch kontrollierte Wärmebehandlung eine mechanische Unterstützung erfordern. Die Verdichtung wird bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Legierung mit niedrigerer Schmelztemperatur, jedoch unterhalb des Schmelzpunkts der Basismetalllegierung durchgeführt, um ein transientes Flüssigphasensintern des Teils auf nahezu volle Dichte mit gewünschter Form und gewünschten Abmessungstoleranzen zu erzeugen.
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Der verdichtete Teil kann einer abschließenden heiß-isostatischen Pressung (HIP) unterzogen werden, um die Restporosität zu schließen und die chemische Homogenisierung des Teils zu vervollständigen. Die Eliminierung der Restporosität verbessert die Ermüdungseigenschaften des Teils, und die Homogenisierung verbessert die Duktilität, Zähigkeit und Hochtemperaturfestigkeit bei Umgebungstemperatur. Ein Vorteil des Verfahrens ist die schnelle Herstellung von komplex geformten Metallprototypen und die Durchführung von Kleinserien von hochpreisigen Metallbauteilen ohne spezielle Werkzeug- oder Bearbeitungsoperationen.
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Die
DE 10 2012 107 297 A1 beschreibt ein Arbeitsverfahren zum Auftragen, Aushärten und Oberflächenbearbeiten von pulverförmigen Werkstoffen, beispielsweise aus metallischen Werkstoffen, die mit keramischen Werkstoffen kombiniert sein können, auf Bauflächen zur Herstellung dreidimensionaler Werkstücke mittels Laserstrahlen unter Normalatmosphäre, Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuum. Dabei können die Baufläche und/oder das Werkstück und/oder ein Laserkopf oder mehrere Laserköpfe dreidimensional verfahren, geschwenkt oder gedreht werden. Ein, zwei oder mehrere Laserstrahlen werden über den Laserkopf oder die Laserköpfe in einen Arbeitsraum über der Baufläche zugeführt.
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Die einzelnen zugeführten pulverförmigen Werkstoffe, Liquide oder Bindemittel sind entweder in einzelnen Kammern eines Druck- oder Sprühkopfes selbst bevorratet oder zwischengespeichert oder diese können auch gesondert über Zuführleitungen aus extern angeordneten Vorratsbehältern zugeführt werden.
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Der Baufläche und dem darüber befindlichen Arbeitsraum werden über einen Druck- oder Sprühkopf ein, zwei oder mehrere pulverförmige Werkstoffe oder pulverförmige Werkstoffgemische zugeführt, oder
ein zusätzliches Stützmaterial wird auf die Baufläche oder in das Werkstück über den Druck- oder Sprühkopf eingebracht, oder
ein Liquid oder ein Bindemittel auf oder in einem oder mehreren pulverförmigen Werkstoffen eingebracht oder auf die pulverförmigen Werkstoffe aufgetragen wird, wobei die aufgebrachte Schicht oder die aufgebrachten Schichten der pulverförmigen Werkstoffe gleichzeitig bei ihrem Auftreffen auf der Werkstückoberfläche oder anschließend mittels eines oder mehreren Laserstrahlen vollständig ausgehärtet und/oder bearbeitet werden. Die vorstehenden Arbeitsschritte werden wiederholt, bis das Werkstück aufgebaut ist, und/oder ein nochmaliges Nachbearbeiten mittels Laserstrahlen erfolgt.
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Aus der
CN 106392067 A ist eine selektive Laserschmelzvorrichtung auf der Basis einer Nassprozess-Pulververteilung und eines Druckprozesses davon bekannt. Die Ausrüstung besteht hauptsächlich aus einer Formgebungskammer, die mit einer innen angeordneten Abstreifvorrichtung, einem Zuführbehälter und einem Substrat versehen ist, einem Lagertank, einer Gasdruckimpuls-Erzeugungsvorrichtung und einer Gasumwälzvorrichtung.
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Das Druckverfahren umfasst die folgenden Schritte:
- (1) Aufschlämmungspräparation;
- (2) Aufschlämmungslagerung - Nachdem die Aufschlämmung in den Lagertank überführt wurde, wird das Gas aus dem Lagertank gespült und durch ein Inertgas ersetzt, und die Mischung wird regelmäßig gerührt, um zu verhindern, dass sich die Aufschlämmung absetzt;
- (3) Aufschlämmungszufuhr - Die Aufschlämmung in dem Lagertank wird durch Bedruckung und unter Rühren in den Zuführbehälter in der Formgebungskammer eingeführt;
- (4) Aufschlämmungsverteilung - Durch Einstellen von Druckwert und Druckimpulszeit Druckimpulsdauer an der Gasdruckimpuls-Erzeugungsvorrichtung wird eine bestimmte Menge Aufschlämmung von der Unterseite des Zuführbehälters durch kleine Löcher auf der unter dem Zuführbehälter angeordneten Substratoberfläche abgelagert, und unter Verwendung einer Abstreifvorrichtung wird eine gleichmäßig dünne Schicht von Aufschlämmung auf dem Substrat verteilt;
- (5) Aufschlämmungstrocknung - Die Temperatur des Substrats wird erhöht und beispielsweise auf 70° C geregelt. Die Feuchtigkeit in der Aufschlämmung verflüchtigt sich schnell und wird entfernt, wodurch das Pulver auf dem Substrat zurückbleibt. Der Wasserdampf wird in dem Gaszirkulationssystem schnell absorbiert und entfernt, und das trockene Gas wird in die Formgebungskammer zurückgeführt; und
- (6) Laserbearbeitung gemäß einem festgelegten Weg zum Schmelzen von Pulver, um einen einzelnen, dichten Block zu erhalten.
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Gemäß der selektiven Laserschmelzvorrichtung und dem Druckverfahren, die durch die Erfindung bereitgestellt werden, ist das technische Problem, dass Pulver nicht für einen selektiven Lasersinter- oder Schmelzprozess aufgrund schlechter Fließfähigkeit verwendet werden kann, gelöst. Anforderungen hinsichtlich der Ausrüstung für den Herstellungsprozess des Pulvers sind stark vereinfacht, und die Gesamtherstellungskosten für selektives Lasersintern oder Verschmelzen sind reduziert.
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Als Alternative zu laserbasierten additiven Verfahren wird im Fachaufsatz „Liquid Phase 3D Printing for quickly manufacturing conductive metal objects with low melting point alloy ink“ von Wang, L. & Liu, J. Sci. China Technol. Sci. (2014) 57: 1721, https://doi.org/10.1007/s11431-014-5583-4, ein Flüssigphasen-3D-Druck für die schnelle Herstellung von Metallobjekten vorgeschlagen. Durch die Einführung von Metalllegierungen als Drucktinte, deren Schmelzpunkt leicht über der Raumtemperatur liegt, ist es möglich, Strukturen, die von einer, zwei und drei Dimensionen bis hin zu komplexeren Mustern reichen, rasch herzustellen. Dabei wird das geschmolzene Metall, das Gallium-, Bismut- und Indium-basierte Legierungen enthalten kann, die mit Kupfer- und Silberteilchen gemischt werden können, durch Eintropfen oder Eindüsen in eine Kühlflüssigkeit eingebracht. Verglichen mit der Luftkühlung bei einem herkömmlichen 3D-Druck bietet diese sogenannte Flüssigphasenherstellung eine viel höhere Kühlleistung und verbessert somit die Geschwindigkeit einer Herstellung von Metallobjekten signifikant. Diese Vorgehensweise verhindert auch wirksam die Oxidation der metallischen Drucktinte an Luft, die sonst bei einem gewöhnlichen 3D-Drucken schwierig zu vermeiden ist. Mehrere wichtige physikalische Faktoren (wie Eigenschaften des Kühlfluids, Injektionsgeschwindigkeit und Nadeldurchmesser, Arten und Eigenschaften der Druckfarbe usw.) werden beschrieben, die offensichtlich die Druckqualität beeinflussen. Darüber hinaus wurde auch ein grundsätzlicher Weg vorgeschlagen, einen zukünftigen Flüssigphasen-3D-Drucker herzustellen, der sowohl mit einer Spritzenpumpe als auch mit Nadelanordnungen ausgestattet ist.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet das Gebiet des 3-D-Druckes von metallischen Werkstoffen noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen 3-D-Drucker für metallische Werkstoffe mit einem vereinfachten Aufbau zur Durchführung eines 3-D-Druckverfahrens bereitzustellen, durch das eine erhöhte Herstellungsgeschwindigkeit von Objekten aus metallischen Werkstoffen ermöglicht ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein additives Fertigungsverfahren zur Herstellung eines metallhaltigen Objekts mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch eine 3-D-Druckvorrichtung zur Herstellung von metallhaltigen Objekten gemäß Anspruch 7 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweils abhängigen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Das erfindungsgemäße additive Fertigungsverfahren zur Herstellung eines metallhaltigen Objekts ist durch zumindest die folgenden Schritte gekennzeichnet:
- - Bereitstellen eines flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs in einem Zuführbehälter,
- - Auftragen einer vorbestimmten Menge des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs auf eine horizontale Unterlage innerhalb eines evakuierten Prozessraums entsprechend einer gewünschten geometrischen Form durch zeitweiliges Herstellen einer fluidtechnischen Verbindung zwischen zumindest einer steuerbaren, oberhalb der Unterlage angeordneten Austrittsöffnung des Zuführbehälters und dem Prozessraum,
- - Abwarten einer Wartezeit bis zum Verdunsten einer flüssigen Komponente des aufgetragenen flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs, und
- - zumindest teilweises Schmelzen der metallhaltigen Komponente des aufgetragenen, metallhaltigen Stoffgemischs mittels eines Laserstrahls entlang zumindest eines vorbestimmten Weges, und
- - Wiederholen der Schritte bis zur Fertigstellung des herzustellenden Objekts.
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Das erfindungsgemäße Verfahren vereinigt mehrere Vorteile in sich. Zum einen kann gegenüber dem bisherigen Stand der Technik auf eine Heizvorrichtung zur Trocknung des aufgetragenen metallhaltigen Stoffgemischs verzichtet werden. Zudem kann beim Schritt des Auftragens des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs auf eine druckerzeugende Vorrichtung verzichtet werden, da dieser Schritt durch eine ohnehin vorhandene positive Druckdifferenz zwischen einem Druck im Zuführbehälter und einem Druck im evakuierten Prozessraum gesteuert werden kann. Durch den Wegfall dieser Komponenten kann ein kompakter Aufbau einer Fertigungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ermöglicht werden, die zudem mit einer geringeren Anzahl von Teilen herstellbar ist.
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Als weiterer Vorteil kann angesehen werden, dass durch das Verdunsten der flüssigen Komponente des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs eine besonders effektive Kühlung am Ort des herzustellenden Objekts erreicht werden kann, wodurch höhere Herstellungsgeschwindigkeiten ermöglicht werden können.
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Des Weiteren kann durch die Verwendung eines flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs vermieden werden, dass eine Bedienperson mit in konventionellen Verfahren verwendetem, potenziell gesundheitsschädlichem metallischem Pulver in Kontakt kommt, wodurch die Arbeitssicherheit gesteigert werden kann.
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Das flüssige, metallhaltige Stoffgemisch kann, je nach Größe von Teilchen der metallischen Komponente des Stoffgemischs als Suspension (Teilchengröße typisch zwischen 1 µm und 100 µm) oder als Dispersion (Teilchengröße geringer als 1 µm) ausgebildet sein.
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Die horizontale Unterlage kann durch eine Trägerplatte oder durch eine bereits hergestellte Schicht des herzustellenden Objekts gebildet sein.
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Das zumindest teilweise Schmelzen der metallhaltigen Komponente des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs kann beispielsweise mit einer relativ geringeren Laserenergie durch Sintern oder, mit einer vergleichsweise höheren Laserenergie, durch selektives Laserschmelzen („Selective Laser Melting“, SLM) erfolgen.
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In bevorzugten Ausführungsformen beinhaltet das Fertigungsverfahren folgende, vor dem Schritt des Auftragens des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs einmalig durchzuführende, zusätzliche Schritte:
- - Spülen des Prozessraums mit einem inerten Gas und
- - Evakuieren des Prozessraums auf einem Druck von weniger als 100 Pa, bevorzugt von 20Pa,
bis das im Prozessraum befindliche Gas einen überwiegenden Anteil an dem inerten Gas aufweist.
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Unter dem Begriff „einen überwiegenden Teil“ soll im Sinne der Erfindung insbesondere ein Stoffmengenanteil von mehr als 50 %, bevorzugt von mehr als 70 % und, besonders bevorzugt, von mehr als 90 % verstanden werden. Insbesondere soll der Begriff die Möglichkeit einschließen, dass das Gas vollständig, d.h. zu 100 %, aus dem inerten Gas besteht.
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Das inerte Gas kann eine potentielle Oxidation der metallischen Komponente des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs wirksam verhindern.
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Als inertes Gas können beispielsweise Argon, Stickstoff, eines oder mehrere der Edelgase oder ein Gemisch dieser Gase verwendet werden.
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Bevorzugt beinhaltet der Schritt des Bereitstellens des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs, dass Wasser als überwiegende flüssige Komponente des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs verwendet wird. Dadurch können bestehende Sicherheitsanforderungen, beispielsweise hinsichtlich Entflammbarkeit und/oder Explosionsschutz, leichter erfüllt werden. Zudem ist der oben erwähnte Kühlungseffekt durch das Verdunsten der flüssigen Komponente des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs bei einer überwiegenden Verwendung von Wasser aufgrund dessen hoher Verdampfungswärme von 2257 kJ/kg besonders stark ausgeprägt.
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In bevorzugten Ausführungsformen enthält das Fertigungsverfahren folgenden zusätzlichen Schritt:
- - Unterstützung des Verdunstens der flüssigen Komponente des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs durch Bestrahlung mit einem zusätzlichen Laserstrahl, dessen Lichtwellenlänge auf der Basis eines Absorptionsmaximums des flüssigen Anteils des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs ausgewählt ist.
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Auf diese Weise kann eine abzuwartende Wartezeit bis zum Verdunsten der flüssigen Komponente des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs verkürzt und somit das Fertigungsverfahren insgesamt beschleunigt werden.
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Bevorzugt beinhaltet der Schritt des Auftragens des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs die Verwendung eines Druckkopfes oder eines Düsenkopfes. Auf diese Weise kann das flüssige, metallhaltige Stoffgemisch durch eine geeignete Auswahl des Druckkopfes oder des Düsenkopfes auf eine besonders gleichmäßige Weise auf der horizontalen Unterlage aufgetragen werden.
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Ein besonders gleichmäßiges Auftragen des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs kann in ähnlicher Weise erreicht werden, wenn der Schritt des Auftragens die Verwendung einer Rakel beinhaltet.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine 3-D-Druckvorrichtung zur Herstellung von metallhaltigen Objekten nach dem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren vorgeschlagen. Die 3-D-Druckvorrichtung beinhaltet
- - einen vakuumfähigen Prozessraum mit einer im Prozessraum angeordneten, horizontalen Trägerplatte,
- - zumindest einen Zuführbehälter zur Bereitstellung eines flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs, mit zumindest einer steuerbaren Austrittsöffnung zur wechselweisen Herstellung und Sperrung einer fluidtechnischen Verbindung zwischen dem Zuführbehälter und dem Prozessraum,
- - zumindest einen Laser mit einer Lasererzeugungsvorrichtung und einer Strahlführungsvorrichtung zur Erzeugung eines lenkbaren Laserstrahls, und
- - eine elektronische Steuerungseinheit, die zumindest zur Steuerung der steuerbaren Austrittsöffnung, der Lasererzeugungsvorrichtung und der Strahlführungsvorrichtung des Lasers vorgesehen ist.
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Unter dem Begriff „dazu vorgesehen“ soll im Sinne der Erfindung insbesondere speziell dafür programmiert, ausgelegt oder angeordnet verstanden werden.
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Mittels der vorgeschlagenen 3-D-Druckvorrichtung kann das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren zur Herstellung eines metallhaltigen Objekts in vorteilhafter Weise ausgeführt werden. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren genannten Vorteile sind in vollem Umfang auf die vorgeschlagene 3-D-Druckvorrichtung übertragbar.
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In bevorzugten Ausführungsformen der 3-D-Druckvorrichtung ist die zumindest eine steuerbare Austrittsöffnung des Zuführbehälters als dispersionsdruckfähiger oder suspensionsdruckfähiger Druckkopf oder Düsenkopf ausgebildet oder mit einem von diesen fluidtechnisch verbunden. Dadurch kann vorteilhaft eine Designfreiheit in Bezug auf die Anordnung der zumindest einen steuerbaren Austrittsöffnung relativ zum Zuführbehälter erreicht werden.
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Bevorzugt weist die 3-D-Druckvorrichtung eine im Prozessraum angeordnete Verteilvorrichtung mit zumindest einer Rakel auf, mit der eine vorbestimmte Menge des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs auf die horizontale Trägerplatte besonders gleichmäßig verteilt werden kann, wodurch enge Toleranzen bei der Herstellung des Objekts erreicht werden können.
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In bevorzugten Ausführungsformen ist die 3-D-Druckvorrichtung mit einem zusätzlichen Laser mit einer Lasererzeugungsvorrichtung und einer Strahlführungsvorrichtung zur Erzeugung eines lenkkbaren Laserstrahls ausgestattet, dessen Lichtwellenlänge auf der Basis eines Absorptionsmaximums der flüssigen Komponente des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs ausgewählt ist. Dadurch kann ein Verdunsten der flüssigen Komponente des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs unterstützt und somit eine Herstellung des metallhaltigen Objekts beschleunigt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen 3-D-Druckvorrichtung, und
- 2 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines metallhaltigen Objekts.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen 3-D-Druckvorrichtung zur Herstellung von metallhaltigen Objekten.
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Die 3-D-Druckvorrichtung 10 beinhaltet einen vakuumfähigen Prozessraum 12, der eine im Wesentlichen quaderförmige Form besitzt und in einer Rahmenstruktur 44 befestigt ist. Eine Vorderseite des Prozessraums 12 ist als schwenkbare Tür mit einem Glasfenster ausgebildet, um einen Zugang und einen Einblick zum Prozessraum 12 zu ermöglichen. Die schwenkbare Tür kann mittels einer Riegelvorrichtung verriegelt werden. In diesem Zustand ist zwischen der schwenkbaren Tür und einer Stirnfläche des Prozessraums 12 in an sich bekannter Weise ein elastisches Dichtungselement angeordnet.
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Der Prozessraum 12 weist mehrere an Wänden des Prozessraums 12 angeordnete Durchführungen 32, 40, 42 auf. Eine erste Durchführung 32 in einer den Prozessraum 12 begrenzenden Seitenwand wird außen in einer ersten Rohrleitung 34 fortgesetzt. Mit der ersten Rohrleitung 34 kann eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Prozessraum 12 und einer Vakuumpumpe 46 hergestellt werden. Zwischen dem Prozessraum 12 und der Vakuumpumpe 46 ist zwischen Abschnitten der ersten Rohrleitung 34 eine Ventilvorrichtung 36, beispielsweise ein 3/2-Wege-Ventil enthaltend, angeordnet, mit der wahlweise die fluidtechnische Verbindung zwischen dem Prozessraum 12 und der Vakuumpumpe 46 hergestellt bzw. gesperrt oder zur Belüftung des Prozessraums 12 eine fluidtechnische Verbindung mit einem Außenraum 38 des Prozessraums 12 hergestellt werden kann.
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Eine zweite Durchführung 40 ist in einer den Prozessraum 12 begrenzenden Decke angeordnet und außen in einer zweiten Rohrleitung fortgesetzt. Mit der zweiten Rohrleitung kann eine fluidtechnische Verbindung mit einem oberhalb des Prozessraums 12 angeordneten Vorratsbehälter 28 zur Aufnahme von Flüssigkeiten hergestellt werden, wobei die fluidtechnische Verbindung zu einer Unterseite des Vorratsbehälters 28 geführt ist. Der Vorratsbehälter 28 dient zur Bevorratung eines flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs, das zur Herstellung des metallhaltigen Objektes 16 vorgesehen ist, unter einem Druck, der im Wesentlichen dem Normaldruck entspricht. In dieser speziellen Ausführungsform besteht die feste Komponente des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung, die in Pulverform mit einer mittleren Teilchengröße von ca. 20 µm vorliegt, und die flüssige Komponente des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs ist von Wasser gebildet.
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Eine dritte Durchführung 42 ist gleichfalls in der den Prozessraum 12 begrenzenden Decke angeordnet und außen in einer dritten Rohrleitung fortgesetzt. Mit der dritten Rohrleitung kann eine fluidtechnische Verbindung mit einem oberhalb des Prozessraums 12 angeordneten Druck-Vorratsbehälter 30 zur Aufnahme von Gas hergestellt werden. Der Druck-Vorratsbehälter 30 dient zur Bevorratung eines inerten Gases, das beispielsweise einen Hauptanteil an Stickstoff mit einer Beimengung von Argon beinhaltet.
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Die in dieser Anmeldung verwendeten Begriffe „erste“, „zweite“, usw. dienen nur zum Zwecke der Unterscheidung. Insbesondere soll durch ihre Verwendung keine Reihenfolge oder Priorität der im Zusammenhang mit diesen Begriffen genannten Objekte impliziert werden.
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Im Prozessraum 12 der 3-D-Druckvorrichtung 10 ist eine horizontale, ebene Trägerplatte 14 fest angeordnet, die zur mechanischen Unterstützung des herzustellenden Objekts 16 dient.
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Oberhalb der Trägerplatte 14 ist im Prozessraum 12 ein Zuführbehälter 18 angeordnet, der mittels einer nicht dargestellten, ansteuerbaren Mechanik in drei senkrecht zueinander stehenden Raumrichtungen (hoch-tief, rechts-links, vornehinten) verfahren werden kann. Der Zuführbehälter 18 ist fluidtechnisch mit der zweiten Durchführung 40 in flexibler Weise verbunden und zur Aufnahme und zur Bereitstellung des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs aus dem Vorratsbehälter 28 vorgesehen.
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Der Zuführbehälter 18 weist an einer Unterseite, die der Trägerplatte 14 zugewandt ist, eine steuerbare Austrittsöffnung auf, die mit einem suspensionsdruckfähigen Düsenkopf 20 fluidtechnisch verbunden ist. Die steuerbare Austrittsöffnung dient zur wechselweisen Herstellung und Sperrung einer fluidtechnischen Verbindung zwischen dem Zuführbehälter 18 und dem Prozessraum 12.
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Die 3-D-Druckvorrichtung 10 beinhaltet zudem einen Laser 22 mit einer Lasererzeugungsvorrichtung und einer Strahlführungsvorrichtung zur Erzeugung eines lenkbaren Laserstrahls. In dieser speziellen Ausführungsform ist die einen Laserstrahl erzeugende Lasererzeugungsvorrichtung fest mit dem Zuführbehälter 18 verbunden, so dass die ansteuerbare Mechanik sowohl den Zuführbehälter 18 als auch die Lasererzeugungsvorrichtung zur Erzeugung eines lenkbaren Laserstrahl in drei senkrecht zueinander stehenden Raumrichtungen verfahren kann.
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In alternativen Ausführungsformen kann der Laser 18 beispielsweise an der den Prozessraum 12 begrenzenden Decke befestigt sein, so dass Bewegungen des Zuführbehälters 18 und Bewegungen des lenkbaren Laserstrahls unabhängig voneinander sind.
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Die 3-D-Druckvorrichtung 10 weist weiterhin eine elektronische Steuerungseinheit 24 auf, die außerhalb des Prozessraums 12 in der Rahmenstruktur 44 angeordnet ist. Die elektronische Steuerungseinheit 24 ist zur Steuerung der steuerbaren Austrittsöffnung des Zuführbehälters 18, zur Steuerung des Lasers 22, insbesondere der Lasererzeugungsvorrichtung, und zur Steuerung der ansteuerbaren Mechanik in der Doppelfunktion zum Verfahren des Zuführbehälters 18 und als Strahlführungsvorrichtung des Lasers 22 vorgesehen. Zu diesem Zweck sind Verbindungsleitungen zwischen der elektronischen Steuerungseinheit 24 und den anzusteuernden Komponenten vorgesehen, die in an sich bekannter Weise durch Vakuumdurchführungen an begrenzenden Wänden des Prozessraums 12 hergestellt und aus Übersichtsgründen in der 1 nicht dargestellt sind.
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Die elektronische Steuerungseinheit 24 beinhaltet einen Mikrocontroller, der eine Prozessoreinheit und eine digitale Datenspeichereinheit aufweist, zu der die Prozessoreinheit datentechnischen Zugriff hat. Zur Bedienung und beispielsweise zur Eingabe von Parametern und zur Anzeige von Meldungen weist die elektronische Steuerungseinheit eine Mensch-Maschine-Schnittstelle („Human Machine Interface“ (HMI)) mit einer Eingabe- und Anzeigeeinheit 26 auf.
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Nachfolgend wird anhand der 1 und 2 eine mögliche erfindungsgemäße Ausführungsform eines additiven Fertigungsverfahrens zur Herstellung eines metallhaltigen Objekts 16 unter Verwendung der 3-D-Druckvorrichtung 10 beschrieben. Ein Flussdiagramm des Verfahrens ist in der 2 dargestellt.
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Die elektronische Steuerungseinheit 24 ist zur halbautomatischen Ausführung des Verfahrens vorgesehen und beinhaltet zu diesem Zweck ein Softwaremodul zur automatischen Ausführung verschiedener Schritte des Verfahrens, wobei diese auszuführenden Verfahrensschritte als ausführbarer Programmcode vorliegen, der in der digitalen Datenspeichereinheit des Mikrocontrollers der elektronischen Steuerungseinheit 24 hinterlegt ist und von der Prozessoreinheit des Mikrocontrollers der elektronischen Steuerungseinheit 24 ausgeführt werden kann.
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In Vorbereitung einer Durchführung des Verfahrens wird unterstellt, dass alle beteiligten Vorrichtungen und Komponenten sich in einem betriebsbereiten Zustand gemäß der 1 befinden.
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In vorbereitenden Schritten 50, 52 des Verfahrens wird der Prozessraum 12 mit dem inerten Gas gespült 50 und mittels der Vakuumpumpe 46 bis auf einen Druck von beispielsweise weniger als 100 Pa, bevorzugt 20 Pa evakuiert 52, bis das im Prozessraum 12 befindliche Gas einen überwiegenden Anteil von beispielsweise 90 % an dem inerten Gas aufweist.
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In einem weiteren Schritt 54 des Verfahrens wird das flüssige, metallhaltige Stoffgemisch aus dem unter Normaldruck stehenden Vorratsbehälter 28 durch Wirkung der Schwerkraft in dem Zuführbehälter 18 bereitgestellt. In einem weiteren Schritt 56 wird eine vorbestimmte Menge des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs auf eine horizontale Unterlage innerhalb des evakuierten Prozessraums 12 entsprechend einer gewünschten geometrischen Form aufgetragen. Zu Beginn des Verfahrens erfolgt die Auftragung auf die Trägerplatte 14 als horizontale Unterlage. Im weiteren Verlaufe der Herstellung des Objekts 16 erfolgt die Auftragung auf eine bereits hergestellte Schicht des herzustellenden Objekts 16 als horizontale Unterlage.
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Der Schritt 56 des Auftragens des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs erfolgt durch zeitweiliges Herstellen einer fluidtechnischen Verbindung zwischen der steuerbaren, oberhalb der Unterlage angeordneten Austrittsöffnung des Zuführbehälters 18 und damit dem Düsenkopf 20 und dem Prozessraum 12. Aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem unter Normaldruck stehenden Zuführbehälter 18 und dem evakuierten Prozessraum 12 wird das flüssige, metallhaltige Stoffgemisch mittels des Düsenkopfes 20 auf die horizontale Unterlage gefördert. Die Suspension kann eine breiige Konsistenz haben.
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Da der Prozessraum 12 evakuiert ist, erfolgt nach dem Schritt 56 des Auftragens des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs ein unmittelbares Verdunsten der flüssigen Komponente; d.h. des Wassers. Aufgrund der hohen Verdampfungswärme von Wasser (2257 kJ/kg) wird die horizontale Unterlage an dieser Stelle effektiv gekühlt.
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In alternativen Ausführungsformen, in denen die 3-D-Druckvorrichtung mit einer Rakel ausgestattet ist, kann der Schritt des Auftragens des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs die Verwendung einer Rakel beinhalten.
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Der nächste Schritt 58 des Verfahrens besteht aus einem Abwarten einer Wartezeit bis zum Verdunsten der flüssigen Komponente des aufgetragenen flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs. Die Wartezeit kann eine vorbestimmte, konstante Wartezeit sein; sie kann aber auch in vorbestimmter Weise von Parametern des Auftragungsschrittes 56 abhängig sein.
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In einer alternativen Ausführungsform der 3-D-Druckvorrichtung, die einen zusätzlichen Laser beinhaltet, kann die Wartezeit verkürzt sein, wenn zur Unterstützung des Verdunstens der flüssigen Komponente der zusätzliche Laserstrahl zur Bestrahlung des aufgetragenen flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs verwendet wird, wobei eine Lichtwellenlänge des zusätzlichen Lasers auf der Basis eines Absorptionsmaximums des flüssigen Anteils des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs ausgewählt ist.
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In einem weiteren Schritt des Verfahrens 60 wird die verbliebene metallhaltige Komponente des aufgetragenen metallhaltigen Stoffgemischs mittels des Laserstrahls des Lasers 22 entlang vorbestimmter Wege teilweise geschmolzen, wodurch eine Verbindung zur Trägerplatte 14 bzw. zu einer zuvor hergestellten Schicht des herzustellenden Objekts 16 gebildet wird.
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Die beschriebenen Schritte werden ab dem Schritt 54 des Bereitstellens des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs bis zur Fertigstellung des herzustellenden Objekts 16 wiederholt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- 3-D-Druckvorrichtung
- 12
- Prozessraum
- 14
- Trägerplatte
- 16
- Objekt
- 18
- Zuführbehälter
- 20
- Düsenkopf
- 22
- Laser
- 24
- elektronische Steuerungseinheit
- 26
- Eingabe- und Anzeigeeinheit
- 28
- Vorratsbehälter (Flüssigkeit)
- 30
- Druck-Vorratsbehälter (Gas)
- 32
- erste Durchführung
- 34
- erste Rohrleitung
- 36
- Ventilvorrichtung
- 38
- Außenraum
- 40
- zweite Durchführung
- 42
- dritte Durchführung
- 44
- Rahmenstruktur
- 46
- Vakuumpumpe Verfahrensschritte:
- 50
- Spülen des Prozessraums mit Inertgas
- 52
- Evakuieren des Prozessraums
- 54
- Bereitstellen des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs in Zuführbehälter
- 56
- Auftragen einer vorbestimmten Menge des flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs auf horizontale Unterlage
- 58
- Abwarten einer Wartezeit bis zum Verdunsten der flüssigen Komponente des aufgetragenen flüssigen, metallhaltigen Stoffgemischs
- 60
- teilweises Schmelzen der metallhaltigen Komponente
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018200010 [0003]
- US 2015/0125335 A1 [0005]
- US 2016/0083303 A1 [0006]
- US 5745834 A [0008]
- DE 102012107297 A1 [0010]
- CN 106392067 A [0013]
