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Gebiet der Erfindung:
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Die Erfindung findet im Bereich der Fertigungstechnik von metallischen Bauteilen Anwendung. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren für Bauteile verwendet werden, die große Abmessungen oder Stückgewichte aufweisen. Dies können beispielweise Teile von Schwermaschinen oder Elemente von Gebäuden sein. Die Erfindung beschränkt sich aber nicht auf diese. Ebenso, aber nicht erschöpfend, kann die Herstellung von Maschinengestellen, Werkzeugen, Fahrzeugteilen, Motorblöcke, Fahrzeug- oder Flugzeugrahmen, Getriebegehäuse, usw. durch das Verfahren verbessert werden. Die mit dem Verfahren erzeugten Bauteile entsprechen dem in der Technik bekannten unbearbeiteten Rohguß. Sie stellen also einen Zwischenzustand dar und müssen meist durch einen weiteren Verarbeitungsschritt, dem Fräsen an den Funktionsflächen, fertiggestellt werden.
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Stand der Technik:
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Für die Erzeugung metallischer Gegenstände sind verschiedene Verfahren etabliert und werden für Serienproduktion eingesetzt. Bei großen Bauteilen sind naturgemäß die Stückzahlen geringer und es kommen zum Teile andere Fertigungsverfahren zum Einsatz. Für Artikel mit einem Gewicht von ca. 500 kg sind Sandgießverfahren, Schweißkonstruktion und das Fräsen aus dem Vollen üblich.
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Für noch größere Bauteile kommen fast ausschließlich Schweißkonstruktionen und Sondergießverfahren zum Einsatz.
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Schweißkonstruktionen weisen verschiedene Nachteile auf. Zum einen sind die konstruktiven Aufwände hoch, sodass im Entwurf hohe Kosten entstehen. Dies ist besonders bei kleinen Stückzahlen nachteilig. Zu Zweiten ist das Produkt von großen Formtoleranzen geprägt, da der thermische Verzug beim Schweißen auch bei fachgerechter Ausführung nicht vollständig überbrückt werden kann. Zum dritten ist die Formfreiheit eingeschränkt. Es werden nur Halbzeuge verarbeitet und verschweißt. Damit sind z.B. bionische Konstruktionen schwer abzubilden.
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Als Gussverfahren kommen das Gießen in gemauerte Formen und Vollformgießen zum Einsatz. Während ersteres nur für geringe Komplexitäten nutzbar ist, können über den Vollformguss hohe Komplexitäten erzielt werden. Nachteilig ist dabei allerdings die mangelnde Maßhaltigkeit der Gusserzeugnisse.
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Besonders die Additiven Fertigungsverfahren ermöglichen mit ihrer schichtweisen Arbeitsweise die Herstellung hoch komplexer Formen. Dabei ist zudem ein Werkzeug nicht notwendig, da das Bauteil direkt anhand der CAD-Daten des Bauteils erstellt wird.
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Ein solches Verfahren ist das Binder-Jetting zur Herstellung von Gussformen und Kernen. Dabei wird nicht das Bauteil sondern eine Form für ein Gussverfahren hergestellt. Nachdem die Form aus dem Drucker entnommen und gereinigt ist wird ein Metall in den Formhohlraum eingegossen. Dieses Verfahren eignet sich dazu Bauteile mit einer großen Präzision herzustellen. Zudem sind nach derzeitigen Stand der Technik große Gussstücke bis zu mehreren Tonnen möglich. Der Weg über eine gedruckte Sandform ist aber derzeit gegenüber der Wirtschaftlichkeit des Vollformgusses nicht wettbewerbsfähig.
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Ebenso bekannt ist das Lasersintern von metallischen Bauteilen. Kennzeichnend für das Verfahren sind hoch-feste Werkstoffe und gute Maßhaltigkeit. Stand der Technik ist die Verarbeitung von verschiedenen Metallen wie etwas Edelstählen, Titan, Aluminium und Kupfer. Auch bei hohen Laserleistungen erreichen die Aufbauraten mit diesen Verfahren nur wenige Liter pro Stunde. Damit sind diese Verfahren für große Werkstücke nicht geeignet.
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Eine weitere Variante Bauteile aus Metall mit einem Schichtbauverfahren zu erzeugen ist das Binderjetting auf Metallpulver. Dabei wird das Pulver verklebt, sodass die Bauteile nach den Druckprozess aus dem Pulver entnommen und gesintert werden können. Zusätzlich kann die Druckertinte mit metallischen Partikeln gefüllt werden, um das Sintern zu erleichtern. Dieses Verfahren weist gegenüber dem Lasersintern ein höheres Geschwindigkeitspotential auf. Die Kosten für das Partikelmaterial und für das Bindermittel mit sinterfähigen Nanopartikeln stehen allerdings der Verwendung für große Bauteile im Tonnenmaßstab entgegen.
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Ebenso bekannt sind Verfahren bei denen die Bauteile über das Auftragsschweißen hergestellt werden. Dabei können die Schweißraupen über normale Lichtbogenverfahren mit Draht, Plasmaschweißgeräte, Laserschweißgeräte mit Draht oder Pulverzufuhr erzeugt werden. Nachteilig ist hier zum einen, dass die Leistungsfähigkeit der Verfahren auf wenige kg/Stunde begrenzt ist und zum zweiten, dass Überhänge in der zu erstellenden Struktur nur über aufwändige Stützstrukturen erzeugt werden können.
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Erfindungsaufgabe:
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Ziel der Erfindung ist es ein Verfahren und damit Bauteile zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht große metallische Bauteile in kurzer Zeit werkzeuglos und mit sehr geringen Einschränkungen bei der Formgebung herzustellen.
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Beschreibung der Erfindung:
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Große Bauteile werden in verschiedenen Bereichen der Technik verwendet. Dabei ist meistens die Einleitung und Abführung großer Kräfte von Bedeutung. Aus Kostengründen sind heute die Werkstoffe Stahl und Eisen dominant, die wie oben beschrieben verarbeitet werden. Dabei treten Belastungen und Anforderungen auf, die es auch bei diesen großformatigen Bauteilen erforderlich machen die Prinzipien von Leichtbaukonstruktionen anzuwenden.
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Ein Beispiel für solche Großbauteile sind Werkzeuggestelle für Mehrstufenpressen. Solche Pressen werden im Automobilbau verwendet, um beispielsweise komplette Seitenwände aus einem Blech zu formen und auszustanzen. Dabei sind die Werkzeuge direkt mit dem umzuformenden Blech in Kontakt und meist komplex geformt. Da mehrere Umformschritte hintereinander geschaltet sind, nimmt ein Werkzeugträger mehrere Werkzeuge mit mehreren Tonnen Gewicht auf. Da ein Werkzeugträger eines Gesamtwerkzeuges bewegt ist, ist eine Leichtbaukonstruktion unablässig und ein möglichst geringes Gewicht ist anzustreben.
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Moderne Bauwerke beinhalten in ihrer Tragwerkskonstruktion oft hoch komplexe Bauteile, die viele aus verschiedenen Winkeln angreifende Kräfte übertragen. Solche Konstruktionen unterliegen nicht nur den Regeln des Leichtbaus, da sie an ihre Positionen gehoben werden müssen, sondern sie sind meist auch ein Teil der sichtbaren Gebäudehülle oder des Inneren. Hierbei müssen also große Abmessungen mit hoher Komplexität verbunden werden.
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Ein weiteres Beispiel für ein großes Bauteil ist der Ausleger eines Baggers. Dieser trägt die Lasten die auf die Schaufel wirken. Neben der Gewichtskraft der Ladung wirken weitere Kräfte, die durch die Bewegung der Schaufel im Erdreich verursacht werden. Der Ausleger wird derzeit meist als Schweißkonstruktion ausgeführt. Dabei werden die Kräfte nicht optimal durch die Konstruktion geleitet. Es werden zahlreiche Kompromisse eingegangen, um die Konstruktion als Schweißteil ausführen zu können.
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Die oben genannten Verfahren haben bei den genannten Beispielen verschiedene Nachteile die das erfindungsgemäße Verfahren nicht aufweist. Die Schweißtechnik kann schnell Bauteile liefern. Die Entwicklungskosten sind aber hoch, da die funktionale Struktur des Werkstückes fertigungsgerecht zerlegt werden muss. Dabei entsteht eine Vielzahl von Einzelbauteilen, die dann wieder über Schweißen verbunden werden. Zusätzlich zu diesem Kostenfaktor entsteht beim Verschweißen der meist dickwandigen Bleche ein Verzug der Bauteile. Diese müssen dann aufwändig nachgearbeitet werden.
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Die oben genannten Bauteile sind ebenso durch Gießverfahren herstellbar. Grundsätzlich können dabei die Gussformen durch Handformverfahren erzeugt werden. Hier werden nach Zeichnung jeweils Teile der Form beispielsweise gemauert. Andere Teile wie Kerne werden über eine Holzmodellherstellung und ein Abformen beispielweise mit kaltharzgebundenem Sand erstellt. Dieses Verfahren ist durch ein hohes Aufkommen an Handarbeit und lange Durchlaufzeiten charakterisiert.
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Die Vollformgießtechnik ermöglicht die Realisierung komplexerer Bauteile ohne die funktionale Struktur des Werkstückes zerlegen zu müssen. Nachteilig ist hier, dass der Konstrukteur die Konstruktion gießgerecht ausführen muss. Das bedeutet, dass ein Anschnittsystem mit Eingusstümpeln vorgesehen werden muss. Zusätzlich müssen Wandstärkeanalysen durchgeführt werden, um die Speiser zu definieren und zu dimensionieren. Dabei kann oft auf eine Formfüllung und Erstarrungssimulation nicht verzichtet werden. Bedingt durch den Vollformgussprozess sind zudem Maßabweichungen nicht zu vermeiden, die aus der Verformung des großen Styropormodells resultieren. Nicht zuletzt stellt die Verbrennung des Modells beim Vollformguss eine erhebliche Belastung für die Arbeitsumgebung in der Gießerei dar.
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Bezüglich der Leichtbaukonstruktion stellt die Topologieoptimierung die wirksamste Maßnahme dar. Hierbei wird die Form unter Berücksichtigung der Belastungen mathematisch optimiert. Es entsteht ein komplexer Körper der meist einem Fachwerk ähnelt bei dem nahezu beliebige Winkel und Formen auftreten. Dieser Körper ist beispielsweise mit der Schweißtechnik aufgrund der Anordnung der Stäbe nicht ohne komplexe Schablonen darstellbar. Für den Vollformguss müssen ebenso komplizierte Modelle hergestellt werden.
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Die Additiven Verfahren stellen einen Lösungsansatz für solche Problemstellungen dar. Diese arbeiten, wie das erfindungsgemäße Verfahren, schichtweise. Dabei wird das komplexe 3D-Bearbeitungsproblem auf zwei Dimensionen reduziert. Die jeweilige Schicht stellt für sich gesehen ein einfacheres Bearbeitungsproblem dar, da die dritte Dimension nur eine einfache Extrusion darstellt und somit jede Position einfach mit einem Werkzeug erreichbar ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Schichtbauverfahren, das an ein Gießverfahren angelehnt ist. Dabei wird aber im Vergleich zum konventionellen Guss nur jeweils eine Schicht gegossen. Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritte auf:
- Erzeugen einer Schicht aus Partikelmaterial (101), die der Träger oder die Berandung für die Schmelze ist. Gießen von Schmelze (100) an die Positionen an denen im Schnittbild des Bauteils Material vorzusehen ist und Absenken der so entstandenen Schicht um eine Schichtstärke.
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Gegenüber den bekannten Binderjetting-Verfahren für Sandformen entfällt bei dieser Technik ist Herstellung und Reinigung der Gussform. Insbesondere das Handling der tonnenschweren Formen entfällt. Ebenso entsteht bei der Erzeugung der Bauteile kein Sand der aufwändig und kostenintensiv deponiert werden muss.
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Das Verfahren kann im Vergleich zu anderen direkten Verfahren zur Erzeugung von metallischen Bauteilen wie dem Binderjetting (mit Metallpulver) oder dem Lasersintern nahezu beliebig in seiner Leistungsfähigkeit skaliert werden. Da die Schmelze (100) in einem externen Prozess erzeugt wird und nicht direkt auf dem Baufeld (200) oder im Bauteil entsteht, kann der Energieeintrag exakt gesteuert werden und Energie, die nicht für den Bauprozess benötigt wird, kann sicher extern abgeführt werden.
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Das Verfahren bringt gegenüber dem Auftragsschweißen mehr Formfreiheit mit sich, da durch das Partikelmaterial (101) der Bauprozess gestützt abläuft und sich so Überhänge einfach realisieren lassen. Dadurch wird ebenso die Erzeugung topologieoptimierter Formen erst sinnvoll.
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Das Partikelmaterial (101) im erfindungsgemäßen Prozess kann zwei mögliche Funktionen einnehmen. Wird erfindungsgemäß ein Partikelmaterial (101) benutzt, das der Schmelze (100) ähnelt oder mit der Schmelze (100) leicht legiert kann der Prozess so geführt werden, dass das Partikelmaterial (101) von der Schmelze (100) umhüllt wird und in den Artikel integriert wird (400). Dabei dringt die Schmelze (100) in die Schicht solange ein bis ein Gleichgewicht aus Kapillarkräften und Gravitation erreicht ist, oder bis die Schmelze (100) auf Grund der Energieabgabe an die kalten Partikel einfriert. Die Oberseite der Schicht bleibt dabei nahezu plan. Die Partikel kühlen zum einen die Schmelze (100) und reduzieren ebenso zum anderen die Tendenz der benetzten Fläche sich auf Grund der Abkühlung zusammenzuziehen.
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Ebenso ist es möglich den Prozess über die Temperatur der Schmelze (100) so zu führen, dass das Partikelmaterial (101) nur wenig benetzt wird (401). Die Schmelze (100) erstarrt dann als Schicht auf der eigentlichen Partikelmaterialschicht ohne in sie einzudringen (600). Eine Kühlwirkung und eine Reduktion der Schwindung sind bei dieser Prozessführung nicht möglich und müssen anderweitig realisiert werden.
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Das Partikelmaterial (101) wird als Schicht jeweils über die letzte erzeugte Schicht aufgezogen. Dazu muss die letzte Schicht abgesenkt oder die Vorrichtung zur Erzeugung der Schichten (102) angehoben werden. Im Fall einer Infiltration der Partikel mit der metallischen Schmelze (100) wird die Schicht vollständig mit Partikeln belegt. Im Fall der Nichtbenetzbarkeit wird nur der leere Raum verfüllt.
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Das Partikelmaterial (101) kann auf eine Startposition vor dem eigentlichen Baufeld (200) angehäuft werden und dann mit einer Rakel über das Baufeld (200) ausgestrichen werden. Diese Rakel kann eine einfache Metallklinge sein oder eine Rolle die gegenläufig zur Bewegungsrichtung rotiert. Eine Kompression durch die Rakel ist erfahrungsgemäß nicht sicher zu steuern und muss deshalb über die Prozessparameter vermieden werden.
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Der Vorschub der Rakel kann beim erfindungsgemäßen Verfahren von 0,01 m/s bis zu 1 m/s betragen. Bevorzugt werden 0,05 m/s bis 0,5 m/s. Besonders bevorzugt werden 0,2 m/s bis 0,5 m/s.
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Die metallische Schmelze (100) wird erfindungsgemäß nicht in der Schicht sondern außerhalb der Vorrichtung oder nahe der Schicht erzeugt. Dabei dringt die Schmelze (100) durch eine oder mehrere Öffnungen (801) in einem oder mehreren Gefäßen (103) auf das Partikelbett. Diese Öffnungen (801) sind erfindungsgemäß steuerbar oder verschließbar.
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Die Öffnungen (801) sind nahe am Partikelbett angeordnet und sind so dimensioniert, dass die Volumenausstoßmenge an die Verfahrgeschwindigkeit des Gefäßes (103) angepasst ist. Ebenso ist die Dimensionierung so gewählt, dass das Partikelmaterialbett durch den Schmelzefluß nicht verändert wird.
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Das Gefäß (103) ist erfindungsgemäß sinnvoll aus feuerfestem Material ausgeführt und kann die Schmelze (100) sicher über den Zeitraum eines Prozesslaufes tragen. Ebenso sind aber Gefäße (103) verwendbar, die nicht den ganzen Prozesslauf halten, aber zwischendurch erneuert werden.
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Die Öffnungen (801) und die Bodenstruktur des Gefäßes (103) werden derart ausgeführt, dass in den Öffnungen (801) die Schmelze (100) nicht einfrieren kann.
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Je nach Metall oder Metalllegierung und Prozess wird die Schmelze (100) in flüssigen Zustand bei einer Temperatur deutlich oberhalb der Liquidusteperatur gehalten. Je nach Temperatur infiltriert die Schmelze (100) dann in das Partikelmaterial (101).
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Die Ausbringung der Schmelze (100) erfolgt mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 0,05 m/s bis 3 m/s. Bevorzugt sind 0,1 m/s bis 2 m/s, besonders bevorzugt sind 0,5 m/s bis 1 m/s.
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Die Öffnungsdurchmesser betragen von 0,5 mm bis zu 10 mm. Bevorzugt sind 1 mm bis 5 mm. Besonders bevorzugt sind Durchmesser von 1 mm bis 2mm.
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Je nach Metallschmelze und Partikelmaterial (101) sind die Schichtstärken im Bereich von 0,5 mm bis 15mm. Bevorzugt sind Schichten (102) mit einer Dicke von 1 mm bis 10 mm. Besonders bevorzugt sind Dicken von 2 mm bis 5 mm.
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Die Schwindung des Metalls bei der Abkühlung ist wesentlich für die Prozessführung und das Ergebnis. Da die Schichten (102) miteinander verbunden werden und das Metall bei Abkühlen sich zusammenzieht, kommt es zu linearen und nicht-linearen Verzerrungen der Bauteile. Zu einen verändern sich die Hauptabmessungen der Schichten (102) und damit des gesamten Bauteils durch die Temperaturdifferenz vom schmelzflüssigen Zustand zur Raumtemperatur. Zum zweiten entsteht durch das unterschiedliche Abkühlen der einzelnen Schichten (102) ein Biegemoment, das die Schichten (102) in Richtung des Schichtaufbaus verformt.
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Deshalb sind bei der Prozessierung besondere Strategien anzuwenden (10). Ein wesentlicher Teil der Schwindung kann bei der Prozessführung mit Infiltration durch das Partikelmaterial (101) abgefangen werden. Zudem kann eine weitere Reduktion der Wirkung des Schwindens durch eine besondere Strategie beim Aufbringen der Schmelze (100) erfolgen. Hierbei ist es zielführend einzelne Bereiche einer Schicht mit Schmelze (100) zu benetzen und abkühlen zu lassen. Danach werden diese Bereiche durch weitere Schmelze (100) verbunden und somit besonders die Wirkung des Biegemomentes unterdrückt. Die Form der Bereiche entspricht beispielsweise Quadraten. Die jeweils aufgebrachte Textur kann von Schicht zu Schicht variiert werden, um Anisotropien im entstehenden Werkstoff zu reduzieren.
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Wesentlich für die Prozessführung ist der Temperaturhaushalt während des Gesamtprozesses. Da immer mehr Energie über die Schmelze (100) eingebracht wird und die Energie durch das Partikelmaterial (101) nicht gezielt abgeführt wird, muss durch einen weiteren Mechanismus der Temperaturhaushalt homogenisiert werden. Dies kann beispielweise durch ein gezieltes Kühlen der aufgebrachten Schmelze (100) durch selektiv aufgebrachtes Kühlwasser erfolgen. Ebenso ist es möglich bestimmte Bereiche gezielt zu erwärmen.
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Die Temperaturentwicklung im Baufeld (200) ist direkt von der Bauteilgeometrie abhängig. Deshalb muss die Temperaturreglung bauteilabhängig erfolgen. Hierzu muss parallel zum Prozess eine Simulation erfolgen, anhand derer bestimmt wird, welche Bereiche gekühlt oder zusätzlich geheizt werden müssen.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren sind nahezu alle Metalle geeignet. Die Eignung hängt sowohl vom Schmelzpunkt als auch von der Oxidationsneigung des jeweiligen Metalls ab. Beispielsweise sind Aluminiumlegierungen, obwohl sie mit einem Schmelzbereich von rund 650-750°C relativ niedrig schmelzen, auf Grund Ihrer Oxidationsneigung schwer zu verarbeiten. Eisen und Stahl schmelzen erst bei deutlich höheren Temperaturen, sind aber stabiler gegenüber der Oxidation und führen zu einem homogeneren Werkstoff.
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Bei Metallen mit starker Neigung zur Oxidation ist es erforderlich den Raum in dem der Prozess stattfindet mit Schutzgas zu fluten oder lokal mit Schutzgas zu überdecken.
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Als Partikel können Granulate aller Metalle verwendet werden. Die Partikelform kann sphärisch oder scharfkantig sein. Die Oberfläche der Partikel muss frei von Oxiden sein, wenn sich die Partikel mit der Schmelze (100) verbinden sollen und ein besonders homogener Werkstoff entstehen soll. Anders als bei Gussprozessen können oxidische Bestandteile nicht vor dem Guss abgekräzt werden und beeinflussen die Festigkeit des erzeugten Artikels nachhaltig.
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Die Partikelgröße hängt von der Prozessführung und der Schichtstärke ab. Dabei sind Partikelgrößen von 0,25 mm bis 10 mm sinnvoll. Bevorzugt werden Partikel mit einer Größe von 0,5 mm bis 5 mm verwendet. Besonders bevorzugt sind Partikel mit einen Durchmesser von 1 mm bis 3 mm.
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Ebenso können Partikel verwendet werden, die besonders für den Einsatz im Schichtbauverfahren optimiert sind. Dies können zum Beispiel kubische Partikel sein, die in einem Stanzprozess hergestellt werden. Weiterhin können diese Partikel Oberflächenstrukturen aufweisen, die die Verbindung in Schichtebene und zwischen den Schichten vorbereiten und erleichtern.
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Wird die Prozessführung mit nicht infiltrierender Schmelze (100) ausgeführt, kann ein weiteres Spektrum von Partikeln verwendet werden. Hier sind nicht nur metallische Partikel, sondern auch nicht-metallische Partikel anwendbar. Besonders geeignet sind erfindungsgemäß keramische oder feuerfeste Partikel.
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Beispiele für solche nichtmetallischen Partikel sind nicht erschöpfend Sand, Mikro-Glaskugeln, Hohlglaskugeln, Blähglaskugeln, künstlicher Sand, Bauxit, Erze, Cromiterze, Zirkonoxid, Siliziumkarbide, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Salze, Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Kaliumcarbonat, Natriumkarbonat, Minerale, Calcit, Dolomit, Feldspat, Quarz, Glimmer.
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Metallische Partikel höher schmelzender Metalle eignen sich wie schon beschreiben ebenso. Beispielweise können Stahlpartikel für Aluminiumschmelzen verwendet werden, da der Schmelzpunkt von Stahl bei wesentlich höheren Temperaturen liegt und die beiden Metalle nur eine moderate Neigung aufweisen miteinander eine Legierung zu bilden.
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Das Schwinden der Metalle beim Abkühlen wird mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten beschrieben. Dieser ist ein Materialeigenschaft und für die einzelnen Metalle spezifisch. Beispielsweise weist reines Eisen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 11,8 ppm/K auf.
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Für den Prozess ist dabei der Schwund von Schmelztemperatur bis zur Raumtemperatur relevant. Soll beispielweise eine einen Meter lang Stange aus Eisen gedruckt werden, muss eine Temperaturdifferenz von rund 1400 °C berücksichtigt werden. Das ist gleichbedeutend damit, dass jede Schicht sich um rund 1,6 cm zusammenzieht.
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Die alleinige Längenkontraktion kann in einem datenbasierten Prozess, wie dem erfindungsgemäßen, einfach kompensiert werden. Der beispielhafte Stab wird vor dem Prozess einfach digital skaliert.
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Durch die Verbindung der Schichten (102) untereinander ergibt sich aber eine zusätzliche Problemstellung. Auf eine bereits erstarrte Schicht wird eine neue Schicht aufgegossen. Kurz unterhalb der Solidustemperatur beginnt das Material durch sein Zusammenziehen ein Biegemoment im Schichtverbund zu erzeugen. Dadurch wird sich der Stab bei einfacher Prozessführung mehrere Millimeter aus der Schichtebene noch oben verziehen. Damit ist der weitere Schichtbauprozess gestört.
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Eine Maßnahme ist es auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten zu wirken. Da dieser eine Materialeigenschaft ist, kann nur damit Einfluss genommen werden, dass nicht alles Material zum Zeitpunkt des Schichtverbundes flüssig vorliegt. Dies kann durch die Prozessführung mit Infiltration erreicht werden.
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Als zweite Maßnahme kann auf die Temperaturdifferenz gewirkt werden. Da die Schmelztemperatur eine Materialkonstante ist kann nur die „Raumtemperatur“ angepasst werden. Deshalb ist es sinnvoll neben der Schmelzeabgabe Einheiten für den Prozess vorzusehen, die es ermöglichen zumindest kurzeitig und lokal die Prozesstemperatur (900,901) zu steuern.
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Eine weitere Maßnahme ist es die Folgen des Schwundverhaltens zu minimieren. Da im Wesentlichen die entstehenden Biegemomente und der Verzug in Richtung der Aufbaurichtung für den Prozess schädlich sind ist es sinnvoll die Auswirkungen zu reduzieren. Dies kann erreicht werden indem im Prozessschritt des Aufgießens lange Strukturen nicht durchgehend, sondern in mehreren getrennten Schritten erstellt werden.
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Ein Beispiel für eine solche Vorgehensweise könnte es sein die Schicht in einer Art Schachbrettmuster (10) auszuführen. Im ersten Prozessschritt werden die weißen Felder mit Schmelze (100) gefüllt. Sind diese ausreichend abgekühlt, werden die schwarzen Felder gegossen. Da jedes Feld für sich schwinden kann ohne betragsmäßig große Biegeverzüge auszulösen, kann mit dieser Vorgehensweise die Wirkung der Materialschwindung auf den Prozess reduziert werden.
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Eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist grundsätzlich dem Aufbau von heute gebräuchlichen 3D-Druckern ähnlich. Dabei kann die Vorrichtung, wenn nur eine Öffnung (801) zur Dosierung der Schmelze (100) verwendet wird, analog zum bekannten Fused-Deposition-Modeling Verfahren aufgebaut werden. Die Öffnung wird gemäß der Konturen über das Baufeld geführt und die Öffnung wird jeweils geschaltet gemäß der Daten freigegeben (201,202). Im Vergleich zum Fused-Deposition-Modeling sind die Unterschiede in Massen und Temperaturen zu berücksichtigen. Das bedeutet, dass der Bewegungsapparat für die Düse massiver ausgeführt werden muss. Eine Bauplattform sollte statisch ausgeführt werden, da sonst sehr große Massen exakt positioniert werden müssen.
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Werden mehrere Öffnungen (801) verwendet, entspricht die Vorrichtung zur Ausbringung der Schmelze (100) einem Tintenstrahldruckkopf. Dann ist es zielführend einen Aufbau zu wählen, der den „Druckkopf“ in Mäandern über das Baufeld (200) führt und Bahnen mit oder ohne Schmelze ausführt (300,301). Die Steuerung der Öffnungen (801) erfolgt gemäß der Matrix die die Schicht repräsentiert.
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Beide Vorrichtungsvarianten weisen erfindungsgemäß einen Beschichter auf, der das Partikelmaterial (101) aufbringt und gleichmäßig glättet. Je nach Prozessführung kommen Beschichter zum Einsatz die entweder die gesamte Schicht belegen oder selektiv arbeiten können.
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Der Beschichter erfüllt in erste Linie die Funktion einer Rakel. Es wird dabei durch das kinematische System in einer Ebene über das Baufeld (200) geführt und die jeweils untersten Bestandteile formen das Partikelmaterial (101) gemäß der Verfahrbewegung. Die unter Kante kann entweder gerade oder profiliert sein. Dabei muss es sich nicht um eine statische Kante handeln. Ebenso kann die Rakel beispielsweise als gegenläufig laufende Rolle oder vibrierende Kante ausgeführt sein.
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Das Partikelmaterial (101) für die Beschichtung kann auf verschiede Arten für das Glätten aufgebracht werden. Zum einen kann das Material für eine Schicht am Beginn des Baufeldes (200) vorgelegt werden. Dies kann über Förderschnecken, Hubzylinder oder sonstige Fördereinrichtungen erfolgen. Zum anderen kann das Material während des Glättvorgangs vor die, als Rakel wirkende, Unterkante des Beschichters gegeben werden.
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Ein Beschichter, der selektiv geschaltet werden kann, weist über seine Breite schaltbare Öffnungen (801) auf, die Partikelmaterial (101) abgeben können oder nicht. Dies können beispielsweise pneumatisch betätigte Schieber sein. Ebenso kann ein Partikelmaterialfluss über Unterdruck beeinflusst werden. Auch kann die vorgegebene Partikelschicht auf einer Trägerrolle vorbereitet werden und über dem Baufeld (200) gezielt abgelegt werden.
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Ebenso ist es möglich eine vollständige Partikelschicht zu erzeugen und in einem zweiten Schritt zu strukturieren. Dies kann beispielsweise über ein gezieltes Absaugen von Partikeln erfolgen.
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Eine mögliche Vorrichtung zur gezielten Dosierung der Schmelze (100) ist aus der Gießereitechnik bekannt. Hier werden für spezielle, automatisierte Schwerkraftgussprozesse feuerfeste Tiegel (800) verwendet, die zum Guss nicht gekippt werden müssen, sondern an der Unterseite eine verschließbare Bohrung aufweisen. Diese Öffnung (801) wird durch einen stangenartigen Stopfen (804) und einem konischen Dichtkegel (802) verschlossen, der im Schmelzebad (803) arbeitet. Die Betätigung des Stopfens (804) erfolgt außerhalb der Schmelze (100) oberhalb des Tiegels. Die Betätigung kann beispielsweise pneumatisch erfolgen.
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Diese Prinzip kann erweitert werden, um mehrere Öffnungen (801) gleichzeitigt zu nutzen. Der Tiegel wird als langgestrecktes Gefäß (103) ausgeführt und die Stopfen sitzen in einer Reihe. Eine solche Vorrichtung kann einen Steuerkopf aufweisen, der es ermöglicht, beispielsweise pneumatisch, die Stopfen über einen Steuerrechner gezielt Schmelze (100) abgeben zu lassen, wenn der Tiegel sich auf der gewünschten Position befindet.
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Ebenso ist es eine Möglichkeit die Schmelze (100) gezielt vor Ort zu Erzeugen. Beispiele hierfür können Lichtbogenverfahren, Plasma oder Laserschmelzen sein. Die Ansteuerung erfolgt dann über das jeweilige Schalten der Schmelzeerzeugung.
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Figurenliste
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- 1: Erfindungsgemäßes 3D-Druckverfahren mit Partikelmaterial und metallischer Schmelze als schematische Schnittdarstellung
- 2: Ausführung der Erfindung mit einer Öffnung und Vektorsteuerung
- 3: Ausführung der Erfindung mit mehreren Öffnungen und matrixbasierter Steuerstrategie
- 4: Verschiedene Wechselwirkungen von Schmelze mit einer glatten Oberfläche aus Partikelmaterial
- 5: Wirkung der Oberflächenspannung auf die Höhe einer dosierten Schicht aus Schmelze
- 6: Erfindungsgemäßes 3D-Druckverfahren mit der Möglichkeit ein selektives Beschichtungsverfahren anzuwenden
- 7: Erfindungsgemäßes 3D-Druckverfahren bei nicht infiltrierender Schmelze
- 8: Schematische Schnittdarstellung eines Stopfentiegels mit einer a) und mehreren Öffnungen b).
- 9: Schematische Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Verfahrens mit zusätzlichen Kühl- und Erwärmungseinrichtungen
- 10: Zerlegung einer Schicht in Teilbilder und Teilbereiche, um die Folgen des Schwindens beim Abkühlen zu reduzieren
- 11: Darstellung einer beispielhaften Ausführung einer Vorrichtung zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Schmelze
- 101
- Partikelmaterial
- 102
- Schichten
- 103
- Gefäß mit Öffnung
- 200
- Baufeld
- 201
- Verfahrbewegung bei geschlossener Öffnung
- 202
- Satz von Verfahrbewegungen mit offener Öffnung
- 300
- Bahn einer geöffneten Öffnung
- 301
- Bahn einer geschlossenen Öffnung
- 400
- In das Partikelmaterial eingedrungene Schmelze (infiltrierender Prozess)
- 401
- Schmelze außerhalb des Partikelmaterials
- 500
- Schmelzetropfen einer Schmelze mit niedriger Oberflächenspannung
- 501
- Schmelzetropfen einer Schmelze mit sehr hoher Oberflächenspannung
- 600
- Schicht aus Schmelze
- 601
- Selektiv aufgebrachtes Partikelmaterial
- 602
- Bereich in dem kein Partikelmaterial beschichtet wurde
- 603
- Gießbehälter
- 700
- Schicht aus Schmelze auf einer unbegrenzten Schicht
- 800
- Feuerfeste Tiegelwand
- 801
- Öffnung
- 802
- Konische Dichtfläche
- 803
- Schmelzebad
- 804
- Beweglicher Stopfen
- 900
- Erwärmungsvorrichtung für die Schicht
- 901
- Kühleinrichtung
- 902
- Gekühlte Metallschmelze
- 1100
- Linearsystem
- 1101
- Wandung der Vorrichtung
- 1102
- Höhenachse
