DE102019104718A1

DE102019104718A1 - Induktive Heizeinrichtung, Schichtbauvorrichtung, Verfahren zum Betreiben einer Schichtbauvorrichtung und Speichermedium

Info

Publication number: DE102019104718A1
Application number: DE102019104718.8A
Authority: DE
Inventors: Johannes Casper; Herbert Hanrieder; Martin Leuterer; Sebastian Edelhäuser
Original assignee: EOS GmbH; MTU Aero Engines AG
Current assignee: EOS GmbH; MTU Aero Engines AG
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2020-08-27

Abstract

Die Erfindung betrifft Heizeinrichtungen (12) für eine Schichtbauvorrichtung (14) zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend wenigstens einen ersten Induktor (18a) und einen zweiten Induktor (18b), mittels welchen ein Volumen eines Werkstoffs (W) im Bereich eines Baufelds (10) zum schichtweisen Aufbauen des Bauteilbereichs direkt und/oder indirekt temperierbar ist. Bei einer Heizeinrichtung (12) weist der erste Induktor (18a) und der zweite Induktor (18b) jeweils einen kreisringsegmentförmigen Bereich auf, wobei der kreisringsegmentförmige Bereich des ersten Induktors (18a) einen größeren Radius als der kreisringsegmentförmige Bereich des zweiten Induktors (18b) besitzt. Bei einer weiteren Heizeinrichtung (12) ist eine Orthogonalprojektion des zweiten Induktors (18b) auf das Baufeld (10) innerhalb einer Orthogonalprojektion des ersten Induktors (18a) auf das Baufeld (10) angeordnet, wobei der zweite Induktor (18b) gemeinsam mit dem ersten Induktor (18a) mitzubewegen ist. Bei einer weiteren Heizeinrichtung (12) sind der erste Induktor (18a) und/oder der zweite Induktor (18b) rotatorisch gegenüber dem Baufeld (10) bewegbar. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schichtbauvorrichtung (14) zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Schichtbauvorrichtung (14) sowie ein Speichermedium mit einem Programmcode.

Description

Die Erfindung betrifft induktive Heizeinrichtungen, eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schichtbauvorrichtung sowie ein Speichermedium mit einem Programmcode.
Additive Schichtbauverfahren bezeichnen Prozesse, bei denen anhand eines virtuellen Modells eines herzustellenden Bauteils oder Bauteilbereichs Geometriedaten ermittelt werden, welche in Schichtdaten zerlegt werden (sog. „slicen“). Abhängig von der Geometrie des Modells wird eine Belichtungs- bzw. Bestrahlungsstrategie bestimmt, gemäß welcher die selektive Verfestigung eines Werkstoffs erfolgen soll. Neben der Anzahl und Anordnung von Belichtungs- bzw. Bestrahlungsvektoren, zum Beispiel Streifenbelichtung, Islandstragie etc., umfasst die Belichtungsstrategie weitere Prozessparameter wie beispielsweise die Leistung eines zum Verfestigen zu verwendenden Energiestrahls sowie die Unterteilung in sogenannte Up-, In- und Downskinbereiche. Gemäß der Bestrahlungsstrategie wird dann der gewünschte Werkstoff schichtweise abgelagert und selektiv mittels wenigstens eines Energiestrahls verfestigt, um den Bauteilbereich additiv aufzubauen. Damit unterscheiden sich additive bzw. generative Herstellungsverfahren von konventionellen abtragenden oder urformenden Fertigungsmethoden. Beispiele für additive Herstellungsverfahren sind generative Lasersinter- bzw. Laserschmelzverfahren, die beispielsweise zur Herstellung von Bauteilen für Strömungsmaschinen wie Flugtriebwerke verwendet werden können. Beim selektiven Laserschmelzen werden dünne Pulverschichten des oder der verwendeten Werkstoffe auf ein Baufeld aufgebracht und mit Hilfe eines oder mehrerer Laserstrahlen lokal aufgeschmolzen und verfestigt. Anschließend wird die Bauplattform abgesenkt, eine weitere Pulverschicht aufgebracht und erneut lokal verfestigt. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis das fertige Bauteil bzw. der fertige Bauteilbereich erhalten wird. Das Bauteil kann anschließend bei Bedarf weiterbearbeitet oder sofort verwendet werden. Beim selektiven Lasersintern wird das Bauteil in ähnlicher Weise durch laserunterstütztes Sintern von pulverförmigen Werkstoffen hergestellt. Die Vorteile dieser additiven Fertigung liegen insbesondere in der Möglichkeit, sehr komplexe Bauteilgeometrien mit Hohlräumen, Hinterschnitten und dergleichen im Rahmen eines einzelnen Verfahrens herstellen zu können.
Insbesondere bei der Verwendung von hochschmelzenden oder schwer-schmelzbaren Werkstoffen hat es sich bewährt, den Werkstoff mit Hilfe einer Heizeinrichtung vor dem Verfestigen auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen, die vorzugsweise in der Nähe der Schmelz- oder Sintertemperatur des betreffenden Werkstoffs liegt. Hierdurch kann eine schnellere und zuverlässigere Verfestigung des Werkstoffs sichergestellt werden, da der Energiestrahl nur einen vergleichsweise geringen zusätzlichen Wärmeeintrag zum Verfestigen leisten muss. Alternativ oder zusätzlich kann mit Hilfe einer solchen Heizeinrichtung auch eine kontrollierte Abkühlung eines bereits verfestigten Bauteilbereichs realisiert werden, um insbesondere Rissbildungen beim Abkühlen zu vermeiden.
Als Heizeinrichtungen werden insbesondere induktive Heizeinrichtungen in einer sogenannten Kreuzspulenkonfiguration verwendet. Derartige Heizeinrichtungen weisen einen ersten und einen zweiten Induktor bzw. eine erste und zweite Induktionsspule auf, die relativ zum Baufeld jeweils in genau eine Raumrichtung über Linearachsen translatorisch bewegbar sind, wobei die Raumrichtungen senkrecht aufeinander stehen. Hierdurch können die Induktoren derart positioniert werden, dass sich ihre Induktionsfelder an bestimmten Stellen des Baufelds überlagern, wodurch ein Heizbereich mit einer besonders hohen Temperatur realisiert werden kann. Dabei wird berücksichtigt, dass beispielsweise bei Verwendung einer induktiven Heizeinrichtung eine jeweils oberste Schicht des unverfestigten Werkstoffs auf dem Baufeld weitgehend indirekt (durch Wärmeleitung) beheizt werden kann, indem sich Wärme von einem direkt beheizten, unterhalb der obersten Werkstoffschicht liegenden Festkörper oder bereits zuvor verfestigten Bereich in die Umgebung, d. h. in den umliegenden Werkstoff, ausbreitet. Aus der Nutzung dieses Prinzips zur Beheizung einer oder weniger Werkstoffschichten, die zwischen einem Bauteil oder einer Bauplattform und der Oberfläche der Werkstoffschicht liegt bzw. liegen, ist ersichtlich, dass der indirekt beheizte Bereich, der per Definition oberhalb einer vorbestimmten Mindesttemperatur liegt, eine sehr geringe räumliche Erstreckung aufweisen kann, die z. B. wenige oder wenige Dutzend Mikrometer (zumindest in einer vertikalen Richtung senkrecht zum Baufeld) beträgt. Dies bedeutet auch, dass sich der indirekt beheizte, lokal begrenzte Bereich unterhalb der Oberfläche des Werkstoffs (die Oberfläche einschließend) bereits bei einer geringen horizontalen Verlagerung des darunter angeordneten direkt beheizten Bereichs in entsprechendem Maß mitbewegt.
Durch die relative Orientierung der beiden Induktoren zueinander ergeben sich je nach darunter liegender Bauteilgeometrie aber unterschiedliche Vorwärmbedingungen. Ist die Bauteilgeometrie längs eines Induktors wird vergleichsweise viel Wärme induziert, liegt die Bauteilgeometrie hingegen quer zum Induktor wird vergleichsweise wenig Wärme induziert. Eine geometrieunabhängige Vorwärmung und damit gleich bleibende lokale thermische Prozessbedingungen sind daher nicht erreichbar. Gleiches gilt für komplex geformte Randbereiche von Bauteilschichten sowie für die Verfestigung größerer Flächen mit variierend, beispielsweise rotierend, angeordneten Belichtungs- bzw. Bestrahlungsvektoren. Auch hier sind der Grad der Vorwärmung und damit die lokale Temperatur entlang der Belichtungs- bzw. Bestrahlungsvektoren nicht konstant. Dies kann zu Prozesstörungen und schwankenden Bauteilqualitäten führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine induktive Heizeinrichtung zu schaffen, welche eine konstantere Temperierbarkeit und damit eine prozesssicherere additive Herstellung von Bauteilschichten eines Bauteils mit höherer Qualität ermöglicht. Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, eine Schichtbauvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schichtbauvorrichtung anzugeben, welche eine prozesssicherere additive Herstellung von Bauteilschichten eines Bauteils mit höherer Qualität ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Speichermedium mit einem Programmcode anzugeben, welcher eine entsprechende Steuerung einer solchen Schichtbauvorrichtung sicherstellt.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch induktive Heizeinrichtungen mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 3 und 4, durch eine Schichtbauvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10, durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schichtbauvorrichtung gemäß Patentanspruch 12 sowie durch ein Speichermedium gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltung der jeweils anderen Erfindungsaspekte und umgekehrt anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine induktive Heizeinrichtung für eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend wenigstens einen ersten Induktor und einen zweiten Induktor, mittels welchen ein Volumen eines Werkstoffs im Bereich eines Baufelds zum schichtweisen Aufbauen des Bauteilbereichs direkt und/oder indirekt temperierbar ist. Erfindungsgemäß wird eine konstantere Temperierbarkeit und damit eine prozesssicherere additive Herstellung von Bauteilschichten eines Bauteils mit höherer Qualität dadurch ermöglicht, dass der erste Induktor und der zweite Induktor jeweils einen kreisringsegmentförmigen Bereich aufweisen, wobei der kreisringsegmentförmige Bereich des ersten Induktors einen größeren Radius als der kreisringsegmentförmige Bereich des zweiten Induktors besitzt. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Heizeinrichtung anstelle von herkömmlichen rechteckigen oder zumindest im Wesentlichen rechteckigen Induktoren zwei runde oder zumindest bereichsweise ringsegmentförminge Induktoren aufweist, wobei der erste Induktor größer ist als der zweite Induktor. Durch eine runde oder zumindest bereichsweise runde Ausführung des ersten und zweiten Induktors kann eine gleichmäßige Vorwärmung unabhängig von der Bauteilgeometrie oder Rotation eines im Heizbereich vorgesehenen Belichtungsstreifens erreicht werden. Damit können eine höhere Prozesssicherheit sowie eine höhere Bauteilqualität auch bei komplexen Geometrien und Baufeldrändern erreicht werden. Der Belichtungsstreifen kann generell auch als Bestrahlungsstreifen bezeichnet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Mittelpunktswinkel des kreisringsegmentförmigen Bereichs des ersten Induktors und/oder des zweiten Induktors mindestens 45° beträgt. Unter dem Mittelpunktswinkel wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung der Winkel verstanden, der von zwei Radien an die jeweiligen Enden des kreisringsegmentförmigen Bereichs der beiden Induktoren begrenzt wird. Mit anderen Worten können der erste und/oder zweite Induktor bereichsweise kreisringsegmentförmig oder vollständig rund ausgebildet sein, wodurch sich mögliche Mittelpunktswinkel von 45°, 46°, 47°, 48°, 49°, 50°, 51°, 52°, 53°, 54°, 55°, 56°, 57°, 58°, 59°, 60°, 61°, 62°, 63°, 64°, 65°, 66°, 67°, 68°, 69°, 70°, 71°, 72°, 73°, 74°, 75°, 76°, 77°, 78°, 79°, 80°, 81°, 82°, 83°, 84°, 85°, 86°, 87°, 88°, 89°, 90°, 91°, 92°, 93°, 94°, 95°, 96°, 97°, 98°, 99°, 100°, 101°, 102°, 103°, 104°, 105°, 106°, 107°, 108°, 109°, 110°, 111°, 112°, 113°, 114°, 115°, 116°, 117°, 118°, 119°, 120°, 121°, 122°, 123°, 124°, 125°, 126°, 127°, 128°, 129°, 130°, 131°, 132°, 133°, 134°, 135°, 136°, 137°, 138°, 139°, 140°, 141°, 142°, 143°, 144°, 145°, 146°, 147°, 148°, 149°, 150°, 151°, 152°, 153°, 154°, 155°, 156°, 157°, 158°, 159°, 160°, 161°, 162°, 163°, 164°, 165°, 166°, 167°, 168°, 169°, 170°, 171°, 172°, 173°, 174°, 175°, 176°, 177°, 178°, 179°, 180°, 181°, 182°, 183°, 184°, 185°, 186°, 187°, 188°, 189°, 190°, 191°, 192°, 193°, 194°, 195°, 196°, 197°, 198°, 199°, 200°, 201°, 202°, 203°, 204°, 205°, 206°, 207°, 208°, 209°, 210°, 211°, 212°, 213°, 214°, 215°, 216°, 217°, 218°, 219°, 220°, 221°, 222°, 223°, 224°, 225°, 226°, 227°, 228°, 229°, 230°, 231°, 232°, 233°, 234°, 235°, 236°, 237°, 238°, 239°, 240°, 241°, 242°, 243°, 244°, 245°, 246°, 247°, 248°, 249°, 250°, 251°, 252°, 253°, 254°, 255°, 256°, 257°, 258°, 259°, 260°, 261°, 262°, 263°, 264°, 265°, 266°, 267°, 268°, 269°, 270°, 271°, 272°, 273°, 274°, 275°, 276°, 277°, 278°, 279°, 280°, 281°, 282°, 283°, 284°, 285°, 286°, 287°, 288°, 289°, 290°, 291°, 292°, 293°, 294°, 295°, 296°, 297°, 298°, 299°, 300°, 301°, 302°, 303°, 304°, 305°, 306°, 307°, 308°, 309°, 310°, 311°, 312°, 313°, 314°, 315°, 316°, 317°, 318°, 319°, 320°, 321°, 322°, 323°, 324°, 325°, 326°, 327°, 328°, 329°, 330°, 331°, 332°, 333°, 334°, 335°, 336°, 337°, 338°, 339°, 340°, 341°, 342°, 343°, 344°, 345°, 346°, 347°, 348°, 349°, 350°, 351°, 352°, 353°, 354°, 355°, 356°, 357°, 358°, 359° oder 360° ergeben. Dies erlaubt eine optimale Anpassung der Geometrien der beiden Induktoren an die jeweilige Schichtbauvorrichtung.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine induktive Heizeinrichtung für eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend wenigstens einen ersten Induktor und einen zweiten Induktor, mittels welchen ein Volumen eines Werkstoffs im Bereich eines Baufelds zum schichtweisen Aufbauen des Bauteilbereichs direkt und/oder indirekt temperierbar ist. Erfindungsgemäß wird eine konstantere Temperierbarkeit und damit eine prozesssicherere additive Herstellung von Bauteilschichten eines Bauteils mit höherer Qualität dadurch ermöglicht, dass eine Orthogonalprojektion des zweiten Induktors auf das Baufeld innerhalb einer Orthogonalprojektion des ersten Induktors auf das Baufeld angeordnet ist und dass der zweite Induktor gemeinsam mit dem ersten Induktor mitzubewegen ist. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zweite Induktor kleiner als der erste Induktor ausgebildet ist und dass der zweite Induktor innerhalb der vom ersten Induktor definierten Orthogonalprojektion angeordnet ist, wobei die beiden Induktoren nicht unabhängig voneinander bewegbar sind. In einfachster Ausgestaltung ist der zweite Induktor damit innerhalb des ersten Induktors angeordnet. Alternativ kann der zweite Induktor bezogen auf das Baufeld, das heißt in vertikaler Richtung über oder unter dem ersten Induktor angeordnet sein. Beim Bewegen des ersten Induktors wird dann der zweite Induktor zwangsweise mitbewegt und dementsprechend nicht unabhängig vom ersten Induktor bewegbar. Hierdurch kann die gesamte Anordnung aus erstem und zweitem Induktor gemeinsam über das Baufeld bewegt werden, ohne dass ein Heizbereich des zweiten Induktors außerhalb eines Heizbereichs des ersten Induktors liegen kann. Hierdurch kann eine gleichmäßigere Vorwärmung des Werkstoffs sichergestellt werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine induktive Heizeinrichtung für eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend wenigstens einen ersten Induktor und einen zweiten Induktor, mittels welchen ein Volumen eines Werkstoffs im Bereich eines Baufelds zum schichtweisen Aufbauen des Bauteilbereichs direkt und/oder indirekt temperierbar ist. Erfindungsgemäß wird eine konstantere Temperierbarkeit und damit eine prozesssicherere additive Herstellung von Bauteilschichten mit höherer Qualität dadurch ermöglicht, dass der erste Induktor und/oder der zweite Induktor rotatorisch gegenüber dem Baufeld bewegbar ist bzw. sind. Hierdurch können auch komplex geformte Bauteile und Baufeldränder zuverlässig temperiert werden, da wenigstens einer der Induktoren durch Drehen optimal zur betreffenden Bauteilgeometrie bzw. zur gewünschten Belichtungs- bzw. Bestrahlungsstrategie ausgerichtet werden kann. Vorzugsweise können beide Induktoren rotatorisch bewegt werden, um eine optimale Überlagerung ihrer Felder sicherstellen zu können, so dass eine geometrieunabhängige Temperierung und damit gleich bleibende lokale thermische Prozessbedingungen erreichbar sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Induktor und der zweite Induktor relativ zueinander feststehend oder relativ zueinander bewegbar sind. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die beiden Induktoren eine feste relative Stellung zueinander besitzen, was eine einfache Steuerung bzw. Regelung ermöglicht. Beispielsweise kann einer der Induktoren kleiner sein als der andere Induktor und fest innerhalb des anderen Induktors angeordnet sein. Alternativ können die Induktoren relativ zueinander bewegt werden, was in bestimmten Fällen eine präzisere Temperierung aufgrund der flexibleren Überlagerbarkeit der einzelnen Induktionsfelder ermöglichen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Induktor und der zweite Induktor gemeinsam und/oder unabhängig voneinander relativ zum Baufeld bewegbar sind. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die zwei Induktoren als Verbund über das Baufeld bewegt werden können, so dass die Bewegung eines der Induktoren zwangsweise die Bewegung des anderen Induktors bewirkt. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass beide Induktoren jeweils mittelbar oder unmittelbar an einem gemeinsamen Tragarm angeordnet sind. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass jeder Induktor mittelbar oder unmittelbar an einem separaten Tragarm angeordnet ist, wodurch beide Induktoren unabhängig voneinander über das Baufeld bewegt werden können.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem der zweite Induktor innerhalb des ersten Induktors anordenbar und/oder angeordnet ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass der zweite Induktor zumindest während bestimmter Prozesszustände oder permanent innerhalb des ersten Induktors angeordnet ist bzw. wird, wodurch eine entsprechend intensive Temperierung realisierbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Induktor und der zweite Induktor mit einem gemeinsamen Schwingkreis koppelbar oder gekoppelt sind oder dass der erste Induktor mit einem ersten Schwingkreis und der zweite Induktor mit einem zweiten Schwingkreis koppelbar oder gekoppelt ist, wobei der erste und der zweite Schwingkreis unabhängig voneinander betreibbar sind. Ein gemeinsamer Schwingkreis ermöglicht eine vergleichsweise einfache und stabile Steuerung bzw. Regelung der Temperierung. Mit Hilfe von zwei getrennten Schwingkreisen können generell höhere Leistungen eingekoppelt sowie multifrequente und damit einfacher an unterschiedliche Geometrien anpassbare Induktionsfelder erzeugt werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher ein Betriebsmodus des ersten Induktors und/oder des zweiten Induktors und/oder eine relative Position des ersten Induktors und/oder des zweiten Induktors gegenüber dem Baufeld in Abhängigkeit eines Betriebszustands der Schichtbauvorrichtung steuerbar und/oder regelbar ist. Hierdurch können verschiedene Komponenten einer Schichtbauvorrichtung koordiniert betrieben werden, wodurch entsprechend hohe Bauteilqualitäten realisierbar sind.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend eine Prozesskammer, innerhalb welcher zumindest ein Baufeld zum schichtweisen Aufbauen des Bauteilbereichs aus einem Werkstoff und wenigstens eine induktive Heizeinrichtung, mittels welcher ein Volumen des Werkstoffs im Bereich des Baufelds direkt und/oder indirekt temperierbar ist, angeordnet sind. Erfindungsgemäß wird eine konstantere Temperierbarkeit und damit eine prozesssicherere additive Herstellung von Bauteilschichten eines Bauteils mit höherer Qualität dadurch ermöglicht, dass die Heizeinrichtung gemäß dem ersten und/oder zweiten und/oder dritten Erfindungsaspekt ausgebildet ist. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und ihre Vorteile sind den Beschreibungen der betreffenden Erfindungsaspekte zu entnehmen.
Die Schichtbauvorrichtung kann in einer Ausführung der Erfindung als selektive Lasersinter- und/oder Laserschmelzvorrichtung ausgebildet sein und einen oder mehrere Laser als Strahlungsquelle(n) aufweisen. Zur Erzeugung eines Laserstrahls als Energiestrahl kann beispielsweise ein CO₂-Laser, Nd:YAG-Laser, Yb-Faserlaser, Diodenlaser oder dergleichen vorgesehen sein. Ebenso ist es möglich, dass die Schichtbauvorrichtung als Elektronenstrahlsinter- und/oder - schmelzvorrichtung ausgebildet ist, das heißt eine oder mehrere Elektronenquellen als Strahlungsquelle(n) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls als Energiestrahl aufweist. Auch beliebige Kombinationen sind denkbar. In Abhängigkeit des verwendeten Werkstoffs und der Bestrahlungsstrategie kann es beim Bestrahlen zu einem Aufschmelzen und/oder zu einem Versintern des Werkstoffs kommen, so dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „Verschweißen“ auch „Versintern“ und umgekehrt verstanden werden kann. Vorzugsweise werden der oder die Energiestrahlen über einen oder mehrere energiestrahltransparente Bereiche einer Prozesskammerwandung und/oder Prozesskammerdecke (z. B. Einkoppelfenster) in die Prozesskammer eingekoppelt bzw. eingelassen und durchqueren den Hohlraum der Prozesskammer auf ihrem Weg hin zum Baufeld, wo er bzw. sie gezielt lokal die selektive Verfestigung des Werkstoffs bewirken.
Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Schichtbauvorrichtung gemäß dem vierten Erfindungsaspekt, bei welchem vor, während und/oder nach einer additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren wenigstens ein Volumen eines Werkstoffs im Bereich des Baufelds der Schichtbauvorrichtung direkt und/oder indirekt temperiert wird, wobei zum Temperieren des wenigstens einen Volumens des Werkstoffs eine Heizeinrichtung gemäß dem ersten und/oder zweiten und/oder dritten Erfindungsaspekt verwendet wird. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und ihre Vorteile sind den Beschreibungen der betreffenden Erfindungsaspekte zu entnehmen.
Ein sechster Aspekt der Erfindung betrifft ein Speichermedium mit einem Programmcode, der dazu ausgebildet ist, bei Ausführen durch eine Recheneinrichtung eine Schichtbauvorrichtung gemäß dem vierten Erfindungsaspekt so zu steuern, dass diese ein Verfahren gemäß dem fünften Erfindungsaspekt durchführt. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und ihre Vorteile sind den Beschreibungen der betreffenden Erfindungsaspekte zu entnehmen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:

1 eine schematische Aufsicht eines Baufelds und einer Heizeinrichtung einer erfindungsgemäßen Schichtbauvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Aufsicht des Baufelds und der Heizeinrichtung der erfindungsgemäßen Schichtbauvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
3 eine schematische Aufsicht des Baufelds und der Heizeinrichtung der erfindungsgemäßen Schichtbauvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

1 zeigt eine schematische Aufsicht eines Baufelds 10 und einer Heizeinrichtung 12 einer erfindungsgemäßen Schichtbauvorrichtung 14 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Auf dem Baufeld 10, das sich in einer Prozesskammer 11 befindet, ist eine Schicht eines pulverförmigen Werkstoffs W aufgetragen, der mit Hilfe eines Energiestrahls, beispielsweise eines Laserstrahls, lokal zu einer Bauteilschicht 16 verschmolzen wird. Um eine möglichst geometrieunabhängige Vorwärmung und damit gleich bleibende lokale thermische Prozessbedingungen sicherzustellen, weist die Heizeinrichtung 12 einen ersten und einen zweiten Induktor 18a, 18b auf, die vorliegend als Induktionsspulen ausgebildet sind. Der erste Induktor 18a besitzt eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt und ist größer als der zweite, ebenfalls im Wesentlichen rechteckige oder quadratische Induktor 18b, so dass der zweite Induktor 18b vollständig innerhalb des ersten Induktors 18a angeordnet werden kann. Eine Orthogonalprojektion des Induktors 18b auf das Baufeld 10 liegt damit vollständig innerhalb der Orthogonalprojektion des Induktors 18a auf das Baufeld 10. Die Induktoren 18a, 18b sind vorliegend ausschließlich abhängig voneinander bewegbar, da der erste Induktor 18a in x-Richtung translatorisch entlang des Doppelpfeils Ia über das Baufeld 10 bewegbar ist, wobei der zweite Induktor 18b zwangsweise im Verbund mitgeführt wird. Der zweite Induktor 18b ist im vorliegenden Beispiel gemäß dem Doppelpfeil Ib in y-Richtung innerhalb des ersten Induktors 18a bewegbar, so dass der erste und der zweite Induktor 18a, 18b über jeden Punkt des Baufelds 10 bewegt werden können. Alternativ kann der zweite Induktor 18b feststehend gegenüber dem ersten Induktor 18a sein. Zwei Induktoren 18a, 18b bieten den Vorteil, dass sie über zwei unabhängige Schwingkreise (nicht gezeigt) betrieben werden können. Dies erlaubt das Einkoppeln einer höheren Leistung in den Werkstoff W sowie eine multifrequente, an unterschiedliche Geometrien anpassbare Erwärmung der Bauteilschicht 16.
2 zeigt schematische Aufsicht des Baufelds 10 und der Heizeinrichtung 12 der erfindungsgemäßen Schichtbauvorrichtung 14 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel kann der Verbund aus erstem und zweitem Induktor 18a, 18b nicht nur translatorisch in x-, y-Richtung, sondern auch rotatorisch relativ zum Baufeld 10 bewegt werden. Die rotatorische Bewegung erfolgt vorzugsweise um einen Drehpunkt, der im Schnittpunkt der Diagonalen des großen Induktors 18a liegt. Es können aber auch anders gelagerte oder mehrere Drehpunkte vorgesehen sein. Indem die Induktoren 18a, 18b bzw. Spulenanordnung gedreht werden kann, kann unabhängig von der Bauteilgeometrie oder der Rotation eines Belichtungsstreifens eine verbesserte Vor- und Nachwärmung erreicht werden.
3 zeigt eine schematische Aufsicht des Baufelds 10 und der Heizeinrichtung 12 der erfindungsgemäßen Schichtbauvorrichtung 14 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel sind beide Induktoren 18a, 18b kreisringförmig ausgebildet, wobei der kreisringförmige Bereich des ersten Induktors 18a einen größeren Radius als der kreisringförmige Bereich des zweiten Induktors 18b besitzt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der erste Induktor 18a und/oder der zweite Induktor 18b lediglich einen kreisringsegmentförmigen Bereich aufweist, bei welchem der Mittelpunktswinkel dementsprechend weniger als 360° beträgt. Auch im vorliegenden Fall ist der kleinere zweite Induktor 18b innerhalb des größeren ersten Induktors 18a angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der zweite Induktor 18b nicht relativ zum ersten Induktor 18a bewegbar, so dass beide Induktoren 18a, 18b als Verbund über das Baufeld 10 bewegt werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der zweite Induktor 18b relativ zum ersten Induktor 18a bewegbar ist und gegebenenfalls auch außerhalb des ersten Induktors 18a angeordnet werden kann. Im Fall kreisförmiger bzw. runder Induktoren 18a, 18b ist eine translatorische Bewegbarkeit ausreichend, eine rotatorische Drehbarkeit ist in der Regel nicht erforderlich.
Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen - beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Systemfehlern, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen - als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.
Bezugszeichenliste

10: Baufeld
11: Prozesskammer
12: Heizeinrichtung
14: Schichtbauvorrichtung
16: Bauteilschicht
18a: Induktor
18b: Induktor
W: Werkstoff
Ia, Ib: Doppelpfeil

Claims

Heizeinrichtung (12) für eine Schichtbauvorrichtung (14) zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend wenigstens einen ersten Induktor (18a) und einen zweiten Induktor (18b), mittels welchen ein Volumen eines Werkstoffs (W) im Bereich eines Baufelds (10) zum schichtweisen Aufbauen des Bauteilbereichs direkt und/oder indirekt temperierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Induktor (18a) und der zweite Induktor (18b) jeweils einen kreisringsegmentförmigen Bereich aufweisen, wobei der kreisringsegmentförmige Bereich des ersten Induktors (18a) einen größeren Radius als der kreisringsegmentförmige Bereich des zweiten Induktors (18b) besitzt.
Heizeinrichtung (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittelpunktswinkel des kreisringsegmentförmigen Bereichs des ersten Induktors (18a) und/oder des zweiten Induktors (18b) mindestens 45° beträgt.
Heizeinrichtung (12) für eine Schichtbauvorrichtung (14) zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend wenigstens einen ersten Induktor (18a) und einen zweiten Induktor (18b), mittels welchen ein Volumen eines Werkstoffs (W) im Bereich eines Baufelds (10) zum schichtweisen Aufbauen des Bauteilbereichs direkt und/oder indirekt temperierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Orthogonalprojektion des zweiten Induktors (18b) auf das Baufeld (10) innerhalb einer Orthogonalprojektion des ersten Induktors (18a) auf das Baufeld (10) angeordnet ist und dass der zweite Induktor (18b) gemeinsam mit dem ersten Induktor (18a) mitzubewegen ist.
Heizeinrichtung (10) für eine Schichtbauvorrichtung (14) zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend wenigstens einen ersten Induktor (18a) und einen zweiten Induktor (18b), mittels welchen ein Volumen eines Werkstoffs (W) im Bereich eines Baufelds (10) zum schichtweisen Aufbauen des Bauteilbereichs direkt und/oder indirekt temperierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Induktor (18a) und/oder der zweite Induktor (18b) rotatorisch gegenüber dem Baufeld (10) bewegbar sind.
Heizeinrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Induktor (18a) und der zweite Induktor (18b) relativ zueinander feststehend oder relativ zueinander bewegbar sind.
Heizeinrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Induktor (18a) und der zweite Induktor (18b) gemeinsam und/oder unabhängig voneinander relativ zum Baufeld (10) bewegbar sind.
Heizeinrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dass der zweite Induktor (18b) innerhalb des ersten Induktors (18a) anordenbar und/oder angeordnet ist.
Heizeinrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Induktor (18a) und der zweite Induktor (18b) mit einem gemeinsamen Schwingkreis koppelbar oder gekoppelt sind oder dass der erste Induktor (18a) mit einem ersten Schwingkreis und der zweite Induktor (18b) mit einem zweiten Schwingkreis koppelbar oder gekoppelt ist, wobei der erste und der zweite Schwingkreis (18a, 18b) unabhängig voneinander betreibbar sind.
Heizeinrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher ein Betriebsmodus des ersten Induktors (18a) und/oder des zweiten Induktors (18b) und/oder eine relative Position des ersten Induktors (18a) und/oder des zweiten Induktors (18b) gegenüber dem Baufeld (10) in Abhängigkeit eines Betriebszustands der Schichtbauvorrichtung (14) steuerbar und/oder regelbar ist.
Schichtbauvorrichtung (14) zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend eine Prozesskammer (11), innerhalb welcher zumindest: - ein Baufeld (10) zum schichtweisen Aufbauen des Bauteilbereichs aus einem Werkstoff (W); und - wenigstens eine induktive Heizeinrichtung (12), mittels welcher ein Volumen des Werkstoffs (W) im Bereich des Baufelds (10) direkt und/oder indirekt temperierbar ist, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
Schichtbauvorrichtung (14) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese als selektive Lasersinter- und/oder Laserschmelzvorrichtung ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Schichtbauvorrichtung (14) nach Anspruch 10 oder 11, bei welchem vor, während und/oder nach einer additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren wenigstens ein Volumen eines Werkstoffs (W) im Bereich des Baufelds (10) der Schichtbauvorrichtung (14) direkt und/oder indirekt temperiert wird, wobei zum Temperieren des wenigstens einen Volumens des Werkstoffs (W) eine Heizeinrichtung (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet wird.
Speichermedium mit einem Programmcode, der dazu ausgebildet ist, bei Ausführen durch eine Recheneinrichtung eine Schichtbauvorrichtung (14) gemäß Anspruch 10 oder 11 so zu steuern, dass diese ein Verfahren nach Anspruch 12 durchführt.