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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Herstellung von Bauteilen. Ferner betrifft die Erfindung Bauteile, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. zur Herstellung der Bauteile.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2016 225 616 A1 der Anmelderin ist ein Verfahren zur generativen Herstellung von Bauteilen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren werden die Bauteile durch schichtweisen Aufbau und lagenweises Aufschmelzen von Pulvermaterial der jeweils obersten Schicht eines Pulverbetts mit einem energiereichen Strahl, insbesondere einem Laserstrahl, und Erstarren der zuvor aufgeschmolzenen Pulverschmelze hergestellt. Mittels eines derartigen Verfahrens lassen sich Bauteile erzeugen, die über die gesamten Schichten betrachtet eine homogene Materialzusammensetzung und somit homogene Materialeigenschaften aufweisen.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2015 218 753 A1 ein weiteres, die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweisendes Verfahren bekannt, bei dem das Bauteil bzw. wenigstens eine aufgeschmolzene und erstarrte Schicht des Bauteils aus einem von dem restlichen Material unterschiedlichen Material gebildet ist. Ein derartig hergestelltes Bauteil stellt somit ein Verbundbauteil dar, sodass ggf. unterschiedliche Funktionsbereiche ausgebildet werden können, die unterschiedliche Materialien bzw. Materialeigenschaften erfordern.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur generativen Herstellung von Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es die Herstellung von Verbundbauteilen ermöglicht, deren Eigenschaften sich auch bei Verwendung desselben pulverförmigen Grundmaterials für das Bauteil in einfacher Art und Weise optimal dem jeweiligen Anwendungszweck anpassen lassen.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, im Bereich wenigstens einer Schicht des Bauteils ein für das Pulvermaterial zumindest teilweise durchlässiges, insbesondere gitter- oder netzartiges Hilfselement anzuordnen, sodass die im Bereich dieser Schicht anschließend aufgeschmolzene Pulverschmelze sich mit der unterhalb dieser Schicht angeordneten Pulverschmelze verbindet, und wobei für das Hilfselement ein von dem Pulvermaterial unterschiedliches Material verwendet wird. Eine derartige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht es, durch eine Variation der Geometrie bzw. Dimensionierung des Hilfselements, oder aber durch die Wahl des Materials für das Hilfselement unterschiedliche Anforderungen erfüllen zu können. Diese unterschiedlichen Anforderungen können beispielsweise in einer lokal erhöhten Festigkeit des Bauteils oder ähnlichem bestehen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur generativen Herstellung von Bauteilen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Will man unter Verwendung ein und desselben Hilfselements auf einfache Art und Weise Bereiche an dem Bauteil ausbilden, bei denen sich das Hilfselement über einen größeren Bereich der Höhe des Bauteils erstreckt, so kann es vorgesehen sein, dass mehrere Schichten mit jeweils einem Hilfselement unmittelbar übereinander angeordnet werden.
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Um eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglichst einfach ausbilden zu können, kann es vorgesehen sein, dass das Hilfselement in einer Größe bereitgestellt wird, die im Wesentlichen der maximalen Querschnittsfläche des Bereichs des Pulverbetts entspricht, in dem Bauteile ausgebildet werden. Es können somit vorgefertigte Hilfselemente verwendet werden, die unabhängig von der Größe bzw. dem Querschnitt des Bauteils bzw. der Bauteile im Pulverbett sind. Bei diesem Verfahren ist es somit lediglich erforderlich, die vorbereiteten bzw. hinsichtlich der Größe standardisierten Hilfselemente im Bereich des Pulverbetts anzuordnen, derart, dass beispielsweise große Bereiche oder das gesamte Pulverbett von dem Hilfselement überdeckt ist.
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Bevorzugt ist es, das Aufschmelzen des Pulvermaterials mittels wenigstens eines Laserstrahls durchzuführen. Dadurch lässt sich das Pulver sehr einfach lokal erhitzen bzw. aufschmelzen, wobei gleichzeitig mittels des Laserstrahls sich sehr genaue Konturen und somit auch geringe Bauteiltoleranzen des Bauteils erzielen lassen. Alternativ kann jedoch auch beispielsweise ein Elektronenstrahl verwendet werden.
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Zur Erhöhung der Festigkeit der Bauteile kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass nach dem Ausbilden der Bauteile diese in einer senkrecht zur Ebene des Hilfselements verlaufenden Richtung kraftbeaufschlagt werden, insbesondere durch heißisostatisches Pressen. Eine derartige Kraftbeaufschlagung bewirkt insbesondere, dass eine verbesserte Verbindung im Bereich der Ober- bzw. Unterseite des Hilfselements zu dem restlichen Material des Bauteils erzielt wird.
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Die Erfindung umfasst auch ein Bauteil, das nach einem soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Das Bauteil zeichnet sich dadurch aus, dass das Bauteil wenigstens eine Schicht mit einem Hilfselement aufweist, in dem erstarrte Pulverschmelze angeordnet ist, die mit dem Material der unter dem Hilfselement angeordneten Schicht verbunden ist.
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Obwohl grundsätzlich für die Ausbildung des Hilfselements unterschiedliche Materialien infrage kommen, ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Material des Hilfselements aus Hartmetall, Keramik, Kunststofffasern oder aber Metall auf Stahl, Aluminium, Nickel, Kobalt, Kupfer oder Titan basierend, besteht. Dadurch lassen sich gegenüber dem Grundmaterial des verwendeten Pulvers insbesondere lokal erhöhte Festigkeitswerte des Bauteils erzielen.
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Weiterhin ist es besonders bevorzugt vorgesehen, wenn das Pulvermaterial aus legiertem Metall, basierend auf Eisen, Titan, Aluminium, Kobalt, Kupfer, Chrom oder Nickel basierend, besteht.
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Zuletzt umfasst die Erfindung auch eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. zur Herstellung eines soweit oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Bauteils. Die Vorrichtung zeichnet sich durch eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines insbesondere gitter- oder netzartigen Hilfselements aus, wobei die Zuführeinrichtung dazu ausgebildet ist, das Hilfselement im Bereich der herzustellenden Bauteile auf die oberste Schicht eines Pulverbetts zu positionieren bzw. anzuordnen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 bis
- 3 zeigen eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur generativen Herstellung von Bauteilen während verschiedener Fertigungsschritte in vereinfachten Längsschnitten,
- 4 ein mittels der Vorrichtung gemäß der 1 bis 3 hergestelltes Bauteil unmittelbar nach der Herstellung und nach einer Endbearbeitung in einem Längsschnitt und
- 5 eine gegenüber den 1 bis 3 modifizierte Vorrichtung zur Handhabung von vorgefertigten, eine definierte Größe aufweisender Hilfselemente, ebenfalls in einem vereinfachten Längsschnitt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche bzw. gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In den 1 bis 3 ist eine erste Vorrichtung 10 zur generativen Herstellung von Bauteilen 1 stark vereinfacht dargestellt. Die Herstellung der Bauteile 1 erfolgt durch schichtweisen Aufbau und lagenweises Aufschmelzen von Pulvermaterial 2 der jeweils obersten Schicht eines Pulverbetts 3 mittels eines energiereichen Strahls 5, im dargestellten Ausführungsbeispiel mittels eines Laserstrahls. Hierzu findet eine Laserstrahleinrichtung 12 Verwendung, deren an sich aus dem Stand der Technik bekannte Optik dazu ausgebildet ist, den Strahl 5 in der durch die beiden Achsen X und Y bezeichneten, senkrecht zur Zeichenebene der 1 bis 3 verlaufenden Ebene zu bewegen.
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Das Bauteil 1 zeichnet sich dadurch aus, dass es einerseits aus dem Pulvermaterial 2, und andererseits aus wenigstens einer Schicht unter zusätzlicher Verwendung eines insbesondere gitter- oder netzartigen Hilfselements 8 besteht. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, mehrere, insbesondere jeweils dieselbe Dicke bzw. Höhe h aufweisende Hilfselemente 8 unmittelbar übereinander anzuordnen.
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Bei dem in der 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Bauteil 1 einen Querschnitt auf, der in Art eines auf den Kopf gedrehten „A“ ausgebildet ist. Weiterhin sind zwei Schichten mit jeweils einem Hilfselement 8 vorgesehen.
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Die Vorrichtung 10 umfasst zur Herstellung der Bauteile 1 ein Maschinenbett 15, und im Bereich des Pulverbetts 3 einen in Richtung des Doppelpfeils 16 hubbeweglich angeordneten Boden 18. Zum Einbringen von Pulvermaterial 2 in das Pulverbett 3 ist weiterhin beispielhaft ein aus dem Stand der Technik an sich bekanntes, horizontal bewegliches, walzen- bzw. leistenförmiges Rakelsystem 20 vorgesehen, das dazu ausgebildet ist, nach dem Absenken des Bodens 18 um eine in das Pulverbett 3 einzubringende Schicht von Pulvermaterial 2 das Pulvermaterial 2 gleichmäßig auf das Pulverbett 3 aufzubringen bzw. zu verteilen.
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Das Pulvermaterial 2 besteht insbesondere aus legiertem Metall, basierend auf Eisen, Titan, Aluminium, Kobalt/Chrom oder Nickel. Das Hilfselement 8 besteht demgegenüber vorzugsweise aus Hartmetall, Keramik, Kunststofffasern oder Metall auf Stahl, Aluminium, Nickel oder Titan basierend. Es kann in Art eines dreidimensionalen Gitternetzes mit vorzugsweise regelmäßiger Struktur ausgebildet sein. Es kann beispielsweise als ein- oder mehrlagiges Gitter mit beliebiger Form (hexagonal, rechteckig usw.) ausgebildet sein. Der Durchmesser des Drahtes, der für das Hilfselement 8 verwendet wird, sollte geringer sein als die Schichtdicke im additiven Prozess, die üblicherweise zwischen 20µm und 150µm beträgt. Auch sollten die Poren bzw. Aussparungen im Hilfselement 8 geringfügig größer sein als die Größe der Partikel des verwendeten Pulvermaterials 2, die üblicherweise zwischen 10µm und 50µm beträgt. Dadurch wird die Füllung der Poren/Aussparungen im Hilfselement 8 gewährleistet.
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Die soweit beschriebene Vorrichtung 10 ist an sich Stand der Technik und kann ggf. in unterschiedlichster Art und Weise von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichen. Wesentlich ist, dass zur Handhabung der Ausbildung einer Schicht mit einem Hilfselement 8 bei dem in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel eine im Einzelnen nicht dargestellte Fördereinrichtung 22 vorgesehen ist, die zum Einbringen des Hilfselements 8 dieses in den Bereich des Pulverbetts 3 fördert. Weiterhin ist eine Trenneinrichtung 24 vorgesehen, die das in Form einer endlosen Rolle 9 oder ähnlichem bevorratete Hilfselement 8 beispielhaft am Übergang vom Pulverbett 3 zum Maschinenbett 15 abtrennt.
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Das Herstellen eines Bauteils 1 mittels der Vorrichtung 10 wird anhand der 1 bis 3 nachfolgend kurz erläutert: In der 1 ist der Zustand dargestellt, bei dem das Bauteil 1 bereits aus einer Vielzahl von Schichten aus Pulvermaterial 2 gebildet wurde. Dabei wurde nach dem jeweiligen Einbringen einer obersten Schicht von Pulvermaterial 2 mittels des Rakelsystems 20 das Pulvermaterial 2 im Bereich des auszubildenden Bauteils 1 mittels des Strahls 5 lokal aufgeschmolzen. Nach Erstarren des zuvor aufgeschmolzenen Pulvermaterials 2 bzw. der Pulverschmelze bildet das Material der Pulverschmelze die entsprechende Schicht des Bauteils 1 aus.
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In der 2 ist der Zustand dargestellt, bei der mittels der Fördereinrichtung 22 eine Schicht mit einem Hilfselement 8 über die gesamte Oberfläche des Pulverbetts 3 im Maschinenbett 15 eingebracht wurde und die Trenneinrichtung 24 gerade diese Schicht bzw. das Hilfselement 8 randseitig abtrennt.
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Anschließend wird entsprechend der 3 mittels des Rakelsystems 20 und nach Absenken des Bodens 18 um die Höhe h des Hilfselements 8 weiteres Pulvermaterial 2 in das Pulverbett 3 im Bereich des Hilfselements 8 eingebracht. Das eingebrachte und verteilte Pulvermaterial 2 durchdringt dabei die Poren bzw. die Struktur des Hilfselements 8 derart, dass zumindest ein Teil des Pulvermaterials 2 bis in den Bereich der zuletzt aufgeschmolzenen und anschließend erstarrten, darunterliegenden Schicht des Bauteils 1 gelangt. Anschließend (nicht dargestellt), wird das mit dem Pulvermaterial 2 durchsetzte Hilfselement 8 mittels des Strahls 5 in den das Bauteil 1 auszubildenden Bereichen aufgeschmolzen. Dadurch kommt es auch zu einer Vernetzung bzw. Anbindung des in dem Hilfselement 8 befindlichen Pulvermaterials 2 mit dem unter dem Hilfselement 8 erstarrten Material. Anschließend können weitere Schichten, entweder allein bestehend aus dem Pulvermaterial 2, und/oder aus mit Pulvermaterial 2 versehenen Hilfselementen 8 aufgebracht werden, um das Bauteil 1 mit der gewünschten Form bzw. mit dem gewünschten Schichtaufbau herzustellen.
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In dem linken Teil der 4 ist dargestellt, wie das Bauteil 1 nach der Entnahme aus dem Pulverbett 3 zunächst noch mit den den Querschnitt des Bauteils 1 überragenden Teilen der Hilfselemente 8 versehen ist. In der rechten Darstellung der 4 ist demgegenüber das Bauteil 1 nach einer insbesondere mechanischen Endbearbeitung des Bauteils 1 dargestellt, bei der die über den Querschnitt des Bauteils 1 herausragenden Bereiche des Hilfselements 8 abgetrennt bzw. entfernt wurden.
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Ergänzend wird erwähnt, dass es vorgesehen sein kann, zur Verbesserung der Anbindung des Hilfselements 8 an das Pulvermaterial 2 der darunter liegenden bzw. darüber liegenden Schicht von Pulvermaterial 2 das Bauteil 1 in einer senkrecht zur Ebene der Hilfselemente 8 verlaufenden Richtung, vorzugsweise verbunden mit einer thermischen Wärmebehandlung, zu verpressen (heißisostatisches Pressen).
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Weiterhin wird erwähnt, dass das soweit beschriebene Bauteil 1 ausschließlich aus ein und demselben Pulvermaterial 2 bzw. aus ein und demselben Material des Hilfselements 8 besteht. Selbstverständlich sollen jedoch auch Ausführungsformen von dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. Bauteil 1 umfasst sein, bei denen entweder im Bereich eines Hilfselements 8 ein von dem ansonsten verwendeten Pulvermaterial 2 anderes Pulvermaterial verwendet wird, oder aber, dass beispielsweise unterschiedliche Formen bzw. Strukturen und/oder Materialien aufweisende Hilfselemente 8 verwendet werden.
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In der 5 ist eine gegenüber den 1 bis 3 modifizierte Vorrichtung 10a dargestellt. Diese zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass anstelle eines in Form einer Rolle 9 bevorrateten Materials für das Hilfselement 8 mehrere, bevorratete und vorab hergestellte Hilfselemente 8 verwendet werden, die mittels einer Fördereinrichtung 22a einzeln jeweils in den Bereich des Pulverbetts 3 gefördert bzw. eingebracht werden können. In der 5 ist darüber hinaus erkennbar, dass diese Hilfselemente 8 eine Größe aufweisen, die geringer ist als die Größe des Pulverbettes 3. Insbesondere ist die Größe dieser Hilfselemente 8 dem maximalen Querschnitt der Bauteile 1 in dem Pulverbett 3 angepasst.
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Das soweit beschriebene Verfahren zur Herstellung der Bauteile 1 bzw. die Vorrichtung 10, 10a kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016225616 A1 [0002]
- DE 102015218753 A1 [0003]
