DE102019206451A1 - Process for 3D printing in a protective gas atmosphere and 3D printing device - Google Patents
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Abstract
Ein 3D-Druckverfahren weist die Schritte auf: Bereitstellen (M11) eines Schmelzbestandteils, welcher aus der Gruppe von metallischen Materialien, metallischen Materialkombinationen und metallischen Legierungen ausgewählt wird, in einer Pulvermischung (P); Erzeugen (M12) einer Schutzgasatmosphäre in einer 3D-Druckvorrichtung (10), wobei das Schutzgas der Schutzgasatmosphäre einen wobei das Schutzgas der Schutzgasatmosphäre mindestens einen Anteil aufweist, welcher aus der Gruppe von Edelgasen ausgewählt und dabei bevorzugt Neon ist und/oder mindestens einen Inertgasanteil aufweist; und Laserschmelzen (M13) der Pulvermischung (P) in einem selektiven Laserschmelzverfahren, in einem Arbeitsbereich der 3D-Druckvorrichtung (10), wobei die Pulvermischung (P) einen Schmelzbestandteil aufweist, der aus der dritten Hauptgruppe des Periodensystems ausgewählt ist.A 3D printing method has the following steps: providing (M11) a melt component, which is selected from the group of metallic materials, metallic material combinations and metallic alloys, in a powder mixture (P); Generating (M12) a protective gas atmosphere in a 3D printing device (10), the protective gas of the protective gas atmosphere having a protective gas of the protective gas atmosphere having at least one portion selected from the group of noble gases and preferably neon and / or having at least one inert gas portion ; and laser melting (M13) the powder mixture (P) in a selective laser melting process, in a work area of the 3D printing device (10), the powder mixture (P) having a melting component selected from the third main group of the periodic table.
Description
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft eine 3D-Druckvorrichtung und ein Verfahren zum 3D-Drucken, insbesondere zur Herstellung von Bauteilen mit verbesserten Materialeigenschaften im Luft- und Raumfahrtbereich.The invention relates to a 3D printing device and a method for 3D printing, in particular for the production of components with improved material properties in the aerospace sector.
TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND
Stereolithographie („stereolithography“, SLA), selektives Lasersintern („selective laser sintering“, SLS) und selektives Laserschmelzen („selective laser melting“, SLM) gehören zur Gruppe der generativen Fertigungsverfahren und werden landläufig auch als „3D-Druckverfahren“ bezeichnet. Dabei werden auf der Basis von geometrischen Modellen Datensätze erzeugt, die in einem speziellen generativen Fertigungssystem zur Herstellung von Objekten vordefinierter Form aus formlosen Materialien wie Flüssigkeiten und Pulvern mit formneutralen Halbzeugen wie etwa band-, draht- oder bahnförmigem Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse genutzt werden. 3D-Druckverfahren verwenden additive Prozesse, bei denen das Ausgangsmaterial schichtweise in vorgegebenen Formen sequentiell aufgebaut wird.Stereolithography ("stereolithography", SLA), selective laser sintering ("selective laser sintering", SLS) and selective laser melting ("selective laser melting", SLM) belong to the group of generative manufacturing processes and are commonly referred to as "3D printing processes". On the basis of geometric models, data sets are generated that are used in a special generative manufacturing system for the production of objects of a predefined shape from shapeless materials such as liquids and powders with shape-neutral semi-finished products such as strip, wire or web-shaped material using chemical and / or physical processes be used. 3D printing processes use additive processes in which the starting material is built up sequentially in predetermined shapes.
3D-Drucken wird dabei im Falle von selektivem Laserschmelzen (Selective Laser Melting (SLM)) auch mit dem Begriff Laser-Pulverbett-Schmelzen (LPB-S) benannt, welches als eine sogenannte additive Bauteil (& Werkstoff) Erzeugungs-/Fertigungsmethode“ gerade auch für metallische Werkstoffe (Pulver) genutzt werden kann, die bei bestimmten Werkstoffen als Technologie mit einigem Potential, auch in wirtschaftlicher Hinsicht, angesehen wird.In the case of selective laser melting (SLM), 3D printing is also referred to by the term laser powder bed melting (LPB-S), which is a so-called additive component (& material) production / manufacturing method can also be used for metallic materials (powder), which for certain materials is viewed as a technology with some potential, also from an economic point of view.
3D-Druckverfahren sind derzeit weit verbreitet in der Herstellung von Prototypen oder in der schnellen Produktentwicklung („Rapid Product Development“, RPD), in der eine ressourceneffiziente Prozesskette zur bedarfsgerechten Klein- und Großserienfertigung individualisierter Bauteile eingesetzt wird. 3D-Druckverfahren finden vielfältige Anwendung im Bauingenieurwesen, in der Architektur, in der Dentaltechnik, im Werkzeugbau, in der Implantologie, im Industriedesign, in der Automobilindustrie sowie auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie.3D printing processes are currently widespread in the production of prototypes or in rapid product development (RPD), in which a resource-efficient process chain is used for the needs-based small and large series production of individualized components. 3D printing processes are widely used in civil engineering, architecture, dental technology, tool making, implantology, industrial design, the automotive industry and the aerospace industry.
3D-Drucker verwenden ein rechnergestütztes Konstruktionssystem („computeraided design“, CAD) einerseits und eine Strahlanlage andererseits, welche den generativen Schichtaufbau des zu druckenden Objekts auf der Basis des von dem CAD-System bereitgestellten digitalen Fertigungsmodells durchführt. Ein dreidimensionales CAD-Modell des zu druckenden Objekts wird dabei einer zur Generierung der für die Strahlanlage notwendigen Steuerdaten durchgeführten Aufbereitungsprozedur unterzogen, dem sogenannten „Slicing“. Dabei wird das CAD-Modell in Schichten vorgegebenen gleichmäßiger Dicke mit Schichtnormalen entlang der Aufbaurichtung der Strahlanlage digital zerlegt, welche dann die Basis für die Steuerung des Energiestrahls an der Ausgangsmaterialoberfläche in der Strahlanlage bilden. Ein herkömmlicher Schichtzerlegungsalgorithmus bildet dabei das CAD-Modell auf ein parkettiertes Oberflächenmodell ab, wodurch eine Menge geschlossener Kurven bzw. Oberflächenpolygone entstehen, die die sogenannten „Slices“ zwischen zwei senkrecht durch Aufbaurichtung der Strahlanlage aufeinanderfolgenden Modellschnitte definieren.3D printers use a computer-aided design system ("computer-aided design", CAD) on the one hand and a blasting system on the other hand, which carries out the generative layer structure of the object to be printed on the basis of the digital production model provided by the CAD system. A three-dimensional CAD model of the object to be printed is subjected to a preparation procedure, known as “slicing”, to generate the control data required for the blasting system. The CAD model is digitally broken down into layers of predetermined uniform thickness with layer normals along the direction of construction of the blasting system, which then form the basis for controlling the energy beam on the starting material surface in the blasting system. A conventional layer decomposition algorithm maps the CAD model onto a tiled surface model, which creates a number of closed curves or surface polygons that define the so-called "slices" between two model sections that follow each other vertically due to the direction in which the blasting system is built.
Solche Oberflächenmodelle können zum Beispiel im für die Stereolithographie gängigen STL-Format gespeichert werden, welches die Oberflächengeometrie des dreidimensionalen zu druckenden Objekts als Rohdaten unstrukturierter Dreieckstexturen beschreibt. Die Strahlanlage liest die Oberflächenmodelldaten ein und setzt sie in ein entsprechendes Ansteuerungsmuster für den Laserstrahl in einem SLA-, SLS- oder SLM-Fertigungsverfahren um.Such surface models can be stored, for example, in the STL format common for stereolithography, which describes the surface geometry of the three-dimensional object to be printed as raw data of unstructured triangular textures. The blasting system reads in the surface model data and converts it into a corresponding control pattern for the laser beam in an SLA, SLS or SLM production process.
Durch 3D-Druckverfahren wie SLA, SLS oder SLM entsteht viel Designfreiraum bei der Fertigung komplexer dreidimensionaler Bauelemente und Komponenten hinsichtlich deren geometrischer Form und Struktur. Ein ähnlicher Freiraum wäre wünschenswert bei der Gestaltung spezifischer Materialeigenschaften der gedruckten Bauelemente und Komponenten.3D printing processes such as SLA, SLS or SLM create a lot of design freedom in the manufacture of complex three-dimensional construction elements and components with regard to their geometric shape and structure. A similar freedom would be desirable in the design of specific material properties of the printed parts and components.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Eine der Aufgaben der Erfindung besteht daher darin, Lösungen für in generativen Fertigungsverfahren hergestellte Objekte mit verbesserten Materialeigenschaften zu finden, insbesondere unter Zuhilfenahme von selektiven Laserschmelzverfahren.One of the objects of the invention is therefore to find solutions for objects produced in generative manufacturing processes with improved material properties, in particular with the aid of selective laser melting processes.
Diese und andere Aufgaben werden durch ein 3D-Druckverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Pulvermischung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.These and other objects are achieved by a 3D printing method having the features of
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst erstes 3D-Druckverfahren daher die Schritte des zur Verfügung stellen eines Schmelzbestandteils, welcher aus der Gruppe von metallischen Materialien, metallischen Materialkombinationen und metallischen Legierungen ausgewählt wird, in einer Pulvermischung; des Erzeugen einer Schutzgasatmosphäre in einer 3D-Druckvorrichtung, wobei das Schutzgas der Schutzgasatmosphäre mindestens einen Anteil aufweist, welcher aus der Gruppe von Edelgasen ausgewählt ist und /oder einen Stickstoffanteil aufweist, und des Laserschmelzens der Pulvermischung in einem selektiven Laserschmelzverfahren, in einem Arbeitsbereich der 3D-Druckvorrichtung, wobei die Pulvermischung einen Schmelzbestandteil aufweist, der aus der dritten Hauptgruppe des Periodensystems ausgewählt ist.According to a first aspect of the invention, the first 3D printing method therefore comprises the steps of providing a melt component, which is selected from the group of metallic materials, metallic material combinations and metallic alloys, in a powder mixture; generating a protective gas atmosphere in a 3D printing device, the protective gas of the protective gas atmosphere having at least one portion selected from the group of noble gases and / or having a nitrogen portion, and the laser melting of the Powder mixture in a selective laser melting process, in a work area of the 3D printing device, the powder mixture having a melt component selected from the third main group of the periodic table.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst eine Pulvermischung zur Verwendung in einem 3D-Druckverfahren einen Schmelzbestandteil, welcher aus der Gruppe metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt ist; und mindestens einen weiteren Bestandteil, welcher aus der Gruppe von Halbmetallen, Erdalkalimetallen und Übergangsmetallen ausgewählt ist.According to a second aspect of the invention, a powder mixture for use in a 3D printing process comprises a melt component which is selected from the group of metallic materials, metallic material combinations and metallic alloys; and at least one further component which is selected from the group of semimetals, alkaline earth metals and transition metals.
Eine wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, einen herkömmlichen 3D-Druckprozess zu modifizieren, indem die Materialeigenschaften des fertigen gedruckten Objekts dem Druckprozess verbessernde bzw. verändernde Reaktanten zuzuführen sowie den Druckprozess selbst unter einer Schutzgasatmosphäre durchzuführen, die die stattfindende Reaktion gut beherrschbar macht. Dies bewirkt eine lokale Änderung der Materialeigenschaften des Ausgangsmaterials des 3D-Druckprozesses während des Druckvorgangs, insbesondere die Verbesserung und Stabilisierung der in dem Druckprozess hergestellten, in der Schmelze gebildeten Legierungen, deren Qualifikation wiederum auch dem Herstellungsprozess selbst zu Gute kommt.An essential idea of the invention is to modify a conventional 3D printing process by adding reactants that improve or change the material properties of the finished printed object to the printing process and to carry out the printing process itself under a protective gas atmosphere that makes the reaction that takes place easily controllable. This causes a local change in the material properties of the starting material of the 3D printing process during the printing process, in particular the improvement and stabilization of the alloys produced in the printing process and formed in the melt, the qualification of which in turn also benefits the production process itself.
Laser Pulverbett-Schmelzen (LPB-S) für Werkstoffe der dritten Hauptgruppe (sog. Erdmetalle), insbesondere Aluminium, wird dabei in der Regel in einer mit Schutzgas gefluteten Prozesskammer ausgeführt, um eine unerwünschte übermäßige Reaktion der Werkstoffschmelze mit der Umgebungsluft verhindern oder diese reduzieren bzw. minimieren zu können. Schutzgase der Wahl können dabei Argon, Stickstoff oder auch Helium bzw. Mischungen derselben sein. Die betreffenden Schutzgase sind hier gleichzeitig auch Prozessgase, denn sie haben einen Einfluss auf die Schmelzbaddynamik und die Materialerzeugung, d.h. insbesondere auf die generierte Materialdichte und die Qualität des Produktes, wobei an diesen Punkten durchaus auch Verbesserungsbedarf vorhanden zu sein scheint.Laser powder bed melting (LPB-S) for materials of the third main group (so-called earth metals), especially aluminum, is usually carried out in a process chamber flooded with protective gas in order to prevent or reduce an undesirable excessive reaction of the material melt with the ambient air or to be able to minimize. Protective gases of choice can be argon, nitrogen or also helium or mixtures thereof. The protective gases in question are also process gases here, because they have an influence on the melt pool dynamics and material production, i.e. in particular on the generated material density and the quality of the product, although there seems to be a need for improvement at these points.
Di erwähnten 3D-Druckprozesse, und unter diesen natürlich auch das Laser-Pulverbett-Schmelzen, sind insbesondere vorteilhaft, da sie die Herstellung von dreidimensionalen Komponenten in urformenden Verfahren ermöglichen, ohne spezielles, auf die äußere Form der Komponenten abgestimmtes Fertigungswerkzeug zu benötigen. Dadurch werden hocheffiziente, Material sparende und Zeit sparende Herstellungsprozesse für Bauteile und Komponenten ermöglicht. Besonders vorteilhaft sind derartige 3D-Druckverfahren für strukturelle Bauteile im Luft- und Raumfahrtbereich, da dort sehr viele verschiedene, auf spezielle Einsatzzwecke abgestimmte Bauteile eingesetzt werden, die in solchen 3D-Druckverfahren mit geringen Kosten, geringer Fertigungsvorlaufzeit und mit geringer Komplexität in den für die Herstellung benötigten Fertigungsanlagen gefertigt werden können.The 3D printing processes mentioned, and of course laser powder bed melting among them, are particularly advantageous because they enable the production of three-dimensional components in primary molding processes without the need for special production tools that are tailored to the external shape of the components. This enables highly efficient, material-saving and time-saving manufacturing processes for parts and components. Such 3D printing processes are particularly advantageous for structural components in the aerospace sector, since there a large number of different components are used that are tailored to special purposes and that are used in such 3D printing processes with low costs, short production lead times and with low complexity in the Production required manufacturing equipment can be manufactured.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous refinements and developments emerge from the further subclaims and from the description with reference to the figures.
Das Laser-Pulverbett-Schmelzen als erfindungsgemäßes 3D-Druckverfahren kann dabei, wie erwähnt, unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden. Dabei kann das Schutzgas der Schutzgasatmosphäre in einer Ausführungsform einen mindestens einen Anteil an Neon aufweisen. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt dabei der Anteil an Neon 50% oder mehr des Schutzgases, besonders bevorzugt kann das Schutzgas auch ausschließlich aus Neon bestehen. Gibt es einen verbleibenden, nicht aus Neon bestehenden Anteil bei dem Schutzgas der Schutzgasatmosphäre, so kann dieser verbleibende Anteil des Schutzgases durch wenigstens ein weiteres Edelgas, wenigstens ein gegenüber Schmelzen von Legierungen mit einem Schmelzbestandteil aus der dritten Hauptgruppe, insbesondere Aluminium, inertes Gas und/oder wenigstens ein mit der Schmelze reagierendes Gas bestehen.The laser powder bed melting as a 3D printing process according to the invention can, as mentioned, be carried out under a protective gas atmosphere. In one embodiment, the protective gas of the protective gas atmosphere can have at least a portion of neon. In preferred embodiments, the proportion of neon is 50% or more of the protective gas, particularly preferably the protective gas can also consist exclusively of neon. If there is a remaining portion of the protective gas of the protective gas atmosphere that does not consist of neon, this remaining portion of the protective gas can be replaced by at least one further noble gas, at least one against melting of alloys with a melting component from the third main group, in particular aluminum, inert gas and / or at least one gas that reacts with the melt.
Erfindungsgemäß wird demnach ein herkömmlich vorgesehenes Schutzgas in der der 3D-Druckvorrichtung, also der LPB-S-Anlage durch Neon (Ne) oder ein Nereiches Mischgas, d.h. mit mindestens 50% Ne-Anteil, ersetzt. Auf diese Weise kann dann im LPB-S-Prozess die erreichbare Materialqualität und Reproduzierbarkeit durch positive Manipulation der Schmelzbaddynamik und des lasergestützten Energietransfers erheblich verbessert werden. Dies hat wiederum auch große positive Auswirkungen auf die Nutzbarkeit und Wirtschaftlichkeit des LPB-S-Verfahrens für Werkstoffe mit Schmelzbestandteil(en) aus der dritten Hauptgruppe, insbesondere auf Aluminium -Werkstoffe.According to the invention, a conventionally provided protective gas is therefore used in the 3D printing device, i.e. the LPB-S system, by neon (Ne) or a rich mixed gas, i.e. with at least 50% Ne content. In this way, the material quality and reproducibility that can be achieved in the LPB-S process can be significantly improved through positive manipulation of the melt pool dynamics and the laser-assisted energy transfer. This in turn also has great positive effects on the usability and economy of the LPB-S process for materials with melt constituent (s) from the third main group, in particular for aluminum materials.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pulvermischung kann der Schmelzbestandteil aus der Gruppe metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt werden und mindestens ein weiterer Bestandteil aus der Gruppe von Halbmetallen, Erdalkalimetallen und Übergangsmetallen ausgewählt werden.According to one embodiment of the powder mixture according to the invention, the melt component can be selected from the group of metallic materials, metallic material combinations and metallic alloys and at least one further component can be selected from the group of semimetals, alkaline earth metals and transition metals.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Pulvermischung kann der Schmelzbestandteil aus der Gruppe von Aluminium oder einer Legierung davon ausgewählt werden, besonders bevorzugt kann der wenigstens eine weitere Bestandteil aus der Gruppe Silicium, Magnesium, Titan, Zirconium, Scandium, Vanadium ausgewählt sein. Selbstredend können auch mehrere dieser Auswahlmöglichkeiten als weitere Bestandteile ausgewählt sein.In preferred embodiments of the powder mixture according to the invention, the melt component can be selected from the group of aluminum or an alloy thereof, the at least one further constituent can particularly preferably be selected from the group consisting of silicon, magnesium, titanium, zirconium, scandium and vanadium. Of course, several of these options can also be selected as additional components.
Mit den erwähnten Pulvermischungen kann mittels des erfindungsgemäßen 3D-Druckverfahrens in einer 3D-Druckvorrichtung beispielsweise eine Legierung von AISi7Mg0.6 additiv erzeugt werden, ein in der Luft- und Raumfahrttechnik und Wehrtechnik begehrter Aluminium-Werkstoff, welcher neben guter Korrosionsbeständigkeit auch sehr gute Eigenschaftswerte hinsichtlich Haltbarkeit, Festigkeit und Duktilität kombiniert. Mit dem erfindungsgemäßen 3D-Druckverfahren kann dabei in dem Pulverbett des Laserschmelzens beim schichtweisen Aufbau des Produkts durch eine Art Partikelverstärkung die Festigkeit der Legierung derart verstärkt werden, dass deren Eigenschaften hinsichtlich Qualität und Materialdichte erfindungsgemäß weiter verbessert werden können. In diesem Zusammenhang werden Verbünde von Silicium im Nanomaßstab in Kombination mit klassischer Ausscheidungshärtung über kohärente Phasen von Mg2Si primär verfestigt.With the powder mixtures mentioned, the 3D printing process according to the invention can be used to additively produce an alloy of AISi7Mg0.6, for example, an alloy of AISi7Mg0.6, an aluminum material which, in addition to good corrosion resistance, also has very good properties in terms of Combined durability, strength and ductility. With the 3D printing method according to the invention, the strength of the alloy can be strengthened in the powder bed of laser melting during the layer-by-layer structure of the product through a type of particle reinforcement in such a way that its properties in terms of quality and material density can be further improved according to the invention. In this context, nanoscale silicon composites are primarily strengthened in combination with classic precipitation hardening via coherent phases of Mg 2 Si.
Mit dem erfindungsgemäßen 3D-Druckverfahren sind auch Legierungen aus Aluminium-Magnesium-Scandium additiv herstellbar, wobei diese Legierungen erneut durch hervorragende Werte hinsichtlich Festigkeit und Duktilität zu überzeugen wissen. Dabei wird die hierfür verantwortliche Mikrostruktur durch hohe Abkühlraten und eine schnelle Erstarrung erreicht, die mit der Leistung hochwertiger Gussprodukte mehr als mithalten kann. Durch die Verbindung der Eigenschaften des Materials mit der der additiven Fertigung eigenen Gestaltungsfreiheit ermöglicht Bauteile mit einem gegenwärtig unerreichten Funktionsumfang. So lassen sich die betreffenden Legierungen etwa sehr gut schweißen, sind sehr korrosionsbeständig, haben einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, eine über einen großen Temperaturbereich stabile Mikrostruktur, sind mit herkömmlichen Bearbeitungsverfahren gut bearbeitbar und können an ihren Oberflächen durch geeignete Prozesse behandelt werden. Hierbei augenfällig ist insbesondere die hohe Festigkeit bei geringem Gewicht, die für eine Gewichtsreduktion von Bauteilen gewinnbringend einsetzbar ist.With the 3D printing process according to the invention, alloys made of aluminum-magnesium-scandium can also be produced additively, with these alloys again being able to convince with excellent values in terms of strength and ductility. The microstructure responsible for this is achieved through high cooling rates and rapid solidification, which can more than keep up with the performance of high-quality cast products. By combining the properties of the material with the freedom of design inherent in additive manufacturing, components with a currently unattainable range of functions are possible. The alloys in question can be welded very well, are very corrosion-resistant, have a low coefficient of thermal expansion, a microstructure that is stable over a wide temperature range, can be easily machined with conventional machining methods and their surfaces can be treated using suitable processes. What is particularly striking here is the high strength and low weight, which can be used profitably for reducing the weight of components.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.The above configurations and developments can be combined with one another as desired, provided that it makes sense. Further possible configurations, developments and implementations of the invention also include combinations, not explicitly mentioned, of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.
FigurenlisteFigure list
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen die:
-
1 eine schematische Illustration einer 3D-Druckvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
2 eine schematische Illustration von beispielhaften Details einer 3D-Druckvorrichtung der 1 , durch welche in der 3D-Druckvorrichtung eine geeignete Schutzgasatmosphäre erzeugt wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; -
3 ein Blockdiagramm eines 3D-Druckverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
4 eine Darstellung einer Oberfläche eines Druckobjekts, das mit einem Verfahren nach dem Stand der Technik gefertigt wurde; und -
5 eine Darstellung einer Oberfläche eines Druckobjekts, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurde
-
1 a schematic illustration of a 3D printing device according to an embodiment of the invention; -
2 a schematic illustration of exemplary details of a 3D printing device of FIG1 , by means of which a suitable protective gas atmosphere is generated in the 3D printing device, according to a further embodiment of the invention; -
3 a block diagram of a 3D printing process according to an embodiment of the invention; -
4th a representation of a surface of a print object that was produced with a method according to the prior art; and -
5 a representation of a surface of a print object that was manufactured with the method according to the invention
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. Richtungsangebende Terminologie wie etwa „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, „über“, „unter“, „horizontal“, „vertikal“, „vorne“, „hinten“ und ähnliche Angaben werden lediglich zu erläuternden Zwecken verwendet und dienen nicht der Beschränkung der Allgemeinheit auf spezifische Ausgestaltungen wie in den Figuren gezeigt.The accompanying drawings are intended to provide a further understanding of the embodiments of the invention. They illustrate embodiments and, in conjunction with the description, serve to explain principles and concepts of the invention. Other embodiments and many of the advantages mentioned emerge with a view to the drawings. The elements of the drawings are not necessarily shown to scale with one another. Directional terminology such as "above", "below", "left", "right", "above", "below", "horizontal", "vertical", "front", "rear" and similar information are only used for explanatory purposes Used for purposes and not to limit the generality to specific configurations as shown in the figures.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELENDESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS
Das 3D-Druckverfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfasst ein generatives Fertigungsverfahren, bei welchen auf der Basis von geometrischen Modellen Objekte vordefinierter Form aus einem formlosen pulverförmigen Material in formneutralem Halbzeugen wie etwa band-, draht- oder bahnförmigem Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse in einem speziellen generativen Fertigungssystem hergestellt werden. 3D-Druckverfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung verwenden dabei additive Prozesse, bei denen das Ausgangsmaterial schichtweise in vorgegebenen Formen sequentiell aufgebaut wird. Das eingesetzte 3D-Druckverfahren ist dabei das selektives Laserschmelzen („selective laser melting“, SLM), das auch Laser-Pulverbett-Schmelzen (LPB-S oder auch LPB-F (engl. laser powderbed - fusion) genannt wird.The 3D printing process in the sense of the present application comprises a generative manufacturing process in which, on the basis of geometric models, objects of a predefined shape are made from a shapeless powdery material in shape-neutral semi-finished products such as strip, wire or web-shaped material by means of chemical and / or physical processes are manufactured in a special generative manufacturing system. 3D printing process within the meaning of the present application use additive processes in which the starting material is sequentially built up layer by layer in predetermined shapes. The 3D printing process used is selective laser melting (“selective laser melting”, SLM), which is also known as laser powder bed melting (LPB-S or LPB-F (laser powderbed - fusion).
Ein Laser
An der Auftreffstelle des Laserstrahls
Auf diese Weise entsteht in einem iterativen generativen Aufbauprozess ein dreidimensionales „gedrucktes“ Objekt
Die gesamte 3D-Druckvorrichtung 10 kann in einem Gehäuse
Die
Die
In einem 3D-Druckverfahren M erfolgt zunächst ein Schritt
In einem 3D-Druckverfahren M erfolgt dabei also vor dem Schmelzvorgang in dem Schritt
Die Pulvermischung
In dem 3D-Druckverfahren M kann der Schmelzbestandteil zum Beispiel aus der dritten Hauptgruppe des Periodensystems oder einer Legierung davon ausgewählt werden. Besonders vorteilhaft kann dabei die Auswahl von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als Schmelzbestandteil sein, da Aluminium in konventionellen 3D-Druckprozessen aufgrund seiner hohen Reaktivität mit der Umgebung sehr leicht zu unerwünschter Oxidation neigt.In the 3D printing process M, the melt component can be selected from the third main group of the periodic table or an alloy thereof, for example. The selection of aluminum or an aluminum alloy as the melting component can be particularly advantageous, since aluminum has a very easy tendency to undesired oxidation in conventional 3D printing processes due to its high reactivity with the environment.
Überdies können aber auch durch den hier nicht weiter dargestellten Zusatz von weiteren Oberflächenbehandlungsmaterialien während des 3D-Druckprozesses Schmiereigenschaften oder elektrische Leitfähigkeitseigenschaften des gedruckten Objekts
Die beschriebenen Verfahren können in allen Bereichen der Transportindustrie, beispielsweise für Luftfahrzeuge, Straßenkraftfahrzeuge, für Schienenfahrzeuge oder für Wasserfahrzeuge, aber auch im Ingenieurs- und Maschinenbauwesen generell eingesetzt werden.The methods described can be used in all areas of the transport industry, for example for aircraft, road vehicles, for rail vehicles or for watercraft, but also in general in engineering and mechanical engineering.
Sich nunmehr den
Dabei zeigt zunächst die
Im Ergebnis erkennt man in der
Demgegenüber zeigt die
In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.In the preceding detailed description, various features have been summarized in one or more examples in order to improve the stringency of the presentation. It should be clear, however, that the above description is merely illustrative and in no way restrictive in nature. It serves to cover all alternatives, modifications, and equivalents of the various features and exemplary embodiments. Many other examples will be immediately and immediately apparent to those skilled in the art on the basis of their technical knowledge in view of the above description.
Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend“ und „aufweisend“ als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend“ verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein“, „einer“ und „eine“ eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.The exemplary embodiments were selected and described in order to be able to present the principles on which the invention is based and their possible applications in practice as well as possible. As a result, those skilled in the art can optimally modify and use the invention and its various exemplary embodiments with regard to the intended use. In the claims and the description, the terms “including” and “having” are used as neutral terms for the corresponding terms “comprising”. Furthermore, the use of the terms “a”, “an” and “an” should not fundamentally exclude a plurality of features and components described in this way.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Laserlaser
- 22
- Optische AblenkvorrichtungOptical deflector
- 33
- ArbeitskammerLabor Chamber
- 3a3a
- WerkplattformWork platform
- 44th
- PulverreservoirPowder reservoir
- 4a4a
- ReservoirplattformReservoir platform
- 55
- ÜberschussbehälterSurplus container
- 66th
- NivellierwalzeLeveling roller
- 77th
- Gehäusecasing
- 88th
- ZufuhreinrichtungFeeding device
- 1010
- 3D-Druckvorrichtung3D printing device
- AA.
- SchutzgasatmosphäreProtective gas atmosphere
- BB.
- DruckobjektPrint object
- LL.
- Laserstrahllaser beam
- MM.
- 3D-Druckverfahren3D printing process
- M11M11
- VerfahrensschrittProcess step
- M12M12
- VerfahrensschrittProcess step
- M13M13
- VerfahrensschrittProcess step
- PP
- PulvermischungPowder mix
- PdPd
- Überschüssiges PulverExcess powder
- PrPr
- ReservoirpulverReservoir powder
- PsPs
- WerkpulverWork powder
- SESE
- SchmelzbaderuptionMolten pool eruption
Claims (11)
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DE102019206451.5A DE102019206451A1 (en) | 2019-05-06 | 2019-05-06 | Process for 3D printing in a protective gas atmosphere and 3D printing device |
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Citations (4)
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-
2019
- 2019-05-06 DE DE102019206451.5A patent/DE102019206451A1/en active Pending
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