DE102019206451A1 - Process for 3D printing in a protective gas atmosphere and 3D printing device - Google Patents

Process for 3D printing in a protective gas atmosphere and 3D printing device Download PDF

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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 claim 1 and a powder mixture having the features of claim 9.

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
The present invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments indicated in the schematic figures. The show:
  • 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 FIG 1 , 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).

1 zeigt eine schematische Illustration einer 3D-Druckvorrichtung 10. Die 3D-Druckvorrichtung 10 ist dabei eine Anlage zum selektiven Laserschmelzen, bei deren Betrieb ein Laser-Pulverbett-Schmelzvorgang stattfindet. Im Folgenden wird die 3D-Druckvorrichtung 10 beispielhaft im Zusammenhang mit SLS bzw. LPB-S erläutert werden. 1 shows a schematic illustration of a 3D printing device 10. The 3D printing device 10 is a system for selective laser melting, during the operation of which a laser powder bed melting process takes place. In the following, the 3D printing device 10 will be explained by way of example in connection with SLS or LPB-S.

Ein Laser 1 als Energiequelle sendet einen Energiestrahl ortsselektiv auf einen bestimmten Teil einer Pulveroberfläche pulverförmigen Materials Ps, welches in einer Arbeitskammer 3 auf einer Werkplattform 3a aufliegt. Dazu kann eine optische Ablenkvorrichtung bzw. Scannermodul 2 wie etwa ein beweglicher bzw. kippbarer Spiegel vorgesehen sein, welcher den Laserstrahl L je nach seiner Kippstellung auf einen bestimmten Teil der Pulveroberfläche des Pulvers Ps ablenkt.A laser 1 as an energy source sends an energy beam selectively to a certain part of a powder surface of powdery material Ps , which in a working chamber 3 on a work platform 3a rests. An optical deflection device or scanner module can be used for this purpose 2 such as a movable or tiltable mirror can be provided, which the laser beam L. depending on its tilted position on a certain part of the powder surface of the powder Ps distracts.

An der Auftreffstelle des Laserstrahls L wird das Pulver Ps erhitzt, so dass die Pulverpartikel lokal aufgeschmolzen werden und bei einem Abkühlen ein Agglomerat bilden. In Abhängigkeit von einem durch ein CAD-System bereitgestellten und gegebenenfalls aufbereiteten digitalen Fertigungsmodell rastert der Laserstrahl L die Pulveroberfläche ab. Nach dem selektiven Schmelzen und lokalen Agglomerieren der Pulverpartikel in der Oberflächenschicht des Pulvers Ps kann überschüssiges, nicht agglomeriertes Pulver Pd in einen Überschussbehälter 5 übertragen werden. Danach wird die Werkplattform 3a abgesenkt und mit Hilfe einer Nivellierwalze 6 oder einer anderen geeigneten Rakel- oder Walzeinrichtung neues Pulver Pr aus einem Pulverreservoir 4 mit einer Reservoirplattform 4a in die Arbeitskammer 3 überführt. Das Pulver Pr aus dem Pulverreservoir 4 kann zur Beschleunigung des Schmelzprozesses durch Infrarotlicht auf eine knapp unter der Schmelztemperatur des Pulvers liegende Arbeitstemperatur vorgewärmt werden.At the point of impact of the laser beam L. becomes the powder Ps heated so that the powder particles are melted locally and form an agglomerate when cooled. The laser beam scans as a function of a digital production model provided and possibly processed by a CAD system L. the powder surface. After the selective melting and local agglomeration of the powder particles in the surface layer of the powder Ps can be excess, non-agglomerated powder Pd into a waste container 5 be transmitted. Then the work platform 3a lowered and with the help of a leveling roller 6th or another suitable doctor blade or roller device for new powder Pr from a powder reservoir 4th with a reservoir platform 4a in the working chamber 3 convicted. The powder Pr from the powder reservoir 4th can be preheated to a working temperature just below the melting temperature of the powder using infrared light to accelerate the melting process.

Auf diese Weise entsteht in einem iterativen generativen Aufbauprozess ein dreidimensionales „gedrucktes“ Objekt B aus agglomeriertem Pulver. Das umliegende Pulver dient dabei der Abstützung des bis dahin aufgebauten Teils des Objekts B, so dass keine externe Stützkonstruktion notwendig ist. Durch die kontinuierliche Abwärtsbewegung der Werkplattform 3a entsteht das Objekt B in schichtweiser Modellerzeugung.In this way, a three-dimensional "printed" object is created in an iterative, generative building process B. made of agglomerated powder. The surrounding powder serves to support the part of the object that has been built up until then B. so that no external support structure is necessary. Due to the continuous downward movement of the work platform 3a the object is created B. in layered model generation.

Die gesamte 3D-Druckvorrichtung 10 kann in einem Gehäuse 7 untergebracht sein, in welchem durch eine geeignete Zufuhreinrichtung 8 eine dem Laserschmelzprozess zuträgliche Atmosphäre erzeugt werden kann. Beispielsweise kann in dem Gehäuse 7 ein Vakuum erzeugt werden. Alternativ dazu kann durch die Zufuhreinrichtung 8 auch eine passivierende Atmosphäre mit einer Inertgasmischung wie etwa aus Argon und/oder Stickstoff, und insbesondere zumindest teilweise aus Neon, generiert werden.The entire 3D printing device 10 can be in one housing 7th be housed, in which by a suitable feeder 8th an atmosphere conducive to the laser melting process can be generated. For example, in the housing 7th a vacuum can be created. Alternatively, through the feeding device 8th a passivating atmosphere with an inert gas mixture such as argon and / or nitrogen, and in particular at least partially neon, can also be generated.

Die 2 zeigt die Arbeitskammer 3, in der über die Zufuhreinrichtung 8 ein Schutzgas in das Gehäuse 7 zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre A in der Umgebung des Laserschmelzprozesses in die 3D-Druckvorrichtung 10 eingeleitet werden kann. Neon, das in der Darstellung der 2 ausschließlich als Schutzgas eingesetzt wird, dient dabei zum effizienteren Aufschmelzen bei gleichzeitig ruhigerer Schmelzbaddynamik, was letztlich der Verbesserung der Materialeigenschaften des aus Pulver bereits während des 3D-Druckprozesses erzeugten Bauteilwerkstoffs dient.The 2 shows the working chamber 3 , in which about the feeder 8th a protective gas in the housing 7th for generating a protective gas atmosphere A. can be introduced into the 3D printing device 10 in the vicinity of the laser melting process. Neon, which is used in the representation of the 2 is used exclusively as a protective gas, serves for more efficient melting while at the same time quieter melt pool dynamics, which ultimately serves to improve the material properties of the component material already produced from powder during the 3D printing process.

Die 3 zeigt ein Blockdiagramm eines schematischen Ablaufs eines 3D-Druckverfahrens M, welches in einer 3D-Druckvorrichtung wie etwa der im Zusammenhang mit 1 und 2 illustrierten und erläuterten 3D-Druckvorrichtung 10 implementiert werden kann.The 3 FIG. 3 shows a block diagram of a schematic sequence of a 3D printing method M which is used in a 3D printing device such as that in connection with 1 and 2 illustrated and discussed 3D printing device 10 can be implemented.

In einem 3D-Druckverfahren M erfolgt zunächst ein Schritt M11, in dem ein Schmelzbestandteil, welcher aus der Gruppe metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt ist, in einer Pulvermischung P zur Verfügung gestellt oder bereitgestellt wird. Beim anschließenden Erzeugen M12 einer Schutzgasatmosphäre A in der 3D-Druckvorrichtung 10 weist das Schutzgas der Schutzgasatmosphäre A mindestens einen Anteil auf, welcher aus der Gruppe von Edelgasen ausgewählt ist und/oder einen Inertgasanteil auf. Sodann wird die erwähnte Pulvermischung P in einem Schritt M13 einem Laserschmelzen in einem selektiven Laserschmelzverfahren unterzogen, das ein Laser-Pulverbett-Schmelzverfahren ist. Das Laserschmelzen M13 wird entsprechend der vorangegangenen Erzeugung unter der Schutzgasatmosphäre A durchgeführt, beispielsweise also einer Schutzgasatmosphäre A, in der das verwendete Schutzgas wenigstens aus der Gruppe von wenigstens einem weiteren Edelgas, wenigstens einem gegenüber Schmelzen von Legierungen mit einem Schmelzbestandteil aus der dritten Hauptgruppe inerten Gas und/oder wenigstens einem mit der Schmelze reagierenden Gas besteht, ausgewählt ist.In a 3D printing process M, a step is first carried out M11 , in which a melt component, which is selected from the group of metallic materials, metallic material combinations and metallic alloys, in a powder mixture P is made available or made available. During the subsequent creation M12 a protective gas atmosphere A. In the 3D printing device 10, the protective gas has the protective gas atmosphere A. at least one portion which is selected from the group of noble gases and / or an inert gas portion. Then the powder mixture mentioned P in one step M13 subjected to laser melting in a selective laser melting process which is a laser powder bed melting process. The laser melting M13 is according to the previous generation under the protective gas atmosphere A. carried out, for example, a protective gas atmosphere A. , in which the protective gas used consists of at least one further noble gas, at least one gas which is inert towards melting of alloys with a melting component from the third main group and / or at least one gas which reacts with the melt.

In einem 3D-Druckverfahren M erfolgt dabei also vor dem Schmelzvorgang in dem Schritt M13 zunächst in einem Schritt M12 das Erzeugen einer Schutzgasatmosphäre A in einer 3D-Druckvorrichtung 10. Hierbei verdrängt das Schutzgas das in Kammer noch vorhandene Umgebungsgas bis ein zuvor definierter Sauberkeitswert (z.B. 1000 ppm Restsauerstoffkontamination) erreicht wird. Effizienter, weil wirtschaftlicher ist es, die Kammer im ersten Schritt zu vakuumieren, und dann das gewünschte Schutzgas einzufüllen. Das Schutzgas der Schutzgasatmosphäre A ist dabei mit einem überwiegenden Anteil, beispielsweise zu mindestens 50%, an Neon versehen, während der verbleibende Anteil aus dem Inertgas Stickstoff gebildet ist. Schließlich kann unter dieser Schutzgasatmosphäre A ein Schritt M13 durchgeführt werden, bei dem eine Pulvermischung Ps oder einem selektiven Laserschmelzverfahren unterzogen wird.In a 3D printing process M, the melting process takes place in the step M13 initially in one step M12 the creation of a protective gas atmosphere A. in a 3D printing device 10. Here, the protective gas displaces the ambient gas still present in the chamber until a previously defined cleanliness value (for example 1000 ppm residual oxygen contamination) is reached. It is more efficient because it is more economical to vacuum seal the chamber in the first step and then fill in the desired protective gas. The protective gas of the protective gas atmosphere A. is provided with a predominant proportion, for example at least 50%, of neon, while the remaining proportion is formed from the inert gas nitrogen. Finally, under this protective gas atmosphere A. a step M13 be carried out in which a powder mixture Ps or is subjected to a selective laser melting process.

Die Pulvermischung Ps kann dabei einen Schmelzbestandteil aufweisen, welcher aus der Gruppe von metallischen Materialien, metallischen Materialkombinationen und metallischen Legierungen ausgewählt ist.The powder mix Ps can have a melt component selected from the group of metallic materials, metallic material combinations and metallic alloys.

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 B verbessert werden. Dazu können beispielsweise schmierende Partikel wie etwa Graphen, Graphit, Carbide oder Sulfide beitragen. Die elektrische Leitfähigkeit können generell leitfähige Zusatzpartikel verbessern, die insbesondere an der Oberfläche von gedruckten Objekten deren Kontaktleitfähigkeit entscheidend verbessern können.In addition, the addition of further surface treatment materials, not shown here, can also result in lubricating properties or electrical conductivity properties of the printed object during the 3D printing process B. be improved. For example, lubricating particles such as graphene, graphite, carbides or sulfides can contribute to this. The electrical conductivity can generally improve conductive additional particles, which can decisively improve their contact conductivity, especially on the surface of printed objects.

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 4 und 5 zuwendend wird durch einen Vergleich erläutert, warum eine LPB-S Prozessführung unter einem Neon-reichen Schutzgas zu besseren Prozessergebnissen mit gleichmäßigeren Umschmelzverhalten führt.Now the 4th and 5 a comparison explains why an LPB-S process control under a neon-rich protective gas leads to better process results with more uniform remelting behavior.

Dabei zeigt zunächst die 4 das Produkt des Prozessierens eines AlMgSc-Pulvers (Typ Scalmalloy®) in einer Laser-Pulverbett-Schmelzanlage der Fa. SLM Solutions SLM125H nach dem Stand der Technik, wobei hier das Druckobjekt B unter Argon-Schutzgasatmosphäre angefertigt wurde. Das AI-Legierungspulver wurde mit einer Schichtdicke von ca. 60 µm aufgezogen, was eine Bauschichtdicke von ca. 30 µm ergibt. Ein auf die Oberfläche fokussierter Yb-YAG-Laserstrahl wurde hierbei bei einem Durchmesser von ca. 85 µm mit einer Laserleistung von 370 Watt betrieben, wodurch sich eine Laserlichtintensität von mehr als 106 Watt/cm2 ergibt. Der Laserstrahl scannt die Oberfläche eines Bauteils mit ca. 800 mm/sec, wobei sich die einzelnen Schmelzlinien mit jeweils 100 µm überlappen. Der Prozess wurde in einer 3D-Druckvorrichtung unter Argon durchgeführt, wobei zum Start eine max. Rest-Sauerstoffgas-Kontamination von 1000 ppm vorlag (gemessen mit einer sogenannten Lambda-Sonde). In der Regel wird im Laufe des generell mehrstündigen Fertigungsprozesses die Rest-Sauerstoff-Kontamination stetig geringer. Das zugeführte Argon-Schutzgas hat eine nominelle Qualität 4.8 (= 98.998%).First shows the 4th the product of the processing of an AlMgSc powder (type Scalmalloy®) in a laser powder bed melting plant from SLM Solutions SLM125H according to the prior art, the printed object here B. was made under an argon protective gas atmosphere. The Al alloy powder was drawn up with a layer thickness of approx. 60 µm, which results in a structural layer thickness of approx. 30 µm. A Yb-YAG laser beam focused on the surface was operated with a diameter of approx. 85 μm with a laser power of 370 watts, resulting in a laser light intensity of more than 10 6 watts / cm 2 . The laser beam scans the surface of a component at approx. 800 mm / sec, with the individual melting lines overlapping each other by 100 µm. The process was carried out in a 3D printing device under argon, with a max. Residual oxygen gas contamination of 1000 ppm was present (measured with a so-called lambda probe). As a rule, in the course of the production process, which generally takes several hours, the residual oxygen contamination is steadily reduced. The supplied argon protective gas has a nominal quality of 4.8 (= 98.998%).

Im Ergebnis erkennt man in der 4, dass die Oberfläche des Druckobjekts sehr unruhig ist, außerdem sind immer wieder Spritzer(Kugeln) und dunkle Ablagerungen als Kennzeichen von Schmelzbaderuptionen xx erkennbar.The result can be seen in the 4th that the surface of the printed object is very uneven, and splashes (balls) and dark deposits are always recognizable as signs of molten bath eruptions xx.

Demgegenüber zeigt die 5 die Oberfläche eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Druckobjekts B, wobei in dem Verfahren erfindungsgemäß das Schutzgas Argon durch das Schutzgas Neon ersetzt wurde. Man erkennt, dass die erzeugte Oberfläche des Druckobjekts viel weniger Prozess-Imperfektionen oder anhaftende Spritzer aufweist, sie hat ein gleichmäßig erscheinendes Oberflächen-Finish mit gut erkennbaren Schmelzbahnen. Hierdurch ist offensichtlich, dass AI-Werkstoffe wie die hier verwendete AlMgSc-Legierung mit Neon als Schutz- & Prozessgas viel besser verarbeitet werden können. Das in der 5 gezeigte Ergebnis wurde dabei überdies ohne eine durchaus zusätzlich mögliche‘, auf Neon bezogene Schmelz-Prozessparameter-Optimierung erreicht.In contrast, the 5 the surface of a printed object produced by the method according to the invention B. , wherein in the method according to the invention the protective gas argon was replaced by the protective gas neon. It can be seen that the generated surface of the printed object has far fewer process imperfections or adhering spatter, it has a uniform surface finish with easily recognizable melt lines. This makes it obvious that Al materials such as the AlMgSc alloy used here can be processed much better with neon as protective & process gas. That in the 5 The result shown was also achieved without any additional possible optimization of the melting process parameters relating to neon.

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)

3D-Druckverfahren (M) mit den Schritten: 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 (A) in einer 3D-Druckvorrichtung (10), wobei das Schutzgas der Schutzgasatmosphäre (A) mindestens einen Anteil aufweist, welcher aus der Gruppe von Edelgasen ausgewählt 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.3D printing process (M) with the 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 (A) in a 3D printing device (10), the protective gas of the protective gas atmosphere (A) having at least one portion selected from the group of noble gases and / or having at least one inert gas portion, and laser melting ( M13) of 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 melt component selected from the third main group of the periodic table. 3D-Druckverfahren (M) nach Anspruch 1, wobei das Schutzgas der Schutzgasatmosphäre (A) mindestens einen Anteil an Neon aufweist.3D printing process (M) according to Claim 1 , wherein the protective gas of the protective gas atmosphere (A) has at least a portion of neon. 3D-Druckverfahren (M) nach Anspruch 2, wobei der Schutzgasanteil an Neon in der Schutzgasatmosphäre (A) mindestens 50% beträgt.3D printing process (M) according to Claim 2 , the protective gas proportion of neon in the protective gas atmosphere (A) being at least 50%. 3D-Druckverfahren (M) nach Anspruch 2, wobei das Schutzgas in der Schutzgasatmosphäre (A) ausschließlich aus Neon besteht.3D printing process (M) according to Claim 2 , whereby the protective gas in the protective gas atmosphere (A) consists exclusively of neon. 3D-Druckverfahren (M) nach einem der Ansprüche 2 und 3, wobei ein verbleibender Anteil des Schutzgases in der Schutzgasatmosphäre (A) durch wenigstens ein weiteres Edelgas, wenigstens ein gegenüber ein gegenüber Schmelzen von Legierungen mit einem Schmelzbestandteil aus der dritten Hauptgruppe inertes Gas und/oder wenigstens ein mit der Schmelze reagierendes Gas besteht.3D printing process (M) according to one of the Claims 2 and 3 , wherein a remaining portion of the protective gas in the protective gas atmosphere (A) consists of at least one further noble gas, at least one gas which is inert to the melting of alloys with a melting component from the third main group and / or at least one gas that reacts with the melt. 3D-Druckverfahren (M) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der 3D-Druckvorrichtung vor Herstellung der Schutzgasatmosphäre ein Vakuum erzeugt wird.3-D printing method (M) according to one of the preceding claims, wherein a vacuum is generated in the 3-D printing device before the protective gas atmosphere is produced. 3D-Druckverfahren (M) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schmelzbestandteil der dritten Hauptgruppe durch Aluminium gebildet wird.3D printing process (M) according to one of the Claims 1 to 5 , the melt component of the third main group being formed by aluminum. 3D-Druckverfahren (M) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Schmelze eine Aluminiumlegierung zumindest mit den Bestandteilen Aluminium, Magnesium und Scandium oder eine Aluminiumlegierung zumindest mit den Bestandteilen Aluminium, Magnesium und Silizium gebildet wird.3-D printing method (M) according to one of the preceding claims, wherein an aluminum alloy with at least the components aluminum, magnesium and scandium or an aluminum alloy with at least the components aluminum, magnesium and silicon is formed in the melt. Pulvermischung (P) zur Verwendung in einem 3D-Druckverfahren (M), insbesondere einem 3D-Druckverfahren (M) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, mit: einem Schmelzbestandteil, welcher aus der Gruppe metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt ist; und wenigstens einem weiteren Bestandteil, welcher aus der Gruppe von Halbmetallen, Erdalkalimetallen und Übergangsmetallen ausgewählt ist.Powder mixture (P) for use in a 3D printing process (M), in particular a 3D printing process (M) according to one of the Claims 1 to 7th , with: 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. Pulvermischung (P) nach Anspruch 9, wobei der Schmelzbestandteil aus der Gruppe von Aluminium oder einer Legierung davon ausgewählt ist.Powder mixture (P) after Claim 9 wherein the melt component is selected from the group of aluminum or an alloy thereof. Pulvermischung (P) nach Anspruch 9 oder 10, wobei der wenigstens ein weiterer Bestandteil aus der Gruppe Silicium, Magnesium, Titan, Zirconium, Scandium, Vanadium ausgewählt ist.Powder mixture (P) after Claim 9 or 10 , the at least one further constituent being selected from the group consisting of silicon, magnesium, titanium, zirconium, scandium and vanadium.
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