DE102019207111A1 - Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers Download PDF

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Moritz Käß
Martin Werz
Stefan Weihe
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Universitaet Stuttgart
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers vorgeschlagen, das die Schritte umfasst:(a) Bereitstellen eines Metallpulvers,(b) Aufbringen einer Pulverschicht (18) des Metallpulvers auf eine Bauplattform (14) einer Prozesskammer (12),(c) Einbringen eines ersten Prozessgases in die Prozesskammer (12),(d) Aufschmelzen eines ersten ausgewählten Bereichs (36) der aufgebrachten Pulverschicht (18) mittels eines Lasers in einer ersten Atmosphäre, die das erste Prozessgas aufweist,(e) Einbringen eines zweiten Prozessgases in die Prozesskammer (12), wobei sich das zweite Prozessgas mindestens hinsichtlich seiner Zusammensetzung und/oder seinem Druck von dem ersten Prozessgas unterscheidet, und(f) Aufschmelzen eines zweiten ausgewählten Bereichs (38) der aufgebrachten Pulverschicht (18) mittels des Lasers in einer zweiten Atmosphäre, die das zweite Prozessgas aufweist, wobei sich der zweite ausgewählte Bereich (38) von dem ersten ausgewählten Bereich (36) unterscheidet.

Description

  • Die additive Fertigung bezeichnet einen Prozess, bei dem auf der Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material schichtweise ein Bauteil aufgebaut wird. Bei additiver Fertigung handelt es sich um ein professionelles Produktionsverfahren, das sich deutlich von konventionellen, abtragenden Fertigungsmethoden unterscheidet. Anstatt zum Beispiel ein Werkstück aus einem festen Block herauszufräsen, baut die additive Fertigung Bauteile Schicht für Schicht aus Werkstoffen auf, die beispielsweise als feines Pulver vorliegen.
  • Zu den additiven Fertigungsverfahren zählen insbesondere das selektive Lasersintern sowie das selektive Laserschmelzen. Bei diesem Verfahren wird eine Baufläche sukzessive mit einem bestimmten Metallpulver beschichtet, das unter Einsatz eines Lasers aufgeschmolzen wird. Durch schichtweises Aufschmelzen und anschließendes Verfestigen des Metallpulvers durch Abkühlen entsteht durch das Übereinanderlegen und Verbinden mehrerer Einzelschichten ein Bauteil. Auf diese Weise lassen sich komplexe Strukturen und dreidimensionale Geometrien realisieren, die in einem Arbeitsschritt und ohne die Verwendung eines Werkzeugs hergestellt werden können.
  • Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Bei pulverbettbasierten additiven Fertigungsprozessen ist die lokale Veränderung der Gefügeausbildung durch verschiedene chemische Zusammensetzungen des pulverförmigen Ausgangsmaterials heute nicht bzw. nur mit einem erheblichen technischen Aufwand beim Pulvermanagement möglich. Jedoch können bestimmte erwünschte Werkstoffeigenschaften in additiv gefertigten Bauteilen nur erreicht werden, wenn eine selektiv einstellbare Legierungszusammensetzung möglich ist. Bei herkömmlichen pulverbettbasierten additiven Prozessen wird stets eine gesamte Schicht desselben Pulvers mit einer Rakel aufgebracht. Ein Materialwechsel bzw. eine Materialgradierung innerhalb einer Schicht ist dabei nicht und über die Höhe des Bauteils nur durch ein sehr aufwändiges Pulvermanagement mit mehreren Pulvervorräten möglich.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird daher ein Verfahren vorgeschlagen, das die Nachteile bekannter Verfahren zumindest weitgehend vermeidet. Insbesondere wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers vorgeschlagen, bei dem lokal verschiedene Legierungszusammensetzungen realisierbar sind, welche die Ausbildung unterschiedlicher Gefüge zur Folge haben.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers umfasst die Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:
    1. (a) Bereitstellen eines Metallpulvers,
    2. (b) Aufbringen einer Pulverschicht des Metallpulvers auf eine Bauplattform einer Prozesskammer,
    3. (c) Einbringen eines ersten Prozessgases in die Prozesskammer,
    4. (d) Aufschmelzen eines ersten ausgewählten Bereichs der aufgebrachten Pulverschicht mittels eines Lasers in einer ersten Atmosphäre, die das erste Prozessgas aufweist,
    5. (e) Einbringen eines zweiten Prozessgases in die Prozesskammer, wobei sich das zweite Prozessgas mindestens hinsichtlich seiner Zusammensetzung und/oder seinem Druck von dem ersten Prozessgas unterscheidet, und
    6. (f) Aufschmelzen eines zweiten ausgewählten Bereichs der aufgebrachten Pulverschicht mittels des Lasers in einer zweiten Atmosphäre, die das zweite Prozessgas aufweist, wobei sich der zweite ausgewählte Bereich von dem ersten ausgewählten Bereich unterscheidet.
  • Mit dem Verfahren lässt sich das bereits serienmäßig eingesetzte Prozessgas oder Schutzgas zur Veränderung der Legierungszusammensetzung nutzen. Dabei muss eine lokal unterschiedliche Vermischung von Schutzgasen mit der Metallschmelze erreicht werden. Dies kann einerseits durch den Einsatz unterschiedlicher Schutzgase innerhalb eines Baujobs und auch durch Veränderung von Prozessparametern, wie Baukammerdruck, Laserleistung oder durch eine Laseroszillation erreicht werden.
  • Bei dem Verfahren werden nacheinander mehrere Schichten auf die Bauplattform aufgebracht. Entsprechend umfasst das Verfahren Wiederholen, insbesondere mehrfaches Wiederholen, zumindest der Schritte (a) bis (d) und/oder Wiederholen, insbesondere mehrfaches Wiederholen, der Schritte (e) und (f). Die Prozessreihenfolge ist dabei so, dass eine erste Schicht auf die Bauplattform aufgebracht wird. Anschließend erfolgt das Aufschmelzen vorbestimmter Bereiche der ersten Schicht mittels Laser. Durch die Variation der Parameter der Prozessgase kann die Legierungszusammensetzung lokal jedoch so verändert werden, dass es zur Ausbildung lokal unterschiedlicher Gefüge kommt. Dabei wird ein Teil des Metallpulvers auf der Bauplattform aufgeschmolzen und durch Abkühlen verfestigt. Dieser verfestigte Bereich stellt einen Teil der Form des herzustellenden Bauteils dar. Im Anschluss daran wird die Bauplattform etwas abgesenkt und eine zweite Schicht aufgebracht. Anschließend erfolgt das Aufschmelzen vorbestimmter Bereiche der zweiten Schicht mittels Laser in der zuvor beschriebenen Weise. Dabei wird wiederum ein Teil des Metallpulvers auf der Bauplattform aufgeschmolzen und durch Abkühlen verfestigt. Dieser Bereich stellt einen weiteren Teil der Form des Bauteils dar.
  • Das Aufschmelzen in Schritt (d) wird derart durchgeführt, dass der erste ausgewählte Bereich bei einem nachfolgenden Abkühlen eine feste Verbindung mit dem darunterliegenden Material eingeht. Alternativ oder zusätzlich kann das Aufschmelzen in Schritt (f) derart durchgeführt werden, dass der zweite ausgewählte Bereich bei einem nachfolgenden Abkühlen eine feste Verbindung mit dem darunterliegenden Material eingeht. Die jeweilige Verbindung entsteht dabei mit der Bauplattform bzw. der unmittelbar darunter befindlichen Schicht. Entsprechend entsteht eine nur durch Zerstören lösbare Verbindung.
  • Das Metallpulver kann eine Metalllegierung sein. Beispielsweise ist das Metallpulver eine Aluminiumlegierung.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Metallpulver zusammengesetzt aus mindestens 55% Fe, insbesondere mindestens 75% Fe, höchstens 99% Fe, insbesondere höchstens 80% Fe, bevorzugt mindestens 1% Ni, insbesondere mindestens 10% Ni und höchstens 24% Ni, bevorzugt mindestens 1% Cr, insbesondere mindestens 8% Cr und höchstens 35% Cr, sowie mindestens ein zusätzliches Legierungselement ausgewählt aus der Gruppe bestehend C, Mo, Mn, Cu, W, V, Si, Ta, Nb und Ti.
  • Das erste Prozessgas und/oder das zweite Prozessgas können mindestens ein Gas aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Argon, Helium, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan, Propan, Wasserstoff und Sauerstoff. So wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung die besondere Bedeutung erlangt, dass einige Prozessgase gleichzeitig Legierungselemente darstellen bzw. diese wie im Fall von Kohlenstoff aufnehmen oder abgeben können. Argon und Helium wirken beispielsweise jeweils inert. Stickstoff wirkt bei Stählen als Austenitbildner. Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan, Propan bewirken jeweils ein Aufkohlen. Wasserstoff sorgt ggf. für eine Porenbildung. Sauerstoff bewirkt eine Reduktion von Kohlenstoff.
  • Das erste Prozessgas und das zweite Prozessgas können Wasserstoff aufweisen, wobei die Konzentration an Wasserstoff des ersten Prozessgases höher als die Konzentration an Wasserstoff des zweiten Prozessgases ist. Damit lassen sich in dem ersten ausgewählten Bereich mehr Poren als in dem zweiten Bereich bilden. Durch Einsatz von wasserstoffhaltiger Atmosphäre kann insbesondere bei Aluminium je nach Wasserstoffgehalt gezielt eine Porosität im Werkstoff erzeugt werden. Dies basiert darauf, dass die Löslichkeit von Wasserstoff in Aluminium im flüssigen Zustand deutlich höher ist als im festen Zustand. Bei der Erstarrung scheidet sich der nicht mehr lösliche Wasserstoff in Form von kleinen Poren aus. Je nach ursprünglichem Partialdruck an Wasserstoff in der Prozessgas-Atmosphäre, bzw. gelöst in der Aluminiumschmelze, kommt es zur Bildung von großen oder kleinen bzw. gar keinen Poren.
  • Während des Aufschmelzens in Schritt (d) und/oder in Schritt (f) kann der Druck in der Prozesskammer variiert werden. Durch eine Variation des Drucks in der mit Prozessgas gefluteten Prozesskammer kann die Gasaufnahme der Schmelze beeinflusst werden. Insbesondere durch einen Überdruck von Stickoxid (N2) kann dessen Löslichkeit und Aufnahmefähigkeit im Schmelzbad verstärkt werden. Generell sind Drücke von Vakuum bis insbesondere 10 bar sinnvoll. Auf diese Weise ließe sich allein durch die Druckänderung Einfluss auf die Legierungszusammensetzung und damit auf das entstehende Gefüge nehmen.
  • Das Verfahren kann weiterhin zumindest teilweises Wärmebehandeln der aufgebrachten Schicht während des Aufschmelzens in Schritt (d) und/oder in Schritt (f) umfassen. Die Umwandlung der Gefüge bei Stählen ist in der Regel temperaturabhängig. Auch die Abkühlbedingungen können einen Einfluss auf das sich einstellende Gefüge haben. Beispielsweise wird beim Härten eine schroffe Abkühlung genutzt, um ein martensitisches anstelle eines ferritischen Gefüges zu erreichen. Durch eine Veränderung der Abkühlbedingungen bzw. der Temperatur innerhalb der Prozesskammer bei einem additiven Fertigungsprozess ist es daher auch möglich, Phasenumwandlungen zu beeinflussen oder zu bestimmten Zeitpunkten im Fertigungsprozess zu triggern.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren weiterhin zumindest teilweises Wärmebehandeln der aufgebrachten Schicht nach dem Aufschmelzen in Schritt (d) und/oder in Schritt (f) umfassen. Auch eine nachträgliche Wärmebehandlung kann genutzt werden, um bestimmte Eigenschaften durch Veränderung des Gefüges zu erreichen. Denkbar sind beispielsweise Normalglühen, Lösungsglühen und Abschrecken bzw. Härten. Je nach Abkühlgeschwindigkeit kommt es bei diesen Wärmebehandlungsprozessen zu thermischen Gradienten bzw. unterschiedlichen Transienten im Bauteil. Bei diesen nachträglichen Wärmebehandlungen kann insbesondere durch die selektive Aufkohlung während des additiven Fertigungsprozesses erreicht werden, dass verschiedene Bereiche unterschiedlich stark gehärtet werden. Somit kann eine Variation der Festigkeit durch den unterschiedlichen Kohlenstoffanteil im Härtegefüge realisiert werden. Zur Einstellung eines bestimmten Eigenspannungszustands eines Bauteils, bei dem während der Herstellung an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Legierungszusammensetzungen realisiert wurden, können bei einer dem Aufschmelzen nachgelagerten Wärmebehandlung, wie beispielsweise Aufheizen, Halten und Abkühlen, unterschiedliche Effekte herangezogen werden. Diese sind die Beeinflussung der Temperatur, bei der eine Phasenumwandlung einsetzt oder abgeschlossen ist, die Beeinflussung der Festigkeit, die der Werkstoff bei einer bestimmten Temperatur aufweist, in Wechselwirkung mit Spannungen, die aus thermischen Gradienten resultieren, und die Beeinflussung der Höhe der Dehnungen, die sich bei der Phasenumwandlung einstellt, beispielsweise bei der Umwandlung von Austenit zu Martensit oder Austenit zu Ferrit. Um die Effekte bewusst und quantitativ sinnvoll einsetzen zu können, können selbstverständlich analytische, numerische und experimentelle Methoden zur, ggf. iterativen, Erzielung eines gewünschten Zustandes eingesetzt werden.
  • Das Wärmebehandeln kann Glühen, Spannungsarmglühen, Diffusions- oder Effusionsglühen umfassen.
  • Das Wärmebehandeln kann mittels eines defokussierten Lasers erfolgen. Zur Veränderung der Abkühlbedingungen bzw. der Temperatur innerhalb der Prozesskammer kann beispielsweise ein zweiter, defokussierter Laserstrahl genutzt werden, mit welchem ganze Schichten oder größere Bereiche innerhalb von Schichten vor- bzw. nachgewärmt werden.
  • Das erste Prozessgas und/oder das zweite Prozessgas können derart in die Prozesskammer eingebracht werden, dass ein laminarer Gasstrom oberhalb der aufgebrachten Pulverschicht erzeugt wird. Dies erlaubt die Durchführung eines möglichst schnellen Wechsels des Prozessgases. Die Geschwindigkeit des Wechsels kann durch den Einsatz von Schutzgasdüsen, die sehr nahe über dem Bauteil einen laminaren Schutzgasstrom erzeugen, gesteigert werden.
  • Das Verfahren kann weiterhin Anordnen einer Glasplatte in einem vorbestimmten Abstand zu der aufgebrachten Pulverschicht umfassen, wobei der vorbestimmte Abstand in einem Bereich von 0,5 mm bis 20,0 cm und bevorzugt von 1,0 cm bis 10,0 cm liegt. Eine solche Anordnung einer Glasplatte begrenzt den Prozessgasstrom bzw. das Prozessgasvolumen zwischen Pulveroberfläche und Laseroptik in Richtung des Lasers. Der genannte Abstand hat sich dabei als bevorzugter Abstand erwiesen.
  • Der Laser kann während des Aufschmelzens in Schritt (d) und/oder in Schritt (f) oszillieren. Durch eine Oszillation des Laserstrahls ist es möglich, eine erhöhte Dynamik im Schmelzbad zu erreichen, was für eine bessere Vermischung der Metallschmelze mit dem Prozessgas genutzt werden kann. Auf diese Weise kann auch bei geringerem Partialdruck des Prozessgases eine Beeinflussung der Legierungszusammensetzung erreicht werden. Außerdem ist es möglich, durch eine selektive Oszillation des Lasers, die Vermischung mit dem Prozessgas zu steuern und auf diese Weise lokal unterschiedliche Legierungszusammensetzungen innerhalb einer Schicht bei sonst gleichbleibenden Prozessbedingungen zu erreichen.
  • Das Aufschmelzen in Schritt (f) kann derart durchgeführt werden, dass der in Schritt (d) aufgeschmolzene Bereich zumindest teilweise wieder aufgeschmolzen wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Aufschmelzen in Schritt (f) derart durchgeführt werden, dass der zweite ausgewählte Bereich zumindest teilweise wieder aufgeschmolzen wird. Es ist möglich, gezielte Bereiche innerhalb einer Schicht einmal aufzuschmelzen, um die Schmelze mit einer bestimmten Gaskonzentration anzureichern. Durch einen Schutzgaswechsel kann nun bei einem zweiten bzw. erneuten Aufschmelzen die Konzentration der Legierungselemente in der Schmelze weiter verändert werden. Außerdem kann durch die nochmalige lokale Wärmeeinbringung auf diese Weise der Eigenspannungszustand verändert werden.
  • Eine Leistung und/oder ein Fokus des Lasers kann während des Aufschmelzens in Schritt (d) und/oder in Schritt (f) variiert werden. Bei der additiven Fertigung kommen sowohl „Tiefschweißprozesse“ mit ausgeprägter Dampfkapillare als auch Wärmeleitungsschweißprozesse zum Einsatz. Generell ist das hier vorgestellte Verfahren bei beiden Ausprägungen anwendbar. Prinzipiell kommt es jedoch beim Tiefschweißen zu einer deutlich stärkeren Durchmischung der Schmelze als beim Wärmeleitungsschweißen. Entsprechend wirkt sich der Prozess-Modus auf die Wirksamkeit der chemischen Beeinflussung durch das Prozessgas aus (hoher oder geringer Eintrag des Gases). Der Wechsel des Prozessmodus kann insbesondere durch Variation der Laserleistung und ggf. Variation der Fokuslage (Defokussieren) gezielt eingesetzt werden, um chemische Zusammensetzung, Gefüge sowie die Wärmeeinbringung zu beeinflussen.
  • Das Verfahren kann weiterhin Aufbringen oder Einbringen mindestens eines Legierungselementes in die aufgebrachte Pulverschicht in dem ersten ausgewählten Bereich und/oder in dem zweiten ausgewählten Bereich umfassen. Das Legierungselement kann insbesondere in Form einer Suspension auf- oder eingebracht werden. Durch Prozessgase ist lediglich eine Einbringung von Legierungselementen möglich, die als Gas gehandhabt werden können. Mit üblichen Prozessgasen lassen sich allerdings nur der Kohlenstoff- und Stickstoff-Anteil beeinflussen. Beide Elemente beeinflussen die Gefügeausbildung aufgrund ihrer Eigenschaft als Nickeläquivalent. Um auch die Effekte von anderen Äquivalenten, insbesondere Chrom-Äquivalenten, nutzen zu können, ist zusätzlich die Einbringung von Legierungselementen in Form einer Suspension mit sehr feinen Partikeln, d.h. wesentlich kleiner als die Pulverpartikel, möglich. Dazu kann beispielsweise Si oder Ti selektiv in einzelne Schichten oder in Teile von Schichten eingebracht werden. Insbesondere Ethanol eignet sich hier als Lösungsmittel. Ein Abtrocknen des Ethanols vor dem Aufschmelzen kann durch einen defokussierten Laserstrahl oder eine entsprechende Bauraumvorheizung erreicht werden. Auch durch diese selektive Aufbringung einer Suspension kann die Legierungszusammensetzung lokal beeinflusst werden. Im Vergleich zur Aufbringung eines vollständig verschiedenen Pulvers durch das Rakel ist die Verwendung einer Suspension mit wesentlich weniger Aufwand zu realisieren. Dies liegt darin begründet, dass mit einer Aufbringungsvorrichtung zum Aufbringen des Metallpulvers bis zu 100% des Pulvers einer Schicht sehr kostengünstig und einfach aufgetragen werden können. Nur wenige Prozent eines zusätzlichen Legierungselementes insbesondere eines als Chrom-Äquivalent wirkenden Elements werden zusätzlich aufgetragen.
  • Das Legierungselement kann mittels eines Druckkopfs aufgebracht oder eingebracht werden. Unter Druckkopf ist in diesem Sinne ein mindestens zweidimensionales Element von einzelnen Düsen oder Austrittsöffnungen zu verstehen, über das ein Pulver, eine Suspension oder ein mit Pulver beladener Gasstrom fein dosiert ausgebracht werden kann. Der Druckkopf kann die gesamte Breite des Pulverbetts aufweisen. Alternativ können mehrere Druckköpfe in Reihe geschaltet oder der Druckkopf jeweils um etwa seine Länge verschoben werden. Der Druckkopf wird quer zur Düsenanordnung zum Überstreichen des Bauraums verschoben. Die räumliche Auflösung des Druckkopfes entspricht vorzugsweise in etwa der des Laserscanners bzw. in etwa dem Hatch-Abstand des Scans. Beispielsweise kann Si oder Ti durch einen Druckkopf selektiv in einzelne Schichten oder in Teile von Schichten eingebracht werden. Insbesondere Ethanol eignet sich hier als Lösungsmittel. Ein Abtrocknen des Ethanols vor dem Aufschmelzen kann durch einen defokussierten Laserstrahl oder eine entsprechende Bauraumvorheizung erreicht werden. Auch durch diese selektive Aufbringung einer Suspension kann die Legierungszusammensetzung lokal beeinflusst werden. Im Vergleich zur Aufbringung eines vollständig verschiedenen Pulvers durch das Rakel ist die Verwendung einer Suspension mit wesentlich weniger Aufwand zu realisieren.
  • Die Pulverschicht kann mittels einer Aufbringungsvorrichtung, insbesondere einem Rakel, auf die Bauplattform aufgebracht werden, wobei die Aufbringungsvorrichtung und der Druckkopf von einem gemeinsamen Aktor bewegt werden. Rakel und Druckkopf können somit eine Einheit darstellen und in diesem Fall über einen gemeinsamen Aktuator bewegt werden oder aber über zwei voneinander unabhängigen Aktuatoren verfahren werden. Dies ermöglicht insbesondere, dass die Geschwindigkeit des Aufrakelns von Pulver und die Geschwindigkeit des „Aufdruckens“ der Suspension unabhängig gewählt werden können.
  • Das Aufschmelzen in Schritt (d) kann derart durchgeführt werden, dass der erste ausgewählte Bereich nach einem nachfolgenden Abkühlen eine erste metallurgische Struktur aufweist, wobei das Aufschmelzen in Schritt (f) derart durchgeführt werden kann, dass der zweite ausgewählte Bereich nach einem nachfolgenden Abkühlen eine zweite metallurgische Struktur aufweist, wobei sich die zweite metallurgische Struktur von der ersten metallurgischen Struktur unterscheidet.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers, umfasst:
    • eine Prozesskammer mit einer Bauplattform,
    • eine Aufbringungsvorrichtung, insbesondere einen Rakel, zum Aufbringen einer Pulverschicht eines Metallpulvers auf die Bauplattform,
    • eine Prozessgasdüse zum Einbringen von Prozessgas in die Prozesskammer, mindestens eine Laserquelle zum Aussenden von Laser auf die Pulverschicht und eine Ventilbaugruppe zum Wahlweisen Zuführen von Prozessgas zu der Prozessgasdüse, wobei die Ventilbaugruppe mindestens einen ersten Ventilweg und einen zweiten Ventilweg aufweist, wobei die Ventilbaugruppe mit einer ersten Prozessgasquelle und mit einer zweiten Prozessgasquelle verbindbar ist, wobei der erste Ventilweg und der zweite Ventilweg derart getrennt voneinander ansteuerbar sind, dass wahlweise ein erstes Prozessgas von der ersten Prozessgasquelle und/oder ein zweites Prozessgas von der zweiten Prozessgasquelle in die Prozesskammer mittels der Prozessgasdüse einbringbar ist.
  • Die Vorrichtung kann weiterhin eine Steuerungsvorrichtung zum automatischen Steuern der Ventilbaugruppe basierend auf numerischen Daten, die die geometrische Form des herzustellenden Bauteils definieren, umfassen.
  • Die Vorrichtung kann weiterhin einen Druckkopf zum Aufbringen oder Einbringen eines Legierungselements, insbesondere in Form einer Suspension, auf oder in die Pulverschicht auf der Bauplattform umfassen.
  • Die Vorrichtung kann weiterhin einen Aktor umfassen, wobei der Aktor zum gemeinsamen Bewegen der Aufbringungsvorrichtung und des Druckkopfs ausgebildet ist.
  • Die Prozessgase können sich hinsichtlich ihrer Zusammensetzung unterscheiden.
  • Weiterhin wird die Verwendung einer Vorrichtung gemäß der vorstehenden Beschreibung zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der vorstehenden Beschreibung offenbart.
  • Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers vorgeschlagen, das die folgenden Schritte umfasst, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:
    • - Bereitstellen eines Metallpulvers,
    • - Aufbringen einer Pulverschicht des Metallpulvers auf eine Bauplattform einer Prozesskammer,
    • - Aufbringen auf oder Einbringen mindestens eines Legierungselementes, insbesondere in Form einer Suspension, auf oder in die aufgebrachte Pulverschicht in mindestens einem ausgewählten Bereich, und
    • - Aufschmelzen der aufgebrachten Pulverschicht mittels eines Lasers.
  • Als eine Alternative zur gasförmigen Einbringung von Legierungselementen kann somit eine Aufbringung von Legierungselementen als Suspension erfolgen. Durch Prozessgase ist lediglich eine Einbringung von Legierungselementen möglich, die als Gas gehandhabt werden können. Mit üblichen Prozessgasen lassen sich allerdings nur der Kohlenstoff- und Stickstoff-Anteil beeinflussen. Beide Elemente beeinflussen die Gefügeausbildung aufgrund ihrer Eigenschaft als Nickeläquivalent. Um auch die Effekte von Chrom-Äquivalenten nutzen zu können, ist zusätzlich die Einbringung von Legierungselementen in Form einer Suspension mit sehr feinen Partikeln, d.h. wesentlich kleiner als die Pulverpartikel, möglich.
  • Das Legierungselement kann mittels eines Druckkopfs aufgebracht oder eingebracht werden. Dazu kann beispielsweise Si oder Ti durch einen am Rakel angebrachten Druckkopf selektiv in einzelne Schichten oder in Teile von Schichten eingebracht werden. Insbesondere Ethanol eignet sich hier als Lösungsmittel. Ein Abtrocknen des Ethanols vor dem Aufschmelzen kann durch einen defokussierten Laserstrahl oder eine entsprechende Bauraumvorheizung erreicht werden. Auch durch diese selektive Aufbringung einer Suspension kann die Legierungszusammensetzung lokal beeinflusst werden. Im Vergleich zur Aufbringung eines vollständig verschiedenen Pulvers durch das Rakel ist die Verwendung einer Suspension mit wesentlich weniger Aufwand zu realisieren. Dies liegt darin begründet, dass mit dem Rakel bis zu 100% des Pulvers einer Schicht sehr kostengünstig und einfach aufgetragen werden können. Nur wenige Prozent eines zusätzlichen Legierungselementes insbesondere eines als Chrom-Äquivalent wirkenden Elementen werden mit einem Druckkopf aufgetragen. Unter Druckkopf ist in diesem Sinne ein mindestens zweidimensionales Element von einzelnen Düsen oder Austrittsöffnungen zu verstehen, über das ein Pulver, eine Suspension oder ein mit Pulver beladener Gasstrom fein dosiert ausgebracht werden kann. Der Druckkopf kann die gesamte Breite des Pulverbetts aufweisen. Alternativ können mehrere Druckköpfe in Reihe geschaltet oder der Druckkopf jeweils um etwa seine Länge verschoben werden. Der Druckkopf wird quer zur Düsenanordnung zum Überstreichen des Bauraums verschoben. Die räumliche Auflösung des Druckkopfes entspricht vorzugsweise in etwa der des Laserscanners bzw. in etwa dem Hatch-Abstand des Scans.
  • Die Pulverschicht kann mittels einer Aufbringungsvorrichtung, insbesondere einem Rakel, auf die Bauplattform aufgebracht werden, wobei die Aufbringungsvorrichtung und der Druckkopf von einem gemeinsamen Aktor bewegt werden. Rakel und Druckkopf können eine Einheit darstellen und in diesem Fall über einen gemeinsamen Aktuator bewegt werden oder aber über zwei voneinander unabhängigen Aktuatoren verfahren werden. Dies ermöglicht insbesondere, dass die Geschwindigkeit des Aufrakelns von Pulver und die Geschwindigkeit des „Aufdruckens“ der Suspension unabhängig gewählt werden können.
  • Das Verfahren kann weiterhin die folgenden Schritte umfassen:
    • - Einbringen eines ersten Prozessgases in die Prozesskammer,
    • - Aufschmelzen eines ersten ausgewählten Bereichs der aufgebrachten Pulverschicht mittels eines Lasers in einer ersten Atmosphäre, die das erste Prozessgas aufweist,
    • - Einbringen eines zweiten Prozessgases in die Prozesskammer, wobei sich das zweite Prozessgas mindestens hinsichtlich seiner Zusammensetzung und/oder seinem Druck von dem ersten Prozessgas unterscheidet, und
    • - Aufschmelzen eines zweiten ausgewählten Bereichs der aufgebrachten Pulverschicht mittels des Lasers in einer zweiten Atmosphäre, die das zweite Prozessgas aufweist, wobei sich der zweite ausgewählte Bereich von dem ersten ausgewählten Bereich unterscheidet.
  • Mit dem Verfahren lässt sich das bereits serienmäßig eingesetzte Prozessgas oder Schutzgas zur Veränderung der Legierungszusammensetzung nutzen. Dabei muss eine lokal unterschiedliche Vermischung von Schutzgasen mit der Metallschmelze erreicht werden. Dies kann einerseits durch den Einsatz unterschiedlicher Schutzgase innerhalb eines Baujobs und auch durch Veränderung von Prozessparametern, wie Baukammerdruck, Laserleistung oder durch eine Laseroszillation erreicht werden.
  • Das Aufschmelzen kann derart durchgeführt werden, dass der erste und/oder zweite ausgewählte Bereich bei einem nachfolgenden Abkühlen eine feste Verbindung eingeht. Die jeweilige Verbindung entsteht dabei mit der Bauplattform bzw. der unmittelbar darunter befindlichen Schicht. Entsprechend entsteht eine nur durch Zerstören lösbare Verbindung. Das Metallpulver kann eine Metalllegierung sein. Beispielsweise ist das Metallpulver eine Aluminiumlegierung.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Metallpulver zusammengesetzt aus mindestens 55% Fe, insbesondere mindestens 75% Fe, höchstens 99% Fe, insbesondere höchstens 80% Fe, bevorzugt mindestens 1% Ni, insbesondere mindestens 10% Ni und höchstens 24% Ni, bevorzugt mindestens 1% Cr, insbesondere mindestens 8% Cr und höchstens 35% Cr, sowie mindestens ein zusätzliches Legierungselement ausgewählt aus der Gruppe bestehend C, Mo, Mn, Cu, W, V, Si, Ta, Nb und Ti.
  • Das erste Prozessgas und/oder das zweite Prozessgas können mindestens ein Gas aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Argon, Helium, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan, Propan, Wasserstoff und Sauerstoff. So wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung die besondere Bedeutung erlangt, dass einige Prozessgase gleichzeitig Legierungselemente darstellen bzw. diese wie im Fall von Kohlenstoff aufnehmen oder abgeben können. Argon und Helium wirken beispielsweise jeweils inert. Stickstoff wirkt bei Stählen als Austenitbildner. Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan, Propan bewirken jeweils ein Aufkohlen. Wasserstoff sorgt ggf. für eine Porenbildung. Sauerstoff bewirkt eine Reduktion von Kohlenstoff.
  • Das erste Prozessgas und das zweite Prozessgas können Wasserstoff aufweisen, wobei die Konzentration an Wasserstoff des ersten Prozessgases höher als die Konzentration an Wasserstoff des zweiten Prozessgases ist. Damit lassen sich in dem ersten ausgewählten Bereich mehr Poren als in dem zweiten Bereich bilden. Durch Einsatz von wasserstoffhaltiger Atmosphäre kann insbesondere bei Aluminium je nach Wasserstoffgehalt gezielt eine Porosität im Werkstoff erzeugt werden. Dies basiert darauf, dass die Löslichkeit von Wasserstoff in Aluminium im flüssigen Zustand deutlich höher ist als im festen Zustand. Bei der Erstarrung scheidet sich der nicht mehr lösliche Wasserstoff in Form von kleinen Poren aus. Je nach ursprünglichem Partialdruck an Wasserstoff in der Prozessgas-Atmosphäre bzw. gelöst in der Aluminiumschmelze kommt es zur Bildung von großen oder kleinen bzw. gar keinen Poren.
  • Während des Aufschmelzens kann der Druck in der Prozesskammer variiert werden. Durch eine Variation des Drucks in der mit Prozessgas gefluteten Prozesskammer kann die Gasaufnahme der Schmelze beeinflusst werden. Insbesondere durch einen Überdruck von Stickoxid (N2) kann dessen Löslichkeit und Aufnahmefähigkeit im Schmelzbad verstärkt werden. Generell sind Drücke von Vakuum bis insbesondere 10 bar sinnvoll. Auf diese Weise ließe sich allein durch die Druckänderung Einfluss auf die Legierungszusammensetzung und damit auf das entstehende Gefüge nehmen.
  • Das Verfahren kann weiterhin zumindest teilweises Wärmebehandeln der aufgebrachten Schicht während des Aufschmelzens umfassen. Die Umwandlung der Gefüge bei Stählen ist in der Regel temperaturabhängig. Auch die Abkühlbedingungen können einen Einfluss auf das sich einstellende Gefüge haben. Beispielsweise wird beim Härten eine schroffe Abkühlung genutzt, um ein martensitisches anstelle eines ferritischen Gefüges zu erreichen. Durch eine Veränderung der Abkühlbedingungen bzw. der Temperatur innerhalb der Prozesskammer bei einem additiven Fertigungsprozess ist es daher auch möglich, Phasenumwandlungen zu beeinflussen oder zu bestimmten Zeitpunkten im Fertigungsprozess zu triggern.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren weiterhin zumindest teilweises Wärmebehandeln der aufgebrachten Schicht nach dem Aufschmelzen umfassen.
  • Das Wärmebehandeln kann Aufschmelzen, Sintern, Glühen, Diffusions- oder Effusionsbehandeln umfassen. Auch eine nachträgliche Wärmebehandlung kann genutzt werden, um bestimmte Eigenschaften durch Veränderung des Gefüges zu erreichen. Denkbar sind beispielsweise Normalglühen, Lösungsglühen und Abschrecken bzw. Härten. Je nach Abkühlgeschwindigkeit kommt es bei diesen Wärmebehandlungsprozesse zu thermischen Gradienten bzw. unterschiedlichen Transienten im Bauteil. Bei diesen nachträglichen Wärmebehandlungen kann insbesondere durch die selektive Aufkohlung während des additiven Fertigungsprozesses erreicht werden, dass verschiedene Bereiche unterschiedlich stark gehärtet werden. Somit kann eine Variation der Festigkeit durch den unterschiedlichen Kohlenstoffanteil im Härtegefüge realisiert werden. Zur Einstellung eines bestimmten Eigenspannungszustands eines Bauteils, bei dem während der Herstellung an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Legierungszusammensetzungen realisiert wurden, können bei einer dem Aufschmelzen nachgelagerten Wärmebehandlung, wie beispielsweise Aufheizen, Halten und Abkühlen, unterschiedliche Effekte herangezogen werden. Diese sind die Beeinflussung der Temperatur, bei der eine Phasenumwandlung einsetzt oder abgeschlossen ist, die Beeinflussung der Festigkeit, die der Werkstoff bei einer bestimmten Temperatur aufweist, in Wechselwirkung mit Spannungen, die aus thermischen Gradienten resultieren, und die Beeinflussung der Höhe der Dehnungen, die sich bei er Phasenumwandlung einstellt, beispielsweise bei der Umwandlung von Austenit zu Martensit oder Austenit zu Ferrit. Um die Effekte bewusst und quantitativ sinnvoll einsetzen zu können, können selbstverständlich analytische, numerische und experimentelle Methoden zur, ggf. iterativen, Erzielung eines gewünschten Zustandes eingesetzt werden.
  • Das Wärmebehandeln kann mittels eines defokussierten Lasers erfolgen. Zur Veränderung der Abkühlbedingungen bzw. der Temperatur innerhalb der Prozesskammer kann beispielsweise ein zweiter, defokussierter Laserstrahl genutzt werden, mit welchem ganze Schichten oder größere Bereiche innerhalb von Schichten vor- bzw. nachgewärmt werden.
  • Das erste Prozessgas und/oder das zweite Prozessgas können derart in die Prozesskammer eingebracht werden, dass ein laminarer Gasstrom oberhalb der aufgebrachten Pulverschicht erzeugt wird. Dies erlaubt die Durchführung eines möglichst schnellen Wechsels des Prozessgases. Die Geschwindigkeit des Wechsels kann durch den Einsatz von Schutzgasdüsen, die sehr nahe über dem Bauteil einen laminaren Schutzgasstrom erzeugen, gesteigert werden.
  • Das Verfahren kann weiterhin Anordnen einer Glasplatte in einem vorbestimmten Abstand zu der aufgebrachten Pulverschicht umfassen, wobei der vorbestimmte Abstand in einem Bereich von 0,5 mm bis 20,0 cm und bevorzugt von 1,0 cm bis 10,0 cm liegt. Eine solche Anordnung einer Glasplatte begrenzt den Prozessgasstrom bzw. das Prozessgasvolumen zwischen Pulveroberfläche und Laseroptik in Richtung des Lasers. Der genannte Abstand hat sich dabei als bevorzugter Abstand erwiesen.
  • Der Laser kann bei der thermischen Behandlung oszillieren. Durch eine Oszillation des Laserstrahls ist es möglich, eine erhöhte Dynamik im Schmelzbad zu erreichen, was für eine bessere Vermischung der Metallschmelze mit dem Prozessgas genutzt werden kann. Auf diese Weise kann auch bei geringerem Partialdruck des Prozessgases eine Beeinflussung der Legierungszusammensetzung erreicht werden. Außerdem ist es möglich, durch eine selektive Oszillation des Lasers, die Vermischung mit dem Prozessgas zu steuern und auf diese Weise lokal unterschiedliche Legierungszusammensetzungen innerhalb einer Schicht bei sonst gleichbleibenden Prozessbedingungen zu erreichen.
  • Das Aufschmelzen kann derart durchgeführt werden, dass der erste ausgewählte Bereich zumindest teilweise wieder aufgeschmolzen wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Aufschmelzen derart durchgeführt werden, dass der zweite ausgewählte Bereich zumindest teilweise wieder aufgeschmolzen wird. Es ist möglich, gezielte Bereiche innerhalb einer Schicht einmal aufzuschmelzen, um die Schmelze mit einer bestimmten Gaskonzentration anzureichern. Durch einen Schutzgaswechsel kann nun bei einem zweiten bzw. erneuten Aufschmelzen die Konzentration der Legierungselemente in der Schmelze weiter verändert werden. Außerdem kann durch die nochmalige lokale Wärmeeinbringung auf diese Weise der Eigenspannungszustand verändert werden.
  • Eine Leistung und/oder ein Fokus des Lasers kann während des Aufschmelzens in Schritt variiert werden. Bei der additiven Fertigung kommen sowohl „Tiefschweißprozesse“ mit ausgeprägter Dampfkapillare als auch Wärmeleitungsschweißprozesse zum Einsatz. Generell ist das hier vorgestellte Verfahren bei beiden Ausprägungen anwendbar. Prinzipiell kommt es jedoch beim Tiefschweißen zu einer deutlich stärkeren Durchmischung der Schmelze als beim Wärmeleitungsschweißen. Entsprechend wirkt sich der Prozess-Modus auf die Wirksamkeit der chemischen Beeinflussung durch das Prozessgas aus (hoher oder geringer Eintrag des Gases). Der Wechsel des Prozessmodus kann insbesondere durch Variation der Laserleistung und ggf. Variation der Fokuslage (Defokussieren) gezielt eingesetzt werden, um chemische Zusammensetzung, Gefüge sowie die Wärmeeinbringung zu beeinflussen.
  • Das Aufschmelzen kann derart durchgeführt werden, dass der erste ausgewählte Bereich nach einem nachfolgenden Abkühlen eine erste metallurgische Struktur aufweist, und das Aufschmelzen kann derart durchgeführt werden, dass der zweite ausgewählte Bereich nach einem nachfolgenden Abkühlen eine zweite metallurgische Struktur aufweist, wobei sich die zweite metallurgische Struktur von der ersten metallurgischen Struktur unterscheidet.
  • Einzelne oder alle Verfahrensschritte können wiederholt, insbesondere mehrfach wiederholt werden.
  • Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers offenbart, wobei die Vorrichtung umfasst:
    • eine Prozesskammer mit einer Bauplattform,
    • eine Aufbringungsvorrichtung, insbesondere einen Rakel, zum Aufbringen einer Pulverschicht eines Metallpulvers auf die Bauplattform und
    • einen Druckkopf zum Aufbringen oder Einbringen eines Legierungselements, insbesondere in Form einer Suspension, auf oder in die Pulverschicht auf der Bauplattform mindestens eine Laserquelle zum Aussenden von Laser auf die Pulverschicht.
  • Die Vorrichtung kann weiterhin einen Aktor umfassen, wobei der Aktor zum gemeinsamen Bewegen der Aufbringungsvorrichtung und des Druckkopfs ausgebildet ist.
  • Die Vorrichtung kann weiterhin eine Prozessgasdüse zum Einbringen von Prozessgas in die Prozesskammer umfassen.
  • Die Vorrichtung kann weiterhin eine Ventilbaugruppe zum Wahlweisen Zuführen von Prozessgas zu der Prozessgasdüse umfassen, wobei die Ventilbaugruppe mindestens einen ersten Ventilweg und einen zweiten Ventilweg aufweist, wobei die Ventilbaugruppe mit einer ersten Prozessgasquelle und mit einer zweiten Prozessgasquelle verbindbar ist, wobei der erste Ventilweg und der zweite Ventilweg derart getrennt voneinander ansteuerbar sind, dass wahlweise ein erstes Prozessgas von der ersten Prozessgasquelle und/oder ein zweites Prozessgas von der zweiten Prozessgasquelle in die Prozesskammer mittels der Prozessgasdüse einbringbar ist
  • Die Vorrichtung kann weiterhin eine Steuerungsvorrichtung zum automatischen Steuern der Ventilbaugruppe basierend auf numerischen Daten, die die geometrische Form des herzustellenden Bauteils definieren, umfassen.
  • Sofern nicht anders angegeben beziehen sich alle im Rahmen dieser Offenbarung genannten Prozentangaben auf Gewichtsprozent.
  • Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, dass im gesamten Prozess ein Pulver mit derselben Zusammensetzung, insbesondere Legierungszusammensetzung, verwendet werden kann. Durch das Prozessgas bzw. Schutzgas oder durch Aufbringung einer Suspension kann die Legierungszusammensetzung lokal jedoch so verändert werden, dass es zur Ausbildung lokal unterschiedlicher Gefüge kommt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird nun vorgeschlagen, diese Prozessgase zur gezielten Einbringung von Legierungselementen zu nutzen, um die chemische Zusammensetzung des Materials während der Ausbildung des Schmelzbades zu beeinflussen. Dabei können bereits kleine Anteile zusätzlicher Legierungselemente ausreichen, um das sich ausbildende Gefüge, die Phasenumwandlung (Art, Zeitpunkt, Temperatur und Gefügeanteile) und den draus resultierenden Eigenspannungszustand stark zu verändern.
  • Mit der Fähigkeit zur Ausbildung lokal unterschiedlicher Gefüge eröffnen sich zahlreiche Möglichkeiten zur Herstellung von Bauteilen mit gezielten Eigenschaften. Beispielsweise kann der ferritische Kern eines Bauteils zur Erreichung einer hohen Festigkeit insbesondere bei statischer mechanischer Beanspruchung dienen. Ist eine Beständigkeit gegen Medieneinfluss notwendig, kann dies durch die Einstellung eines austenitischen Gefüges an der Oberfläche erfolgen. Als Schutz gegen Abrasion oder zur Erzielung von Druckeigenspannungen in der Oberfläche kann eine Ausbildung de Härtegefüges Martensit gewünscht sein. Druckeigenspannungen stellen eine Möglichkeit zur Verbesserung der Dauerfestigkeit für Bauteile unter zyklischer Beanspruchung dar.
  • Zusammenfassend umfasst die vorliegende Offenbarung die folgenden Ausführungsformen:
    • Ausführungsform 1: Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers, umfassend die Schritte:
      1. (a) Bereitstellen eines Metallpulvers,
      2. (b) Aufbringen einer Pulverschicht des Metallpulvers auf eine Bauplattform einer Prozesskammer,
      3. (c) Einbringen eines ersten Prozessgases in die Prozesskammer,
      4. (d) Aufschmelzen eines ersten ausgewählten Bereichs der aufgebrachten Pulverschicht mittels eines Lasers in einer ersten Atmosphäre, die das erste Prozessgas aufweist,
      5. (e) Einbringen eines zweiten Prozessgases in die Prozesskammer, wobei sich das zweite Prozessgas mindestens hinsichtlich seiner Zusammensetzung und/oder seinem Druck von dem ersten Prozessgas unterscheidet, und
      6. (f) Aufschmelzen eines zweiten ausgewählten Bereichs der aufgebrachten Pulverschicht mittels des Lasers in einer zweiten Atmosphäre, die das zweite Prozessgas aufweist, wobei sich der zweite ausgewählte Bereich von dem ersten ausgewählten Bereich unterscheidet.
    • Ausführungsform 2: Verfahren nach Ausführungsform 1, weiterhin umfassend Wiederholen, insbesondere mehrfaches Wiederholen, zumindest der Schritte (a) bis (d).
    • Ausführungsform 3: Verfahren nach Ausführungsform 1 oder 2, weiterhin umfassend Wiederholen, insbesondere mehrfaches Wiederholen, der Schritte (e) und (f).
    • Ausführungsform 4: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 3, weiterhin umfassend Aufschmelzen in Schritt (d) derart, dass der erste ausgewählte Bereich bei einem nachfolgenden Abkühlen eine feste Verbindung eingeht, und/oder Aufschmelzen in Schritt (f) derart, dass der zweite ausgewählte Bereich bei einem nachfolgenden Abkühlen eine feste Verbindung eingeht.
    • Ausführungsform 5: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 4, wobei das Metallpulver eine Metalllegierung, insbesondere Aluminiumlegierung, ist.
    • Ausführungsform 6: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 4, wobei das Metallpulver zusammengesetzt ist aus mindestens 55% Fe, insbesondere mindestens 75% Fe, höchstens 99% Fe, insbesondere höchstens 80% Fe, bevorzugt mindestens 1% Ni, insbesondere mindestens 10% Ni und höchstens 24% Ni, bevorzugt mindestens 1% Cr, insbesondere mindestens 8% Cr und höchstens 35% Cr, sowie mindestens ein zusätzliches Legierungselement ausgewählt aus der Gruppe bestehend C, Mo, Mn, Cu, W, V, Si, Ta, Nb und Ti.
    • Ausführungsform 7: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 6, wobei das erste Prozessgas und/oder das zweite Prozessgas mindestens ein Gas aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Argon, Helium, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan, Propan, Wasserstoff und Sauerstoff.
    • Ausführungsform 8: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 7 wobei das erste Prozessgas und das zweite Prozessgas Wasserstoff aufweisen, wobei die Konzentration an Wasserstoff des ersten Prozessgases höher als die Konzentration an Wasserstoff des zweiten Prozessgases ist.
    • Ausführungsform 9: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 8, wobei während des Aufschmelzens in Schritt (d) und/oder in Schritt (f) ein Druck in der Prozesskammer variiert wird.
    • Ausführungsform 10: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 9, weiterhin umfassend zumindest teilweises Wärmebehandeln der aufgebrachten Schicht während des Aufschmelzens in Schritt (d) und/oder in Schritt (f).
    • Ausführungsform 11: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 10, weiterhin umfassend zumindest teilweises Wärmebehandeln der aufgebrachten Schicht nach dem Aufschmelzen in Schritt (d) und/oder in Schritt (f).
    • Ausführungsform 12: Verfahren nach Ausführungsform 10 oder 11, wobei das Wärmebehandeln Aufschmelzen, Sintern, Glühen, Spannungsarm-, Diffusions- oder Effusionsglühen umfasst
    • Ausführungsform 13: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 10 bis 12, wobei das Wärmebehandeln mittels eines defokussierten Lasers erfolgt.
    • Ausführungsform 14: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 13, wobei das erste Prozessgas und/oder das zweite Prozessgas derart in die Prozesskammer eingebracht werden, dass ein laminarer Gasstrom oberhalb der aufgebrachten Pulverschicht erzeugt wird.
    • Ausführungsform 15: Verfahren nach Ausführungsform 14, weiterhin umfassend Anordnen einer Glasplatte in einem vorbestimmten Abstand zu der aufgebrachten Pulverschicht, wobei der vorbestimmte Abstand in einem Bereich von 0,5 mm bis 20,0 cm und bevorzugt von 1,0 cm bis 10,0 cm ist.
    • Ausführungsform 16: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 15, wobei der Laser während des Aufschmelzens in Schritt (d) und/oder in Schritt (f) oszilliert.
    • Ausführungsform 17: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 16, wobei das Aufschmelzen in Schritt (d) derart durchgeführt wird, dass der erste ausgewählte Bereich zumindest teilweise wieder aufgeschmolzen wird, und/oder das Aufschmelzen in Schritt (f) derart durchgeführt wird, dass der zweite ausgewählte Bereich zumindest teilweise wieder aufgeschmolzen wird.
    • Ausführungsform 18: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 17, wobei eine Leistung und/oder ein Fokus des Lasers während des Aufschmelzens in Schritt (d) und/oder in Schritt (f) variiert werden.
    • Ausführungsform 19: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 18, weiterhin umfassend Aufbringen auf oder Einbringen mindestens eines Legierungselementes, insbesondere in Form einer Suspension, in die aufgebrachte Pulverschicht in dem ersten ausgewählten Bereich und/oder in dem zweiten ausgewählten Bereich.
    • Ausführungsform 20: Verfahren nach Ausführungsform 19, wobei das Legierungselement mittels eines Druckkopfs aufgebracht oder eingebracht wird.
    • Ausführungsform 21: Verfahren nach Ausführungsform 20, wobei die Pulverschicht mittels einer Aufbringungsvorrichtung, insbesondere ein Rakel, auf die Bauplattform aufgebracht wird, wobei die Aufbringungsvorrichtung und der Druckkopf von einem gemeinsamen Aktor bewegt werden.
    • Ausführungsform 22: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 21, wobei das Aufschmelzen in Schritt (d) derart durchgeführt wird, dass der erste ausgewählte Bereich nach einem nachfolgenden Abkühlen eine erste metallurgische Struktur aufweist, wobei das Aufschmelzen in Schritt (f) derart durchgeführt wird, dass der zweite ausgewählte Bereich nach einem nachfolgenden Abkühlen eine zweite metallurgische Struktur aufweist, wobei sich die zweite metallurgische Struktur von der ersten metallurgischen Struktur unterscheidet.
    • Ausführungsform 23: Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers, umfassend:
      • eine Prozesskammer mit einer Bauplattform,
      • eine Aufbringungsvorrichtung, insbesondere einen Rakel, zum Aufbringen einer Pulverschicht eines Metallpulvers auf die Bauplattform,
      • eine Prozessgasdüse zum Einbringen von Prozessgas in die Prozesskammer, mindestens eine Laserquelle zum Aussenden von Laser auf die Pulverschicht und eine Ventilbaugruppe zum Wahlweisen Zuführen von Prozessgas zu der Prozessgasdüse, wobei die Ventilbaugruppe mindestens einen ersten Ventilweg und einen zweiten Ventilweg aufweist, wobei die Ventilbaugruppe mit einer ersten Prozessgasquelle und mit einer zweiten Prozessgasquelle verbindbar ist, wobei der erste Ventilweg und der zweite Ventilweg derart getrennt voneinander ansteuerbar sind, dass wahlweise ein erstes Prozessgas von der ersten Prozessgasquelle und/oder ein zweites Prozessgas von der zweiten Prozessgasquelle in die Prozesskammer mittels der Prozessgasdüse einbringbar ist.
    • Ausführungsform 24: Vorrichtung nach Ausführungsform 23, weiterhin umfassend eine Steuerungsvorrichtung zum automatischen Steuern der Ventilbaugruppe basierend auf numerischen Daten, die die geometrische Form des herzustellenden Bauteils definieren.
    • Ausführungsform 25: Vorrichtung nach Ausführungsform 23 oder 24, weiterhin umfassend einen Druckkopf zum Aufbringen oder Einbringen eines Legierungselements, insbesondere in Form einer Suspension, auf oder in die Pulverschicht auf der Bauplattform.
    • Ausführungsform 26: Vorrichtung nach Ausführungsform 25, weiterhin umfassend einen Aktor, wobei der Aktor zum gemeinsamen Bewegen der Aufbringungsvorrichtung und des Druckkopfs ausgebildet ist.
    • Ausführungsform 27: Verwendung einer Vorrichtung nach einer der Ausführungsformen 23 bis 26 zum Durchführen eines Verfahrens nach einer der Ausführungsformen 1 bis 22.
    • Ausführungsform 28: Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers, umfassend die Schritte:
      1. (a) Bereitstellen eines Metallpulvers,
      2. (b) Aufbringen einer Pulverschicht des Metallpulvers auf eine Bauplattform einer Prozesskammer,
      3. (c) Aufbringen auf oder Einbringen mindestens eines Legierungselementes, insbesondere in Form einer Suspension, auf oder in die aufgebrachte Pulverschicht in mindestens einem ausgewählten Bereich, und
      4. (d) Aufschmelzen der aufgebrachten Pulverschicht mittels eines Lasers.
    • Ausführungsform 29: Verfahren nach Ausführungsform 28, wobei das Legierungselement mittels eines Druckkopfs aufgebracht oder eingebracht wird.
    • Ausführungsform 30: Verfahren nach Ausführungsform 29, wobei die Pulverschicht mittels einer Aufbringungsvorrichtung, insbesondere ein Rakel, auf die Bauplattform aufgebracht wird, wobei die Aufbringungsvorrichtung und der Druckkopf von einem gemeinsamen Aktor bewegt werden.
    • Ausführungsform 31: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 28 bis 30, weiterhin umfassend:
      • - Einbringen eines ersten Prozessgases in die Prozesskammer,
      • - Aufschmelzen eines ersten ausgewählten Bereichs der aufgebrachten Pulverschicht mittels eines Lasers in einer ersten Atmosphäre, die das erste Prozessgas aufweist,
      • - Einbringen eines zweiten Prozessgases in die Prozesskammer, wobei sich das zweite Prozessgas mindestens hinsichtlich seiner Zusammensetzung und/oder seinem Druck von dem ersten Prozessgas unterscheidet, und
      • - Aufschmelzen eines zweiten ausgewählten Bereichs der aufgebrachten Pulverschicht mittels des Lasers in einer zweiten Atmosphäre, die das zweite Prozessgas aufweist, wobei sich der zweite ausgewählte Bereich von dem ersten ausgewählten Bereich unterscheidet.
    • Ausführungsform 32: Verfahren nach Ausführungsform 31, weiterhin umfassend Aufschmelzen derart, dass der erste ausgewählte Bereich und oder der zweite ausgewählte Bereich bei einem nachfolgenden Abkühlen eine feste Verbindung eingeht.
    • Ausführungsform 33: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 28 bis 32, wobei das Metallpulver eine Metalllegierung, insbesondere Aluminiumlegierung, ist.
    • Ausführungsform 34: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 28 bis 33, wobei das Metallpulver zusammengesetzt ist aus mindestens 55% Fe, insbesondere mindestens 75% Fe, höchstens 99% Fe, insbesondere höchstens 80% Fe, bevorzugt mindestens 1% Ni, insbesondere mindestens 10% Ni und höchstens 24% Ni, bevorzugt mindestens 1% Cr, insbesondere mindestens 8% Cr und höchstens 35% Cr, sowie mindestens ein zusätzliches Legierungselement ausgewählt aus der Gruppe bestehend C, Mo, Mn, Cu, W, V, Si, Ta, Nb und Ti.
    • Ausführungsform 35: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 31 bis 34, wobei das erste Prozessgas und/oder das zweite Prozessgas mindestens ein Gas aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Argon, Helium, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan, Propan, Wasserstoff und Sauerstoff.
    • Ausführungsform 36: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 31 bis 35 wobei das erste Prozessgas und das zweite Prozessgas Wasserstoff aufweisen, wobei die Konzentration an Wasserstoff des ersten Prozessgases höher als die Konzentration an Wasserstoff des zweiten Prozessgases ist.
    • Ausführungsform 37: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 28 bis 36, wobei während des Aufschmelzens ein Druck in der Prozesskammer variiert wird.
    • Ausführungsform 38: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 28 bis 37, weiterhin umfassend zumindest teilweises Wärmebehandeln der aufgebrachten Schicht während des Aufschmelzens.
    • Ausführungsform 39: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 28 bis 38, weiterhin umfassend zumindest teilweises Wärmebehandeln der aufgebrachten Schicht nach dem Aufschmelzen.
    • Ausführungsform 40: Verfahren nach Ausführungsform 38 oder 39, wobei das Wärmebehandeln Aufschmelzen, Sintern, Glühen, Diffusions- oder Effusionsbehandeln umfasst
    • Ausführungsform 41: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 38 bis 40, wobei das Wärmebehandeln mittels eines defokussierten Lasers erfolgt.
    • Ausführungsform 42: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 31 bis 41, wobei das erste Prozessgas und/oder das zweite Prozessgas derart in die Prozesskammer eingebracht werden, dass ein laminarer Gasstrom oberhalb der aufgebrachten Pulverschicht erzeugt wird.
    • Ausführungsform 43: Verfahren nach Ausführungsform 42, weiterhin umfassend Anordnen einer Glasplatte in einem vorbestimmten Abstand zu der aufgebrachten Pulverschicht, wobei der vorbestimmte Abstand in einem Bereich von 0,5 mm bis 20,0 cm und bevorzugt von 1,0 cm bis 10,0 cm ist.
    • Ausführungsform 44: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 28 bis 43, wobei der Laser bei der thermischen Behandlung oszilliert.
    • Ausführungsform 45: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 28 bis 44, wobei das Aufschmelzen derart durchgeführt wird, dass der ausgewählte Bereich zumindest teilweise wieder aufgeschmolzen wird.
    • Ausführungsform 46: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 28 bis 45, wobei eine Leistung und/oder ein Fokus des Lasers während des Aufschmelzens variiert werden.
    • Ausführungsform 47: Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers offenbart, wobei die Vorrichtung umfasst:
      • eine Prozesskammer mit einer Bauplattform,
      • eine Aufbringungsvorrichtung, insbesondere einen Rakel, zum Aufbringen einer Pulverschicht eines Metallpulvers auf die Bauplattform,
      • einen Druckkopf zum Aufbringen oder Einbringen eines Legierungselements, insbesondere in Form einer Suspension, auf oder in die Pulverschicht auf der Bauplattform, und mindestens eine Laserquelle zum Aussenden von Laser auf die Pulverschicht.
    • Ausführungsform 48: Vorrichtung nach Ausführungsform 47, weiterhin umfassen einen Aktor, wobei der Aktor zum gemeinsamen Bewegen der Aufbringungsvorrichtung und des Druckkopfs ausgebildet ist.
    • Ausführungsform 49: Vorrichtung nach einer der Ausführungsformen 47 bis 48, weiterhin umfassend eine Prozessgasdüse zum Einbringen von Prozessgas in die Prozesskammer.
    • Ausführungsform 50: Vorrichtung nach Ausführungsform 49, weiterhin umfassend eine Ventilbaugruppe zum Wahlweisen Zuführen von Prozessgas zu der Prozessgasdüse, wobei die Ventilbaugruppe mindestens einen ersten Ventilweg und einen zweiten Ventilweg aufweist, wobei die Ventilbaugruppe mit einer ersten Prozessgasquelle und mit einer zweiten Prozessgasquelle verbindbar ist, wobei der erste Ventilweg und der zweite Ventilweg derart getrennt voneinander ansteuerbar sind, dass wahlweise ein erstes Prozessgas von der ersten Prozessgasquelle und/oder ein zweites Prozessgas von der zweiten Prozessgasquelle in die Prozesskammer mittels der Prozessgasdüse einbringbar ist.
    • Ausführungsform 51: Vorrichtung nach Ausführungsform 50, weiterhin umfassend eine Steuerungsvorrichtung zum automatischen Steuern der Ventilbaugruppe basierend auf numerischen Daten, die die geometrische Form des herzustellenden Bauteils definieren.
  • Figurenliste
  • Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
  • Es zeigen:
    • 1A bis 1D eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers in verschiedenen Schritte eines Verfahrens zum Herstellen des Bauteils,
    • 2 ein Schaeffler-Diagramm für Chrom-Nickel-Stähle,
    • 3A und 3B jeweils einen vergrößerten Ausschnitt eines Bauteils mit unterschiedlichen Gefügen, und
    • 4 eine weitere Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die 1A bis 1D zeigen eine Vorrichtung 10 zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers in verschiedenen Schritten eines Verfahrens zum Herstellen des Bauteils. Die Vorrichtung 10 weist eine Prozesskammer 12 mit einer Bauplattform14, eine Aufbringungsvorrichtung 16 zum Aufbringen einer Pulverschicht 18 eines Metallpulvers auf die Bauplattform 14, eine Prozessgasdüse 20 zum Einbringen von Prozessgas in die Prozesskammer 12, mindestens eine Laserquelle 22 zum Aussenden von Laser auf die Pulverschicht 18 und eine Ventilbaugruppe 24 zum Wahlweisen Zuführen von Prozessgas zu der Prozessgasdüse 20 auf. Die Ventilbaugruppe 24 weist mindestens einen ersten Ventilweg 26 und einen zweiten Ventilweg 28 auf. Die Ventilbaugruppe 24 ist mit einer ersten Prozessgasquelle 30 und mit einer zweiten Prozessgasquelle 32 verbindbar. Der erste Ventilweg 26 und der zweite Ventilweg 28 sind derart getrennt voneinander ansteuerbar, dass wahlweise ein erstes Prozessgas von der ersten Prozessgasquelle 30 und/oder ein zweites Prozessgas von der zweiten Prozessgasquelle 32 in die Prozesskammer mittels der Prozessgasdüse 20 einbringbar ist. Die Aufbringungsvorrichtung 16 ist bei der gezeigten Ausführungsform eine Rakel. Die Vorrichtung 10 weist weiterhin eine Steuerungsvorrichtung 34 auf. Die Steuerungsvorrichtung 34 ist zum automatischen Steuern der Ventilbaugruppe 24 ausgebildet. Die Ansteuerung erfolgt dabei basierend auf numerischen Daten, die die geometrische Form des herzustellenden Bauteils definieren. Entsprechend erlaubt die Steuerungsvorrichtung 34 eine Zuführung des ersten Prozessgases von der ersten Prozessgasquelle 30 über den ersten Ventilweg 26 in die Prozesskammer 12, eine Zuführung des zweiten Prozessgases von der zweiten Prozessgasquelle 32 über den zweiten Ventilweg 28 in die Prozesskammer 12 oder eine Zuführung einer Mischung des ersten Prozessgases und des zweiten Prozessgases. Es wird explizit betont, dass die Ventilbaugruppe 24 weitere Ventilwege aufweisen kann und mit weiteren Prozessgasquellen verbunden sein kann, so dass auch Mischungen von drei oder mehr Prozessgasen in die Prozesskammer 12 zuführbar sind. Das erste Prozessgas und/oder das zweite Prozessgas weist mindestens ein Gas auf ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Argon, Helium, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan, Propan, Wasserstoff und Sauerstoff. Beispielsweise weisen das erste Prozessgas und das zweite Prozessgas Wasserstoff auf, wobei die Konzentration an Wasserstoff des ersten Prozessgases höher als die Konzentration an Wasserstoff des zweiten Prozessgases ist.
  • Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Steuerungsvorrichtung 34 weiterhin zum Steuern der Laserquelle 22, der Bauplattform 14 und der Aufbringungsvorrichtung 16 ausgebildet.
  • Nachstehend wird das Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers anhand der 1A bis 1D ausführlich beschrieben. Zunächst wird das Metallpulver bereitgestellt. Das Metallpulver kann beispielsweise in einem nicht näher gezeigten Pulvervorrat der Vorrichtung 10 bereitgestellt werden. Das Metallpulver ist bevorzugt eine Metalllegierung. Das Metallpulver kann beispielsweise zusammengesetzt sein aus mindestens 55% Fe, insbesondere mindestens 75% Fe, höchstens 99% Fe, insbesondere höchstens 80% Fe, bevorzugt mindestens 1% Ni, insbesondere mindestens 10% Ni und höchstens 24% Ni, bevorzugt mindestens 1% Cr, insbesondere mindestens 8% Cr und höchstens 35% Cr, sowie mindestens ein zusätzliches Legierungselement ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus C, Mo, Mn, Cu, W, V, Si, Ta, Nb und Ti. Alternativ kann das Metallpulver eine Aluminiumlegierung sein. Auf die Bauplattform 14 wird eine Pulverschicht 18 des Metallpulvers mittels der Aufbringungsvorrichtung 16 aufgebracht. Wie in 1A gezeigt wird in die Prozesskammer 12 das erste Prozessgas eingebracht. Insbesondere wird die Prozesskammer 12 mit dem ersten Prozessgas geflutet. Zu diesem Zweck steuert die Steuerungsvorrichtung 34 die Ventilbaugruppe 24 derart an, dass der erste Ventilweg 26 geöffnet wird und das erste Prozessgas aus der ersten Prozessgasquelle 30 in die Prozesskammer 12 einströmen kann.
  • Wie in 1B gezeigt erfolgt nachfolgend ein Aufschmelzen eines ersten ausgewählten Bereichs 36 der aufgebrachten Pulverschicht 18 mittels eines von der Laserquelle 22 auf den ersten ausgewählten Bereichs 36 ausgesendeten Lasers in einer ersten Atmosphäre, die das erste Prozessgas aufweist. Lediglich beispielhaft befindet sich der erste ausgewählte Bereich in der Mitte der Pulverschicht 18. Die Steuerungsvorrichtung 34 steuert dabei die Laserquelle 22 hinsichtlich der Position des Lasers, der Leistung des Lasers usw. basierend auf den geometrischen Daten für das herzustellende Bauteil sowie des gewünschten Gefüges in dem ersten ausgewählten Bereich 36. Das Aufschmelzen erfolgt insbesondere derart, dass der erste ausgewählte Bereich 36 bei einem nachfolgenden Abkühlen eine feste Verbindung eingeht. Da die Pulverschicht 18 unmittelbar auf der Bauplattform 14 angeordnet ist, wird diese feste Verbindung mit der Baupattform 14 eingegangen. Das Aufschmelzen kann derart durchgeführt werden, dass der erste ausgewählte Bereich nach einem nachfolgenden Abkühlen eine erste metallurgische Struktur aufweist.
  • Wie in 1C gezeigt wird nachfolgend in die Prozesskammer 12 das zweite Prozessgas eingebracht. Insbesondere wird die Prozesskammer 12 mit dem zweiten Prozessgas geflutet. Zu diesem Zweck steuert die Steuerungsvorrichtung 34 die Ventilbaugruppe 24 derart an, dass der zweite Ventilweg 28 geöffnet wird und das zweite Prozessgas aus der zweiten Prozessgasquelle 32 in die Prozesskammer 12 einströmen kann. Das zweite Prozessgas unterscheidet sich mindestens hinsichtlich seiner Zusammensetzung und/oder seinem Druck von dem ersten Prozessgas.
  • Wie in 1D gezeigt erfolgt nachfolgend ein Aufschmelzen eines zweiten ausgewählten Bereichs 38 der aufgebrachten Pulverschicht 18 mittels eines von der Laserquelle 22 auf den zweiten ausgewählten Bereichs 38 ausgesendeten Lasers in einer zweiten Atmosphäre, die das zweite Prozessgas aufweist. Der zweite ausgewählte Bereich 38 unterscheidet sich von dem ersten ausgewählten Bereich 36. Beispielsweise umgibt der zweite ausgewählte Bereich 38 den ersten ausgewählten Bereich 36. Die Steuerungsvorrichtung 34 steuert dabei die Laserquelle 22 hinsichtlich der Position des Lasers, der Leistung des Lasers usw. basierend auf den geometrischen Daten für das herzustellende Bauteil sowie des gewünschten Gefüges in dem zweiten ausgewählten Bereich 38. Das Aufschmelzen erfolgt insbesondere derart, dass der zweite ausgewählte Bereich 38 bei einem nachfolgenden Abkühlen eine feste Verbindung eingeht. Da die Pulverschicht 18 unmittelbar auf der Bauplattform 14 angeordnet ist, wird diese feste Verbindung mit der Baupattform 14 eingegangen. Das Aufschmelzen kann derart durchgeführt werden kann, dass der zweite ausgewählte Bereich nach einem nachfolgenden Abkühlen eine zweite metallurgische Struktur aufweist, wobei sich die zweite metallurgische Struktur von der ersten metallurgischen Struktur unterscheidet.
  • Nachfolgend senkt die Steuerungsvorrichtung 34 die Bauplattform 14 um eine vorbestimmte Distanz ab, die der Höhe einer nachfolgend aufzubringenden weiteren Pulverschicht 18 entspricht. Auch bei dieser weiteren Pulverschicht 18 erfolgt das Einbringen des ersten Prozessgases sowie das Aufschmelzen eines ersten ausgewählten Bereichs der weiteren Pulverschicht, und/oder das Einbringen des zweiten Prozessgases sowie das Aufschmelzen eines zweiten ausgewählten Bereichs der Pulverschicht. Diese Schritte können je nach Bedarf wiederholt werden bis das Bauteil schichtweise fertig hergestellt ist. Dabei geht bei einem nachfolgenden Abkühlen jede weitere aufgeschmolzene Schicht bzw. Bereiche davon eine feste Verbindung mit der unmittelbar darunter befindlichen Schicht ein.
  • Da das als Schutzgas eingesetzte Prozessgas einen Einfluss auf die Phasenumwandlung einer Metalllegierung hat, jedoch nicht oder nicht signifikant mit dem Metallpulver oder dem erstarrten Bauteil wechselwirkt, wird das Prozessgas innerhalb eines Baujobs, vorzugsweise innerhalb einer Bauebene gewechselt, um in unterschiedlichen Bereichen des Baujobs bzw. der Bauebene unterschiedliche Eigenschaften zu erzielen.
  • Sinnvollerweise werden selektiv aufzuschmelzende Bereiche bzw. Scanvektoren auf einer Bauebene mit derselben Solleigenschaft zusammengefasst mittels des Lasers belichtet, da der Prozessgaswechsel länger dauert als ein Wechsel von einer Scanposition zur nächsten.
  • Neben dem Einsatz von diskreten Prozessgasen können diese auch mit sich ändernder Zusammensetzung kontinuierlich gemischt werden. Hierdurch lassen sich z.B. gradierte Werkstoffe herstellen. Insbesondere können Stähle durch Verwendung von kohlenstoffabgebenden Prozessgasen aufgekohlt werden und der Austenitanteil durch Sickstoff oder stickstoffhaltige Atmosphäre im Gegensatz zu rein inerten Prozessgasen gesteigert werden. Durch einen geringen Anteil an Sauerstoff im Prozessgas (wenige Prozent) kann der Anteil des Kohlenstoffs durch Oxidation verringert werden. Durch Einsatz von wasserstoffhaltiger Atmosphäre kann insbesondere bei Aluminium je nach Wasserstoffgehalt gezielt eine Porosität im Werkstoff erzeugt werden. Dies basiert darauf, dass die Löslichkeit von Wasserstoff in Aluminium im flüssigen Zustand deutlich höher ist als im festen Zustand. Bei der Erstarrung scheidet sich der nicht mehr lösliche Wasserstoff in Form von kleinen Poren aus. Je nach ursprünglichem Partialdruck an Wasserstoff in der Prozessgas-Atmosphäre bzw. gelöst in der Aluminiumschmelze kommt es zur Bildung von großen oder kleinen bzw. gar keinen Poren.
  • Das Verfahren kann wie folgt modifiziert werden.
  • Während des Aufschmelzens des ersten ausgewählten Bereichs und/oder des zweiten ausgewählten Bereichs kann ein Druck in der Prozesskammer variiert werden. Während des Aufschmelzens des ersten ausgewählten Bereichs und/oder des zweiten ausgewählten Bereichs kann zumindest teilweise ein Wärmebehandeln der aufgebrachten Schicht erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren weiterhin zumindest teilweises Wärmebehandeln der aufgebrachten Schicht nach dem des ersten ausgewählten Bereichs und/oder des zweiten ausgewählten Bereichs umfassen. Das Wärmebehandeln kann beispielsweise mittels eines defokussierten Lasers erfolgen. Das erste Prozessgas und/oder das zweite Prozessgas können derart in die Prozesskammer eingebracht werden, dass ein laminarer Gasstrom oberhalb der aufgebrachten Pulverschicht erzeugt wird. Weiterhin kann eine Glasplatte in einem vorbestimmten Abstand zu der aufgebrachten Pulverschicht angeordnet werden, wobei der vorbestimmte Abstand in einem Bereich von 0,5 mm bis 20,0 cm und bevorzugt von 1,0 cm bis 10,0 cm ist. Der Laser kann während des Aufschmelzens des ersten ausgewählten Bereichs und/oder des zweiten ausgewählten Bereichs oszillieren. Das Aufschmelzen des ersten ausgewählten Bereichs und/oder des zweiten ausgewählten Bereichs kann derart durchgeführt werden, dass der erste ausgewählte Bereich und/oder der zweite ausgewählte Bereich zumindest teilweise wieder aufgeschmolzen werden. Eine Leistung und/oder ein Fokus des Lasers kann während des Aufschmelzens des ersten ausgewählten Bereichs und/oder des zweiten ausgewählten Bereichs variiert werden.
  • 2 zeigt ein Schaeffler-Diagramm für Chrom-Nickel-Stähle. Die Chromäquivalente bilden die Abszisse und die Nickeläquivalente bilden die Ordinate des Diagramms. Mittels des Diagramms lassen sich für Stähle und Gusseisen Punkte im Diagramm darstellen. Das Nickeläquivalent wird errechnet aus den Massenanteilen der Legierungselemente, die bei Eisen dazu führen, dass Austenit im Gefüge enthalten ist. Das Chromäquivalent steht für die Wirksamkeit der ferritbildenden Elemente. Das Schäfflerdiagramm ist aufgeteilt in unterschiedliche Bereiche, die das vorliegende Gefüge darstellen. Für jeden Werkstoff lässt sich ein Punkt im Schaefflerdiagramm einzeichnen. Je nach Lage des Punktes kann man unter anderem so Rückschlüsse auf das vorliegende Gefüge gewinnen. Die Bereiche der Gefüge sind Austenit (A), Martensit (M), Ferrit (F) sowie Übergangsbereiche dieser Gefüge angegeben durch (F+M), (A+M), (M+F) (A+M+F) und (A+F).
  • Das in 2 gezeigte Schaeffler-Diagramm verdeutlicht für Stahlwerkstoffe, d.h. Chrom-Nickel-Stähle, den Einfluss verschiedener Legierungselemente auf die Gefügeausbildung bei schweißtypischen Abkühlbedingungen. Ursprünglich wurde das Schaeffler-Diagramm entwickelt, um eine Auswahl von Schweißelektroden für verschiedene zu schweißende Werkstoffe treffen zu können. Das Schaeffler-Diagramm ermöglicht eine Einschätzung der Auswirkungen verschiedener Schweißzusatzstoffe auf das sich ausbildende Gefüge beim Schweißen. Verschiedene Legierungselemente mit ähnlichem Einfluss auf die Austenitbildung, wie beispielsweise Ni, C, N, Mn, und auf die Ausbildung eines ferritischen Gefüges, wie beispielsweise Cr, Mo, Si, Ta, Nb, Ti, sind in dem Schaeffler-Diagramm als Nickeläquivalent bzw. Chromäquivalent zusammengefasst. Beispielsweise kann eine Erhöhung des Nickeläquivalents um 8% eine Entstehung von Martensit unterdrücken und eine Ausbildung von bei Raumtemperatur stabilem Austenit unterstützen, wie durch den Pfeil 40 erkennbar ist. Eine Erhöhung des Chromäquivalents um 6% kann ebenfalls eine Entstehung von Martensit verhindern und dagegen die Ausbildung eines ferritische Gefüges bewirken, wie durch den Pfeil 42 erkennbar ist.
  • Der starke Einfluss von Stickstoff auf das Nickeläquivalent zeigt sich im Schaeffler-Diagramm durch den Faktor 7,5. Andere aus dem Stand der Technik bekannte Diagramme, wie beispielsweise das DeLong-Diagramm, geben für den Einfluss von Stickstoff sogar einen Faktor von 30 an. Das bedeutet, dass für die oben beschriebene Verschiebung entlang des Pfeils 40 der Stickstoffanteil in einer Legierung nur um einen Anteil von weniger als 1 % erhöht werden muss.
  • Damit das entstehende Gefüge einer Legierung durch eine geringe Änderung von Nickel- bzw. Chrom-Äquivalent maßgeblich verändert werden kann, ist es notwendig, dass die Legierungszusammensetzung des Ausgangspulvers nahe eines Grenzbereichs im Schaeffler-Diagramm liegt. Dies wird durch die eingezeichneten Legierungen entlang der Pfeile 40 und 42 im Schaeffler-Diagramm verdeutlicht. Zur Erreichung einer bestimmten Legierungszusammensetzung können dabei verschiedene Methoden eingesetzt werden. Einerseits kann direkt ein Grundwerkstoff mit der gewünschten Legierungszusammensetzung verdüst werden. Andererseits können vorverdüste Pulver verschiedener Legierungen gemischt bzw. mit bestimmten Elementarpulvern erweitert werden. Hierbei ist jedoch auf eine ausreichende Vermischung der Pulver zu achten, um eine gleichmäßige chemische Zusammensetzung innerhalb eines Baujobs zu erreichen.
  • 3A und 3B zeigen jeweils einen vergrößerten Ausschnitt eines Bauteils mit unterschiedlichen Gefügen. In 3A ist das Bauteil mit einem ferritischen Kern 44 und einer den Kern 44 umgebenden austenitischen Ummantelung 46 bzw. Oberfläche gezeigt. In 3B ist das Bauteil mit einem ferritischen Kern 44 und einer den Kern umgebenden martensitischen Ummantelung 48 bzw. Oberfläche gezeigt. In den 3A und 3B ist gezeigt, wie verschiedene Gefügebereiche zur Einstellung bestimmter Bauteileigenschaften genutzt werden können. Beispielsweise kann der ferritische Kern 44 eines Bauteils zur Erreichung einer hohen Festigkeit insbesondere bei statischer mechanischer Beanspruchung dienen. Ist eine Beständigkeit gegen Medieneinfluss notwendig, kann dies durch die Einstellung eines austenitischen Gefüges an der Oberfläche erfolgen. Als Schutz gegen Abrasion oder zur Erzielung von Druckeigenspannungen in der Oberfläche kann eine Ausbildung des Härtegefüges Martensit gewünscht sein. Druckeigenspannungen stellen eine Möglichkeit zur Verbesserung der Dauerfestigkeit für Bauteile unter zyklischer Beanspruchung dar. Außerdem können durch eine gezielte Einstellung eines DP-Stahls (Dualphasenstahl) mit ferritischer Grundmatrix und inselförmig verteilten festigkeitssteigernden martensitischen Bereichen spezielle Eigenschaften des Werkstoffs erreicht werden.
  • 4 zeigt eine weitere Vorrichtung 10 zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der in den 1A bis 1D gezeigten Vorrichtung beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die weitere Vorrichtung 10 der 4 weist einen Druckkopf 50 zum Aufbringen oder Einbringen eines Legierungselements auf oder in die Pulverschicht 18 auf der Bauplattform auf. Das Legierungselement kann insbesondere in Form einer Suspension auf oder in die Pulverschicht 18 auf- bzw. eingebracht werden. Die weitere Vorrichtung kann weiterhin einen Aktor 52 umfassen, der zum gemeinsamen Bewegen der Aufbringungsvorrichtung 16 und des Druckkopfs 50 ausgebildet ist.
  • Mit der Vorrichtung 10 der 4 lässt sich das offenbarte Verfahren derart gestalten, dass ein Metallpulver bereitgestellt wird, eine Pulverschicht 18 des Metallpulvers auf die Bauplattform 14 aufgebracht wird und zusätzlich zu der Pulverschicht 18 mindestens eines Legierungselementes, insbesondere in Form einer Suspension, auf oder in die aufgebrachte Pulverschicht in mindestens einem ausgewählten Bereich 54 auf- bzw. eingebracht wird. Anschließend wird die aufgebrachte Pulverschicht 18 mittels des Lasers aufgeschmolzen. Diese Schritte können mehrfach wiederholt werden. Es wird explizit betont, dass sich die in 4 gezeigte Vorrichtung getrennt oder in Kombination mit der in den 1A bis 1D gezeigten Vorrichtung realisieren lässt. Ebenso wird explizit betont, dass sich das im Zusammenhang mit den 1A bis 1D beschriebene Verfahren inklusive der Modifikationen mit dem im Zusammenhang mit 4 beschriebenen Verfahren kombiniert oder separat davon durchführen lässt.
  • Sowohl für das im Zusammenhang mit den 1A bis 1D beschriebene Verfahren als auch das dem im Zusammenhang mit 4 beschriebenen Verfahren gelten die nachstehenden Erläuterungen gleichermaßen.
  • Durch Wechsel des Prozessgases wird die chemische Zusammensetzung des Werkstoffs räumlich begrenzt insbesondere um folgende Anteile verändert. Eine Erhöhung des Kohlenstoffanteils um bis zu 1,0%, insbesondere 0,2%, weiter insbesondere 0,08% und noch weiter insbesondere 0,03% kann durch CO2 oder CO realisiert werden. Zur Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes können insbesondere Prozessgase mit einem CO2-Anteil von 100% bis zu 20% oder insbesondere bis zu 5% und insbesondere bei hochlegierten Stählen bis zu 2% verwendet werden, um die gewünschte Wirkung einzustellen.
  • Eine Verringerung des Kohlenstoffgehaltes ist durch sauerstoffhaltige Prozessgase mit einem Sauerstoffgehalt von bis zu 15% insbesondere einem Sauerstoffgehalt von bis zu 5% insbesondere einem Sauerstoffgehalt von 2% möglich. Die Reduktion des Kohlenstoffanteils beträgt hierbei insbesondere bis zu 70% insbesondere bis zu 30% des Ausgangsgehaltes.
  • Auch Stickoxide NOx können als Prozessgase eingesetzt werden. Hierdurch kann gleichzeitig der Stickstoffgehalt gesteigert und der Kohlenstoffgehalt reduziert werden. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn die Härtbarkeit und die maximal erreichbare Härte beeinflusst werden sollen.
  • Eine Erhöhung des Stickstoffgehaltes kann sowohl durch technisch reinen Stickstoff als auch durch Mischungen von Stickstoff mit inerten Gasen, wie beispielsweise Helium, Argon, oder anderen aktiven Gasen, wie beispielsweise CO2, CO, erfolgen. Hierbei kann der Stickstoffanteil ggf. bis zu 100% vorzugsweise bis zu 20% insbesondere bis zu 2% betragen.
  • Der Stickstoffanteil im Werkstoff ändert sich hierbei vorzugsweise um bis zu 0,6%, insbesondere bis zu 0,2% insbesondere bis zu 0,05%, minimal um 0,01%, insbesondere minimal um 0,03% und insbesondere 0,08%.
  • Nicht alle Legierungselemente sind sinnvoll in einen gasförmigen Zustand überführbar bzw. als solches nicht im Prozess nutzbar. Zur Veränderung der chemischen Zusammensetzung durch solche Elemente können wie oben beschrieben auch Legierungselemente in festem Zustand zugesetzt werden. Zur besseren Dosierbarkeit der Legierungselemente im Druckkopf können diese insbesondere als Suspension gedruckt werden. Die hierbei eingesetzten Werkstoffe sind insbesondere Chrom, Silizium, Molybdän und Titan sowie ggf. Kohlenstoff z.B. in Form von Graphit. Ggf. sind auch chemische Verbindungen mit diesen Elementen wie z.B. Oxide, Carbide oder Nitride aufbringbar, ggf. auch als Lösung.
  • Die Pulver, die mit einem Druckkopf, insbesondere in Form einer Suspension, aufgebracht werden, haben eine Partikelgröße, die weit unter der Größe der mit dem Rakel aufgebrachten Werkstoffpartikel, die eine Größe von ca. 10-100 µm haben, liegt. Die Größe der durch den Druckkopf aufgebrachten Partikel liegt insbesondere in der Größenordnung von unter 10 µm, insbesondere unter 3 µm und weiter insbesondere unter 1 µm.
  • Die Anteile an den genannten Legierungselementen, die mit dem Druckkopf aufgetragen werden, betragen im Verhältnis zur Masse des durch die Rakel aufgetragenen Werkstoffe nur bis zu maximal 20%, insbesondere maximal 7% und weiter insbesondere bis maximal 2%.
  • Ausgangswerkstoffe auf Eisenbasis sind insbesondere entsprechend zusammengesetzt: Mindestens 55%, insbesondere mindestens 75%, höchstens 99%, insbesondere höchstens 80% Eisen.
    Vorzugsweise mindestens 1%, insbesondere mindestens 10% und höchstens 24% Nickel. Vorzugsweise mindestens 1% Chrom, insbesondere mindestens 8% Chrom und maximal 35% Chrom.
  • Zusätzliche Legierungselemente sind üblicherweise: Kohlenstoff, Molybdän, Mangan, Kupfer, Wolfram, Vanadium, Silizium, Tantal, Niob und Titan.
  • Die Elemente Stickstoff und ggf. Kohlenstoff können einerseits im Ausgangswerkstoff stark reduziert sein, um eine große Veränderung der Gefüge-Eigenschaften durch Zugabe dieser Elemente im SLM-Prozess (SLM - Selective Laser Melting = selektives Laserschmelzen) zu erzielen. Der Stickstoffanteil und der Kohlenstoffanteil können auf 0,1%, insbesondere 0,04%, weiter insbesondere auf bis zu 0,01 % beschränkt werden. Andererseits können bereits höhere Stickstoff- und Kohlenstoffgehalte von z.B. 0,2% im Ausgangswerkstoff genutzt werden und diese dann im Prozess lokal reduziert werden.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Metallpulvers, (b) Aufbringen einer Pulverschicht (18) des Metallpulvers auf eine Bauplattform (14) einer Prozesskammer (12), (c) Einbringen eines ersten Prozessgases in die Prozesskammer (12), (d) Aufschmelzen eines ersten ausgewählten Bereichs (36) der aufgebrachten Pulverschicht (18) mittels eines Lasers in einer ersten Atmosphäre, die das erste Prozessgas aufweist, (e) Einbringen eines zweiten Prozessgases in die Prozesskammer (12), wobei sich das zweite Prozessgas mindestens hinsichtlich seiner Zusammensetzung und/oder seinem Druck von dem ersten Prozessgas unterscheidet, und (f) Aufschmelzen eines zweiten ausgewählten Bereichs (38) der aufgebrachten Pulverschicht (18) mittels des Lasers in einer zweiten Atmosphäre, die das zweite Prozessgas aufweist, wobei sich der zweite ausgewählte Bereich (38) von dem ersten ausgewählten Bereich (36) unterscheidet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend Wiederholen, insbesondere mehrfaches Wiederholen, zumindest der Schritte (a) bis (d) und/oder Wiederholen, insbesondere mehrfaches Wiederholen, der Schritte (e) und (f).
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Metallpulver eine Metalllegierung, insbesondere Aluminiumlegierung, ist oder das Metallpulver zusammengesetzt ist aus mindestens 55% Fe, insbesondere mindestens 75% Fe, höchstens 99% Fe, insbesondere höchstens 80% Fe, bevorzugt mindestens 1% Ni, insbesondere mindestens 10% Ni und höchstens 24% Ni, bevorzugt mindestens 1% Cr, insbesondere mindestens 8% Cr und höchstens 35% Cr, sowie mindestens ein zusätzliches Legierungselement ausgewählt aus der Gruppe bestehend C, Mo, Mn, Cu, W, V, Si, Ta, Nb und Ti.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Prozessgas und/oder das zweite Prozessgas mindestens ein Gas aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Argon, Helium, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan, Propan, Wasserstoff und Sauerstoff.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste Prozessgas und das zweite Prozessgas Wasserstoff aufweisen, wobei die Konzentration an Wasserstoff des ersten Prozessgases höher als die Konzentration an Wasserstoff des zweiten Prozessgases ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei während des Aufschmelzens in Schritt (d) und/oder in Schritt (f) ein Druck in der Prozesskammer (12) variiert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend zumindest teilweises Wärmebehandeln der aufgebrachten Schicht während des Aufschmelzens in Schritt (d) und/oder in Schritt (f) und/oder zumindest teilweises Wärmebehandeln der aufgebrachten Schicht nach dem Aufschmelzen in Schritt (d) und/oder in Schritt (f), wobei das Wärmebehandeln Aufschmelzen, Sintern, Glühen, Spannungsarm-, Diffusions- oder Effusionsglühen umfasst, wobei das Wärmebehandeln bevorzugt mittels eines defokussierten Lasers erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin umfassend Anordnen einer Glasplatte in einem vorbestimmten Abstand zu der aufgebrachten Pulverschicht (18), wobei der vorbestimmte Abstand in einem Bereich von 0,5 mm bis 20,0 cm und bevorzugt von 1,0 cm bis 10,0 cm ist, wobei das erste Prozessgas und/oder das zweite Prozessgas derart in die Prozesskammer (12) eingebracht werden, dass ein laminarer Gasstrom oberhalb der aufgebrachten Pulverschicht (18) erzeugt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Laser während des Aufschmelzens in Schritt (d) und/oder in Schritt (f) oszilliert und/oder eine Leistung und/oder ein Fokus des Lasers während des Aufschmelzens in Schritt (d) und/oder in Schritt (f) variiert werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Aufschmelzen in Schritt (d) derart durchgeführt wird, dass der erste ausgewählte Bereich (36) zumindest teilweise wieder aufgeschmolzen wird, und/oder das Aufschmelzen in Schritt (f) derart durchgeführt wird, dass der zweite ausgewählte Bereich (38) zumindest teilweise wieder aufgeschmolzen wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiterhin umfassend Aufbringen auf oder Einbringen mindestens eines Legierungselementes, insbesondere in Form einer Suspension, in die aufgebrachte Pulverschicht (18) in dem ersten ausgewählten Bereich (36) und/oder in dem zweiten ausgewählten Bereich (38).
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Legierungselement mittels eines Druckkopfs (50) aufgebracht oder eingebracht wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Aufschmelzen in Schritt (d) derart durchgeführt wird, dass der erste ausgewählte Bereich (36) nach einem nachfolgenden Abkühlen eine erste metallurgische Struktur aufweist, wobei das Aufschmelzen in Schritt (f) derart durchgeführt wird, dass der zweite ausgewählte Bereich (38) nach einem nachfolgenden Abkühlen eine zweite metallurgische Struktur aufweist, wobei sich die zweite metallurgische Struktur von der ersten metallurgischen Struktur unterscheidet.
  14. Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung eines Lasers, umfassend: eine Prozesskammer (12) mit einer Bauplattform (14), eine Aufbringungsvorrichtung (16), insbesondere einen Rakel, zum Aufbringen einer Pulverschicht (18) eines Metallpulvers auf die Bauplattform (14), eine Prozessgasdüse (20) zum Einbringen von Prozessgas in die Prozesskammer (12), mindestens eine Laserquelle (22) zum Aussenden von Laser auf die Pulverschicht (18) und eine Ventilbaugruppe (24) zum Wahlweisen Zuführen von Prozessgas zu der Prozessgasdüse (20), wobei die Ventilbaugruppe (24) mindestens einen erste Ventilweg (26) und einen zweiten Ventilweg (28) aufweist, wobei die Ventilbaugruppe (24) mit einer ersten Prozessgasquelle (30) und mit einer zweiten Prozessgasquelle (32) verbindbar ist, wobei der erste Ventilweg (26) und der zweite Ventilweg (28) derart getrennt voneinander ansteuerbar sind, dass wahlweise ein erstes Prozessgas von der ersten Prozessgasquelle (30) und/oder ein zweites Prozessgas von der zweiten Prozessgasquelle (32) in die Prozesskammer (12) mittels der Prozessgasdüse (20) einbringbar ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, weiterhin umfassend eine Steuerungsvorrichtung (34) zum automatischen Steuern der Ventilbaugruppe (24) basierend auf numerischen Daten, die die geometrische Form des herzustellenden Bauteils definieren.
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