DE102020004442A1 - Vorrichtung und Verfahren zum additiven Fertigen von Bauteilen - Google Patents

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Abstract

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen vorgesehen. Diese Vorrichtung umfasst eine Prozesskammer, eine in der Prozesskammer angebrachte Bauplattform, auf der ein Ausgangsmaterial bereitstellbar ist, eine Schutzgaszuführeinrichtung zum Zuführen eines Schutzgases in die Prozesskammer, eine Wärmequelle zum Schmelzen des Ausgangsmaterials und eine Zirkulationseinrichtung zum Zirkulieren des Schutzgases über die Prozesskammer, wobei die Zirkulationseinrichtung eine Kreislaufleitung und eine Pumpe umfasst. Weiterhin zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass eine Reaktivgaszuführeinrichtung vorgesehen ist, um dem Schutzgas ein Reaktivgas oder eine Reaktivgasmischung zuzuführen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum additiven Fertigen von Bauteilen.
  • Mittels generativer Fertigungsverfahren ist es möglich, verschiedenste dreidimensionale Bauteile mit komplexer Geometrie herzustellen, aber auch Vorhandene zu bearbeiten.
  • Der Begriff der additiven Fertigung ist auch bekannt unter den Bezeichnungen generative Fertigung, 3D-Drucken und Rapid-Technologie. Es handelt sich dabei um eine umfassende Bezeichnung für alle Verfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen und so ein dreidimensionales Bauteil erzeugt wird. Das Auftragen der Schichten geschieht dabei computergesteuert und es werden mehrere flüssige oder feste Werkstoffe gemäß vorher festgelegter Maße und Formen kombiniert. Die Maße und Formen werden normalerweise mit einem CAD-Programm entworfen. Der ganze Herstellungsvorgang ist somit ein Zusammenspiel aus physikalischen und chemischen Schmelz- und Härtungsprozessen.
  • Die Werkstoffe, die verarbeitet werden, reichen von Kunststoffen über Harze, bis hin zu Metallen, Keramik und Kohlenstoffverbindungen.
  • In der Industrie und Forschung gewinnt das additive Fertigen immer mehr an Bedeutung. So wird die 3D-Druckmethode gerne zur Fertigung von Modellen, Mustern oder ersten Prototypen verwendet. Es werden aber auch Serienteile auf diese Weise produziert. Daneben gibt es auch Anwendungen im Heim- und Unterhaltungsbereich sowie in der Kunst.
  • Im Vergleich zum konventionellen Gussverfahren, bei dem über einen Schmelzprozess aus dem Rohstoff ein fertiges Teil hergestellt wird, haben die additiven Fertigungsprozesse den Vorteil, dass bisher benötigte Werkzeuge und (Guss-)formen nicht mehr benötigt werden. Weiterhin kann sogar auf Stützstrukturen verzichtet werden, da die Teile durch das Ausgangsmaterial gestützt werden. Dies spart Produkteinführungszeiten und Lagerkosten.
  • Zudem hat man große Geometriefreiheiten, die das Anfertigen von Bauteilen ermöglicht, die mit formgebundenen Verfahren nicht oder nur mit großem Aufwand herstellbar sind. Beispielsweise ist es möglich Teile mit Hinterschneidungen zu erzeugen.
  • Die additiven Fertigungsverfahren sind in die folgenden Kategorien unterteilt: Freistrahl-Bindemittelauftrag, Materialauftrag mit gerichteter Energieeinbringung, Materialextrusion, Freistrahl-Materialauftrag, pulverbettbasiertes Schmelzen, Schichtlaminierung und badbasierte Photopolymerisation. Diese Kategorien sind weiter in eine Vielzahl an Verfahren unterteilt.
  • Die wichtigsten Techniken sind das Laserstrahlschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen für Metalle, das Lasersintern für Polymere, Keramik und Metalle, die Stereolithografie für flüssige Kunstharze und das „Fused Layer Modeling“ für Kunststoffe und teilweise Kunstharze.
  • Ein weiteres Verfahren ist das punktuelle Aufschmelzen und Erstarren. Bei dieser Art von Verfahren wird Metallpulver oder Metalldraht schichtweise aufgeschmolzen und erstarrt, sodass ein dreidimensionales Bauteil generiert werden kann. Durch die lokal begrenzte Energieeinbringung mittels Laserstrahl ist die Größe des ausgebildeten Schmelzbades gering. Somit besteht die Möglichkeit, filigrane Strukturen zu erzeugen. Entsprechende Verfahren werden als „Laser Engineered Net Shaping (LENS)“, als „Direct Metal Deposition (DMD)“, als „Laser Additive Manufacturing (LAM)“, als „Selective Laser Melting (SLM)“, als „Laser Metal Fusion (LMF)“ oder als „Laser Metal Deposition (LMD)“ kommerziell vertrieben.
  • Beim selektiven Laserschmelzen (SLM) werden auf einer Grundplatte dünne Schichten (∼ 15-500 µm) von Pulver aufgetragen. Dieses Pulver wird dann in kleinen Bereichen (lokal) mittels Laserstrahlung vollständig umgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Ist man mit einer Schicht dem Zweck entsprechend fertig, wird eine neue Pulverschicht aufgetragen und wieder lasergeschmolzen. Dies wird so lange wiederholt, bis man das gewollte Bauteil erhält. Dieser wird dann vom restlichen Pulver befreit.
  • Die Vorrichtung zum selektiven Laserstrahlschmelzen kann auch dazu verwendet werden um Schweißarbeiten an Teilen durchzuführen. Dies ermöglicht sehr gute Ergebnisse mit Blick auf Übergänge und Schweißnähte.
  • Die durch das selektive Laserschmelzen gefertigten Bauteile zeichnen sich durch große spezifische Dichten (> 99%) aus. Dies bedeutet, dass sie mechanische Eigenschaften besitzen, die weitgehend denen des Grundwerkstoffes entsprechen.
  • Beim lokalen Lasersintern oder Schmelzen wird zwischen indirekten und direkten Verfahren unterschieden.
  • Selektives Lasersintern (SLS) ist ein Verfahren, um räumliche Strukturen durch Sintern aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff herzustellen. Lasersintern ist ein generatives Schichtbauverfahren: das Werkstück wird Schicht für Schicht aufgebaut.
  • Beim selektiven Lasersintern (SLS/LMF) wird auf einer Arbeitsfläche (Bauplattform) eine Schicht Pulverwerkstoff aufgetragen. Das lose Pulver wird durch einen Laserstrahl punktuell aufgeschmolzen. Dabei werden die Pulverpartikel je nach verwendetem Werkstoff in der Schicht und mit der darunter liegenden Schicht verbunden. Für die Herstellung metallischer Bauteile können zwei grundsätzliche Entwicklungsrichtungen differenziert werden. Neben der direkten Verfestigung metallischer Pulverwerkstoffe durch Laserstrahlung (direktes Metall-Lasersintern) hat sich bereits frühzeitig die Herstellung metallischer Bauteile über eine Kombination aus SLS von Kunstsoff ummanteltem Metallpulver mit nachträglicher thermischer Behandlung (IMLS) etabliert.
  • Beim direkten Metall-Lasersintern (DMLS) werden entweder ein- oder mehrkomponentige Metallwerkstoffe verwendet. Insbesondere werden dabei DMLS-Mehrkomponentenpulver verwendet, die aus verschiedenen Legierungselementen bestehen. Die im Pulver enthaltene niedrig schmelzende Komponente wird durch einen Laserstrahl aufgeschmolzen und umfließt die hochschmelzende Komponente, die als Strukturgeber dient.
  • Beim Elektronstrahlschmelzen (EBM) entspricht der Prozessablauf im Wesentlichen dem der laserbasierten Verfahren. Loses Metallpulver, im Pulverbett oder über eine Düse, oder Draht wird dabei punktuell aufgeschmolzen und erstarrt anschließend in der gewünschten Kontur. Die dafür erforderliche Energie wird durch einen Elektronenstrahl eingebracht.
  • Bei all diesen Verfahren ist es üblich, dass der eigentliche Schmelzprozess in einem abgeschlossenen Bereich, insbesondere einer Prozesskammer, stattfindet. Dort wird mit dem Einsatz inerter Gase eine Schutzatmosphäre erzeugt, um das herzustellende Bauteil vor Kontamination durch Bestandteile der Raumluft zu schützen. Als inertes Gas kommt häufig Stickstoff zum Einsatz. Sind jedoch sehr hohe Temperaturen, wie z.B. für das Schmelzen von Metallen notwendig, dann kann auch Argon verwendet werden.
  • Die inerten Gase schützen das Bauteil zwar vor dem Einfluss durch Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff aus der Raumluft, jedoch werden diese Bestandteile der Raumluft für einen funktionierenden Schmelzprozess in geringen Mengen zwingend benötigt. Vor allem Oxide und Hydroxide sind hierbei von Bedeutung. Die Bestandteile aus der Raumluft werden im Folgenden unter dem Begriff der chemisch reaktiven Gase bzw. Reaktivgase zusammengefasst.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum additiven Fertigen bereitzustellen, bei dem die Effektivität des Fertigungsprozesses und die Qualität des Produkts weiter verbessert werden kann.
  • Insbesondere besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine verbesserte Prozessgasatmosphäre bereitzustellen.
  • Eine oder mehrere dieser Aufgaben werden durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den davon abhängigen Unteransprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen vorgesehen. Diese Vorrichtung umfasst eine Prozesskammer, eine in der Prozesskammer angebrachte Bauplattform, auf der ein Ausgangsmaterial bereitstellbar ist, eine Schutzgaszuführeinrichtung zum Zuführen eines Schutzgases in die Prozesskammer, eine Wärmequelle zum Schmelzen des Ausgangsmaterials und eine Zirkulationseinrichtung zum Zirkulieren des Schutzgases über die Prozesskammer, wobei die Zirkulationseinrichtung eine Kreislaufleitung und eine Pumpe umfasst. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Reaktivgaszuführeinrichtung vorgesehen ist, um dem Schutzgas ein Reaktivgas oder eine Reaktivgasmischung zuzuführen.
  • Als Reaktivgas bzw. Formiergas können Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid oder Mischungen daraus vorgesehen sein.
  • Die (gezielte) Beeinflussung der Prozessgasatmosphäre bei der Herstellung des Bauteils durch die chemisch reaktiven Gase verbessert die Qualität des herzustellenden Bauteils aufgrund einer Optimierung der Prozessparameter. Entsprechende Bauteile weisen beispielsweise in den Materialübergängen weniger Fehlstellen wie Risse, Porenbildungen oder Schmelzbadauswürfe auf und zeigen somit gleichmäßigere Schweißnähte.
  • Die Vorrichtung ist vorzugsweise für ein pulverbettbasiertes Verfahren oder ein Verfahren mit Drahtzuführung ausgebildet.
  • Bei vielen Techniken des additiven Fertigens ist das Zuführen eines Schutzgases zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre ein zentraler Bestandteil des Prozesses. Das zusätzliche Zuführen zumindest eines Reaktivgases zum Schutzgas ist für diese Techniken adaptier- und einsetzbar.
  • Die Wärmequelle kann ausgebildet sein, um einen Laser-, Elektronen- oder Plasmastrahl (Lichtbogen) bereitzustellen.
  • Eine Gaszuführeinrichtung umfasst vorzugsweise die Schutzgaszuführeinrichtung zum Zuführen des Schutzgases und die Reaktivgaszuführeinrichtung zum Zuführen des Reaktivgases.
  • Die Gaszuführeinrichtung kann eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Schutzgases und/oder des Reaktivgases umfassen.
  • Aufgrund der Möglichkeit die Reaktivgase in Reinform oder als Mischung zuzuführen, kann die Gefügestruktur des Bauteils präzise gesteuert und die Qualität des Endprodukts verbessert werden.
  • Die Schutzgaszuführeinrichtung weist vorzugsweise eine Schutzgasversorgungsleitung zum Zuführen des Schutzgases und eine Reaktivgasversorgungsleitung zum Zuführen des Reaktivgases auf oder umfasst vorzugsweise Gasvorratsbehälter, die entsprechend Schutzgas oder Reaktivgase enthalten.
  • Als Schutzgas kann ein inertes Gas, wie z.B Argon oder Helium vorgesehen sein.
  • Die Gaszuführeinrichtung kann eine Gasmischeinrichtung, die zum Beimischen des Reaktivgases zum Schutzgas vorgesehen ist, umfassen, wobei aus der Gasmischeinrichtung der Prozesskammer Schutzgas oder ein Gemisch aus Schutzgas und Reaktivgas oder nur Reaktivgas zuführbar ist.
  • Für die Gasmischeinrichtung kann beispielsweise ein System aus steuerbaren Ventilen und Massendurchflussreglern zum Einsatz kommen.
  • Durch die Kombination aus Reaktivgaszuführeinrichtung und Schutzgaszuführeinrichtung in einer Einrichtung ist die Konzentration eines Reaktivgases in Bezug auf das Schutzgas und umgekehrt steuerbar, was den gesamten Fertigungsprozess verbessert.
  • Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise eine Reinigungseinrichtung, die das im Kreislauf zirkulierende Gemisch aus Schutzgas und Reaktivgas reinigt. Die Reinigungseinrichtung umfasst vorzugsweise eine Gasmesseinrichtung zur Gasanalyse, eine Filtereinheit, die das Gemisch aus Schutzgas und Reaktivgas von makroskopischen Partikeln trennt und/oder eine Gasreinigungseinrichtung, mit vorzugsweise reaktiven Metallen oder einem Molekularsieb, um aus dem Gemisch aus Schutzgas und Reaktivgas die Bestandteile der Reaktivgase abzutrennen.
  • Für die Gasmesseinrichtung zur Gasanalyse, insbesondere zur Messung der Sauerstoffkonzentration kann beispielsweise das System „Linde Addvance O2 precision“ verwendet werden.
  • Weiterhin kann eine Steuereinrichtung mit der Gasmesseinrichtung, der Gasreinigungseinrichtung und der Gaszuführeinrichtung verbunden sein, die ausgebildet ist, um ein Mischungsverhältnis des Gemisches aus Schutzgas und Reaktivgas zu steuern.
  • Durch das Zusammenwirken von Gasanalyseinrichtung, Gasreinigungseinrichtung und Gasmischeinrichtung mittels der Steuereinrichtung, ist es möglich das Schutzgas in der Zirkulationseinrichtung von den Bestandteilen der Reaktivgase abzureinigen und dem Schutzgas im Anschluss, vor Wiedereintritt in die Prozesskammer, eine angepasste Konzentration an Reaktivgas zuzuführen. Dadurch wird verhindert, dass zu einem Zeitpunkt zu viel Reaktivgas in der Prozesskammer vorhanden ist und es wird weiterhin die Konzentration entsprechend einem vorbestimmten Sollwert angepasst. Dies ist insbesondere erfindungsgemäß vorgesehen, da es während des Prozesses durchgehend zu Reaktionen zwischen Reaktivgas und aufgeschmolzenem Ausgangsmaterial kommt/kommen soll und sich dadurch die Zusammensetzung des Reaktivgases durchgehend ändert. Dies maximiert die Effektivität des Fertigungsprozesses und erhöht die Qualität des Produkts.
  • Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zum additiven Fertigen von Bauteilen, insbesondere mit einer vorstehend erläuterten Vorrichtung, ist vorgesehen, ein Ausgangsmaterial in einer Prozesskammer bereitzustellen, ein Schutzgas der Prozesskammer zuzuführen, das Ausgangsmaterial mit einer Wärmequelle zu schmelzen und das Schutzgas mittels einer Zirkulationseinrichtung über die Prozesskammer zu zirkulieren, wobei eine Reaktivgaszuführeinrichtung dem Schutzgas ein Reaktivgas oder eine Reaktivgasmischung zuführt.
  • Die Vorteile der vorstehend beschriebenen Vorrichtung gelten analog für das entsprechende Verfahren.
  • Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der Beschreibung und dem beispielhaften Ausführungsbeispiel ersichtlich, das in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist. Diese zeigt in:
    • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Im Folgenden wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum additiven Fertigen von Bauteilen anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben (1).
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umfasst eine Prozesskammer 2.
  • In der Prozesskammer 2 ist eine Wärmequelle 3 zum Schmelzen eines Ausgangsmaterials 4 angeordnet.
  • Die Wärmequelle 3 erzeugt vorzugsweise einen Laser- oder Elektronen- oder Plasmastrahl (Lichtbogen) 5 zum Schmelzen des Ausgangsmaterials 4.
  • Zum Bereitstellen des Ausgangsmaterials 4 ist eine Bauplattform 6 in der Prozesskammer 2 vorgesehen.
  • Um das Ausgangsmaterial 4 auf der Bauplattform 6 bereitzustellen ist beispielsweise eine Drahtzuführeinrichtung (nicht dargestellt) oder eine Auftragseinrichtung zum Bereitstellen eines pulverförmigen Ausgangsmaterials (nicht dargestellt) vorgesehen.
  • Weiterhin ist eine Zirkulationseinrichtung 7 zum Zirkulieren eines Schutzgases vorgesehen.
  • Zum Führen des Schutzgases umfasst die Zirkulationseinrichtung 7 eine Kreislaufleitung 8.
  • Die Kreislaufleitung 8 ist an die Prozesskammer 2 angeschlossen und zirkuliert das Schutzgas über die Prozesskammer 2.
  • Zum Pumpen des Schutzgases weist die Zirkulationseinrichtung 7 eine Pumpe 9 auf.
  • Die Pumpe 9 ist in die Kreislaufleitung 8 integriert und pumpt das Schutzgas durch die Kreislaufleitung 8.
  • Die Vorrichtung 1 umfasst weiterhin eine Gaszuführeinrichtung 10 zum Zuführen eines Gases in die Kreislaufleitung 8.
  • Zum Zuführen des Schutzgases weist die Gaszuführeinrichtung 10 eine Schutzgaszuführeinrichtung 11 auf.
  • Die Schutzgaszuführeinrichtung 11 zum Zuführen des Schutzgases umfasst eine oder mehrere Schutzgasversorgungsleitung/en (nicht dargestellt) zum Bereitstellen von Schutzgas/en oder einen oder mehrere Gasvorratsbehälter (nicht dargestellt), der/die das Schutzgas enthält/enthalten.
  • Zum Zuführen eines oder mehrere Reaktivgase(s) oder einer Reaktivgasmischung umfasst die Gaszuführeinrichtung 10 eine Reaktivgaszuführeinrichtung 12.
  • Die Reaktivgaszuführeinrichtung 12 zum Zuführen des Reaktivgases oder der Reaktivgasmischung umfasst eine oder mehrere Reaktivgasversorgungsleitung/en (nicht dargestellt) zum Bereitstellen von Reaktivgas/en oder einen oder mehrere Gasvorratsbehälter (nicht dargestellt).
  • Zum Mischen des Schutzgases mit dem Reaktivgas weist die Gaszuführeinrichtung 10 eine Gasmischeinrichtung 13 auf.
  • Die Gasmischeinrichtung 13 zum Mischen des Schutzgases mit dem Reaktivgas kann der Gaszuführeinrichtung 10 das Schutzgas und/oder ein Gemisch aus Schutzgas und Reaktivgas und/oder das Reaktivgas bereitstellen.
  • Weiterhin ist eine Reinigungseinrichtung 14 zum Reinigen des in der Kreislaufleitung 8 zirkulierenden Gemisches aus Schutzgas und Reaktivgas vorgesehen.
  • Die Reinigungseinrichtung 14 umfasst eine Filtereinheit 15 zum Trennen des Gemisches aus Schutzgas und Reaktivgas von makroskopischen Partikeln.
  • Die Filtereinheit 15 zum Trennen des Gemisches aus Schutzgas und Reaktivgas von makroskopischen Partikeln ist in die Kreislaufleitung 8 in Fließrichtung 16 nach der Prozesskammer 2 integriert.
  • Die Filtereinheit 15 ist vorzugsweise ein Papier- oder Vliesfilter oder ein Flächen- oder Patronenfilter.
  • Zudem weist die Reinigungseinrichtung 14 eine Gasreinigungseinrichtung 17, mit reaktiven Metallen und/oder einem Molekularsieb, zur Trennung des Gemisches aus Schutzgas und Reaktivgas von den Bestandteilen der Reaktivgase, auf.
  • Die Gasreinigungseinrichtung 17 umfasst reaktive Metalle und/oder ein Molekularsieb und trennt das Gemisch aus Schutzgas und Reaktivgas von den Bestandteilen der Reaktivgase. Die Gasreinigungseinrichtung 17 ist in die Kreislaufleitung 8 in Fließrichtung 16 nach der Filtereinheit 15 integriert.
  • Die Reinigungseinrichtung 14 umfasst eine Gasmesseinrichtung 18 zur Gasanalyse.
  • Über einen Messfühler 19 ist die Gasmesseinrichtung 18 zur Gasanalyse mit der Prozesskammer 2 verbunden.
  • Die Gaszuführeinrichtung 10 zum Zuführen der Gase in die Kreislaufleitung 8 ist in Fließrichtung 16 in einem Leitungsabschnitt zwischen Gasreinigungseinrichtung 17 und Prozesskammer 2 mit der Kreislaufleitung 8 verbunden.
  • Zum Steuern eines Mischungsverhältnisses des Gemisches aus Schutzgas und Reaktivgas weist die Vorrichtung 1 weiterhin eine Steuereinrichtung 20 auf.
  • Die Steuereinrichtung 20 zum Steuern eines Mischungsverhältnisses des Gemisches aus Schutzgas und Reaktivgas ist über eine Leitung 21 mit der Gasmesseinrichtung 18, der Gasreinigungseinrichtung 17 und der Gaszuführeinrichtung 10 verbunden.
  • Nachfolgend wird ein Verfahren der vorstehend beschriebenen Vorrichtung 1 zum additiven Fertigen von Bauteilen erläutert.
  • Auf der in der Prozesskammer 2 angebrachten Bauplattform 6 wird das Ausgangsmaterial 4 bereitgestellt.
  • Über die Schutzgaszuführeinrichtung 11 der Gaszuführeinrichtung 10 wird der Prozesskammer 2 Schutzgas, welches das Ausgangsmaterial 4 vor Kontamination durch die Raumluft schützt, zugeführt.
  • Die Pumpe 9 der Zirkulationseinrichtung 7 pumpt das Schutzgas durch die Kreislaufleitung 8 in einem über die Prozesskammer 2 führenden Kreislauf.
  • Die Reaktivgaszuführeinrichtung 12 in der Gaszuführeinrichtung 10 mischt bzw. führt dem Schutzgas im Kreislauf ein Reaktivgas oder eine Reaktivgasmischung zu.
  • Die Reinigungseinrichtung 14 reinigt das Gemisch aus Schutzgas und Reaktivgas im Kreislauf, indem das Gemisch aus Schutzgas und Reaktivgas durch die Filtereinheit 15 und die Gasreinigungseinrichtung 17 geleitet wird.
  • Mittels der Filtereinheit 15 der Reinigungseinrichtung 14, die in die Kreislaufleitung 8 in Fließrichtung 16 nach der Prozesskammer 2 integriert ist, wird das Schutzgas von makroskopischen Partikeln getrennt.
  • Zudem wird mittels der Gasreinigungseinrichtung 17, mit reaktiven Metallen und/oder einem Molekularsieb, der Reinigungseinrichtung 14, die in die Kreislaufleitung 8 in Fließrichtung 16 nach der Filtereinheit 15 integriert ist, das Gemisch aus Schutzgas und Reaktivgas von den Bestandteilen der Reaktivgase abgetrennt.
  • In Fließrichtung 16 ist die Gaszuführeinrichtung 10 zum Zuführen der Gase in die Kreislaufleitung 8 in einem Leitungsabschnitt zwischen Gasreinigungseinrichtung 17 und Prozesskammer 2 mit der Kreislaufleitung 8 verbunden.
  • Die Steuereinrichtung 20 ist über eine Leitung 21 mit der Gasmesseinrichtung 18, der Gasreinigungseinrichtung 17 und der Gaszuführeinrichtung 10 verbunden, wobei die Steuereinrichtung 20 Messdaten von der Gasmesseinrichtung 18 empfängt, diese analysiert und Daten zur Steuerung der Konzentration an Reaktivgas, die der Prozesskammer 2 zugeführt wird, in Abhängigkeit der Menge an Reaktivgasen, die für den momentanen Prozess zweckmäßig ist, an die Gasreinigungseinrichtung 17 und die Gaszuführeinrichtung 10 sendet.
  • Bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel ist kein Pufferspeicher vorgesehen. Es kann auch vorgesehen sein einen Pufferspeicher in einem Leitungsabschnitt zwischen Gaszuführeinrichtung 10 und der Prozesskammer 2, vor dem Eintritt der Kreislaufleitung 8 in die Prozesskammer 2, zu integrieren. Der Pufferspeicher dient dazu mögliche Differenzen zwischen, von der Gaszuführeinrichtung 10, zugeführter Gasmenge und, in der Prozesskammer 2, abgeführter Gasmenge auszugleichen.
  • Der Pufferspeicher kann ein Tank sein, der ausgebildet ist, eine gewisse Menge an Reaktivgas/en und/oder Schutzgasen aufzunehmen und der Kreislaufleitung 8 bereitzustellen, sobald die Gaszuführeinrichtung 10 mehr Gas zuführt, als die Prozesskammer 2 abführt. Wird in der Prozesskammer 2 dann mehr Gas benötigt, wird die Menge an Reaktivgasen und Schutzgas im Pufferspeicher automatisch wieder verbraucht. Die Konzentration an Reaktivgasen und Schutzgas wurde mittels der Steuereinrichtung 20 bereits in der Gaszuführeinrichtung 10 an den Prozess angepasst.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Prozesskammer
    3
    Wärmequelle
    4
    Ausgangsmaterial
    5
    Laser-, Elektronen- oder Plasmastrahl (Lichtbogen)
    6
    Bauplattform
    7
    Zirkulationseinrichtung
    8
    Kreislaufleitung
    9
    Pumpe
    10
    Gaszuführeinrichtung
    11
    Schutzgaszuführeinrichtung
    12
    Reaktivgaszuführeinrichtung
    13
    Gasmischeinrichtung
    14
    Reinigungseinrichtung
    15
    Filtereinheit
    16
    Fließrichtung
    17
    Gasreinigungseinrichtung
    18
    Gasmesseinrichtung
    19
    Messfühler
    20
    Steuereinrichtung
    21
    Leitung

Claims (13)

  1. Vorrichtung (1) zum additiven Fertigen von Bauteilen, umfassend eine Prozesskammer (2), eine in der Prozesskammer (2) angebrachte Bauplattform (6), auf der ein Ausgangsmaterial (4) bereitstellbar ist, eine Schutzgaszuführeinrichtung (11) zum Zuführen eines Schutzgases in die Prozesskammer (2), eine Wärmequelle (3) zum Schmelzen des Ausgangsmaterials (4) und eine Zirkulationseinrichtung (7) zum Zirkulieren des Schutzgases über die Prozesskammer (2), wobei die Zirkulationseinrichtung (7) eine Kreislaufleitung (8) und eine Pumpe (9) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schutzgas über eine Reaktivgaszuführeinrichtung (12) ein Reaktivgas oder eine Reaktivgasmischung zuführbar ist.
  2. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzgas vorzugsweise ein inertes Gas, wie z.B. Argon oder Helium, vorgesehen ist.
  3. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktivgas vorzugsweise Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid oder Mischungen daraus vorgesehen sind.
  4. Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) für ein pulverbettbasiertes Verfahren oder ein Verfahren mit Drahtzuführung ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (3) ausgebildet ist, um einen Laser-, Elektronen- oder Plasmastrahl (Lichtbogen) (5) bereitzustellen.
  6. Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gaszuführeinrichtung (10) die Schutzgaszuführeinrichtung (11) zum Zuführen des Schutzgases und die Reaktivgaszuführeinrichtung (12) zum Zuführen des Reaktivgases umfasst.
  7. Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgaszuführeinrichtung (11) eine Schutzgasversorgungsleitung zum Zuführen des Schutzgases und eine Reaktivgasversorgungsleitung zum Zuführen des Reaktivgases aufweist oder Gasvorratsbehälter umfasst, die entsprechend Schutzgas oder Reaktivgase enthalten.
  8. Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführeinrichtung (10) eine Gasmischeinrichtung (13) umfasst, die zum Beimischen des Reaktivgases zum Schutzgas vorgesehen ist, wobei aus der Gasmischeinrichtung (13) der Prozesskammer (2) Schutzgas oder ein Gemisch aus Schutzgas und Reaktivgas oder nur Reaktivgas zuführbar ist.
  9. Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Reinigungseinrichtung (14) umfasst, um das in einem Kreislauf zirkulierende Gemisch aus Schutzgas und Reaktivgas zu reinigen, umfassend eine Gasmesseinrichtung (18) zur Gasanalyse, eine Filtereinheit (15), die das Gemisch aus Schutzgas und Reaktivgas von makroskopischen Partikeln trennt und/oder eine Gasreinigungseinrichtung (17), mit vorzugsweise reaktiven Metallen oder einem Molekularsieb, um aus dem Gemisch aus Schutzgas und Reaktivgas die Bestandteile des Reaktivgases abzutrennen.
  10. Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (20) mit der Gasmesseinrichtung (18), der Gasreinigungseinrichtung (17) und der Gaszuführeinrichtung (10) verbunden ist, die ausgebildet ist, um ein Mischungsverhältnis des Gemisches aus Schutzgas und Reaktivgas zu steuern.
  11. Verfahren zum additiven Fertigen von Bauteilen, insbesondere mit einer Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend, Bereitstellen eines Ausgangsmaterials in einer Prozesskammer (2), Zuführen eines Schutzgases in die Prozesskammer (2), Schmelzen des Ausgangsmaterials (4) mit einer Wärmequelle (3), Zirkulieren des Schutzgases über die Prozesskammer (2) mittels einer Zirkulationseinrichtung (7), dadurch gekennzeichnet, dass eine Reaktivgaszuführeinrichtung (12) vorgesehen ist, um dem Schutzgas ein Reaktivgas oder eine Reaktivgasmischung zuzuführen.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch aus Schutzgas und Reaktivgas während des Zirkulierens in einem Kreislauf mittels einer Reinigungseinrichtung (14) gereinigt wird, umfassend Analyse eines Gases mittels einer Gasmesseinrichtung (18), Trennen des Gemisches aus Schutzgas und Reaktivgas von makroskopischen Partikeln mittels einer Filtereinheit (15) und/oder Trennen des Gemisches aus Schutzgas und Reaktivgas von Bestandteilen der Reaktivgase mittels einer Gasreinigungseinrichtung (17), mit vorzugsweise reaktiven Metallen oder einem Molekularsieb.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (20) mit der Gasmesseinrichtung (18), der Gasreinigungseinrichtung (17) und einer Gaszuführeinrichtung (10) verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (20) ein Mischungsverhältnis des Gemisches aus Schutzgas und Reaktivgas steuert.
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