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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sintervorrichtung zur additiven Fertigung metallischer Werkstücke mittels eine Pulverbetts, mindestens umfassend die Bestandteile:
- a) Bestrahlungseinheit;
- b) Zuführung für Metallpulver;
- c) in der Höhe beweglich ausgestaltete Bauplattform, wobei die Bauplattform den Boden des Pulverbetts bildet;
- d) das Pulverbett zu den Seiten hin begrenzende Prozesskammerwände,
wobei die Prozesskammerwände aus Metall und ortsselektiv als Funktion der Höhe vom Boden der Bauplattform individuell beheizbar ausgestaltet sind, wobei in oder an den Prozesskammerwänden mehrere in der Höhe voneinander beabstandete Temperatursensoren angeordnet sind. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung metallischer Werkstücke.
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Die additive Fertigung von Werkstücken hat in der Fertigungstechnik in den letzten Jahren einen immer größeren Stellenwert eingenommen. Durch additive Fertigung werden Werkstücke über sequentielles Hinzufügen von Substanzen, üblicherweise in Schichten, gefertigt. Altbekannte Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Fräsen, Spanen oder Drehen, arbeiten die Form des Werkstücks über Abnehmen von Substanz eines größeren Rohlings heraus. Für die additive Fertigung im industriellen Umfeld spricht, dass auch für anspruchsvolle Anwendungen und komplexe Geometrien eine hohe Gestaltungsfreiheit ermöglicht wird. Es können zu wirtschaftlich vertretbaren Kosten Einzelstücke hergestellt werden, welches letztendlich Lager- sowie Werkzeugkosten spart.
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Prinzipiell lassen sich additiv eine Vielzahl unterschiedlicher Substanzen verarbeiten. So werden beispielsweise im Rahmen eines 3D-Drucks Kunststoffe über ihre Schmelztemperatur erhitzt und schicht- oder punktweise aus einer Düse heraus zum Formkörper extrudiert. Auch Metalle lassen sich additiv verarbeiten. Metalle können beispielsweise in Form eines Pulvers in einem Pulverbett über thermische Verfahren zu Werkstücken gefügt werden. Generell ermöglicht die Anwendung pulverbettbasierter, additiver Fertigungstechnologien die Herstellung höchst komplexer Geometrien, ebenfalls basierend auf einem schichtweisen Materialauftrag. Dieser Prozess kann auch als multilagen Mikroschweißen bezeichnet werden. Während der Fertigung belichtet ein Hochleistungslaser oder Elektronenstrahl die zur aktuellen Schicht gehörende Kontur des Bauteils im Pulverbett und schmilzt die betreffende Stelle kurzzeitig lokal auf. Nach jeder Schicht wird das Pulverbett weiter abgesenkt, eine neue Pulverschicht aufgebracht, glattgezogen und erneut lokal bis zur Fertigstellung des Bauteils aufgeschmolzen.
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Aktuell können mit diesem Verfahren lediglich Bauteile aus gut schweißbaren Werkstoffen erzeugt werden. Legierungsübergreifend weisen additiv hergestellten Bauteile allerdings sowohl eine kristallographische wie auch eine morphologische Vorzugsrichtung auf. Das bevorzugte Wachstum der Körner sowie deren bevorzugte Orientierung führt unter horizontaler oder vertikaler Belastung zu unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften. Die richtungsabhängigen mechanischen Eigenschaften sind eindeutig nachteilig, da bedingt durch die Anisotropie die additiv gefertigten Bauteile und Komponenten mechanisch deutlich schwieriger auszulegen sind.
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Insbesondere Stahl lässt sich durch die additive Fertigung nur schwerlich verarbeiten, da die hergestellten Bauteile üblicherweise Mikrorisse aufweisen. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass während der Verarbeitung durch das rapide Aufheizen und Abkühlen in den Aufschmelzungen sowie in der umgebenden Region große Eigenspannungen induziert werden, welche in unerwünschten Erstarrungs-, Aufschmelz- und Versprödungsrissen resultieren. Letztlich können diese rissbehafteten Bauteile in der Praxis nicht oder nur schwer eingesetzt werden, welches im hohen Maße die Einsatzfähigkeit hergestellter Bauteile beschränkt.
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Auch in der Patentliteratur finden sich die unterschiedlichsten Ansätze zur additiven Fertigung mittels Lasersintern.
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So offenbart beispielsweise die
EP 1 762122 B2 eine Strahlungsheizung zum Heizen eines Aufbaumaterials in einer Lasersintervorrichtung mit einem flächigen Wärmeabstrahlelement wobei an dem Wärmeabstrahlelement Stromanschlüsse vorgesehen sind, sodass durch das Wärmeabstrahlelement in Flächenrichtung Strom zum Betreiben als Widerstandsheizelement geschickt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeabstrahlelement aus einem Materialmit einer geringen thermischen Trägheit besteht und dass das Wärmeabstrahlelement aus einem Material besteht, das bei einer Temperatur von 20°C eine Temperaturleitzahl von mehr als etwa 1,5*10
-4 m
2/s besitzt, wobei das Wärmeabstrahlelement zumindest in einem Abschnitt in Form einer mäanderartigen Flächenbahn ausgebildet ist.
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Des Weiteren offenbart die
WO 2012 104 536 A2 eine Vorrichtung zum Herstellen oder Aufbauen eines Metallteils durch Sintern und Laserschmelzen, wobei die Vorrichtung einen Laserstrahlgenerator umfasst, ein Mittel zum Ablenken des Strahls, um die Oberfläche des herzustellenden Teils abzutasten, und eine Sinterpfanne, die ein Metallpulver enthält, das verwendet wird, um die Oberfläche des Teils zu bedecken und durch den Laserstrahl geschmolzen zu werden, um das Teil zu verdicken. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie auch mindestens ein Mittel zum Erhitzen von Pulver umfasst, das in einem Bereich der Sinterpfanne durch Induktion enthalten ist.
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Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen können noch weiteres Verbesserungspotential bieten, insbesondere hinsichtlich der möglichen Qualität, beispielsweise in Form der Rissneigung und Anisotropie, der erhältlichen Werkstücke.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Vorrichtung bereitzustellen, welche die Herstellung rissarmer und mechanisch isotroper Werkstücke innerhalb eines Pulverbettverfahrens ermöglicht.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche, gerichtet auf die erfindungsgemäße Vorrichtung und die erfindungsgemäße Verwendung der Vorrichtung. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren angegeben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Sintervorrichtung zur additiven Fertigung metallischer Werkstücke mittels eine Pulverbetts, welche mindestens die Bestandteile:
- a) Bestrahlungseinheit;
- b) Zuführung für Metallpulver;
- c) in der Höhe beweglich ausgestaltete Bauplattform, wobei die Bauplattform den Boden des Pulverbetts bildet;
- d) das Pulverbett zu den Seiten hin begrenzende Prozesskammerwände,
umfasst, wobei die Prozesskammerwände aus Metall und ortsselektiv als Funktion der Höhe
vom Boden der Bauplattform beheizbar ausgestaltet sind, wobei in oder an den Prozesskammerwänden mehrere in der Höhe voneinander beabstandete Temperatursensoren angeordnet sind.
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Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass über oben angegebenen Aufbau sehr isotrope und rissarme Werkstücke über ein additives Pulverbett-Herstellverfahren erhalten werden können. Ohne durch die Theorie gebunden zu sein trägt dazu insbesondere der Einsatz von Mantelheizungen bei, durch welche sich das Pulverbett gezielt vorheizen lässt. Die Mantelheizung erwärmt das aufgetragene Metallpulver sowie die herzustellenden Bauteile zusätzlich von den Mantelflächen in Baurichtung. Somit kann ein Temperaturgradient in der Baurichtung erfolgreich reduziert werden. Zusätzlich zur Mantelheizung ist die Steuerung und Überwachung der Temperatur im Pulverbett mittels eines oder mehrerer thermischer Kontaktsensoren oder mittels Thermographie wichtig. Die Sensoren zur Steuerung der Mantelheizung sind direkt im oder am metallischen Mantel angeordnet und können ortsgenau zur aktiven Steuerung und Überwachung der Vorwärmtemperatur des Pulvers beitragen. Die Temperatur des Pulvers kann somit kurz vor dem eigentlichen Sintervorgang auf einen genau festgelegten Wert geregelt werden, sodass sich über diese Regelung die Anisotropie und die Rissneigung des Materials verringert. Auf diese Art und Weise können selbst schwer zu schweißende Materialien, wie beispielsweise Stahl, innerhalb eines additiven Pulverbettverfahrens verarbeitet werden. Es werden mechanisch stabile und rissfreie Werkstücke erhalten, welche sich zudem noch durch richtungsunabhängige mechanische Eigenschaften auszeichnen. Des Weiteren ergibt sich als Vorteil, dass im Gegensatz zu anderen Mantelheizungssystemen mit einem nichtmetallischen Mantel, beispielsweise aus Keramik, Glas oder Kunststoff, die erfindungsgemäße Ausführung aus Metall schlagfester ist und sich maßgenauer herstellen lässt.
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Die erfindungsgemäße Sintervorrichtung ist eine Sintervorrichtung zur additiven Fertigung metallischer Werkstücke mittels eine Pulverbetts. Über die erfindungsgemäße Vorrichtung können also mittels eines additiven Fertigungsverfahrens metallische Werkstücke hergestellt werden. Aus der Gruppe der additiven Fertigungsverfahrens wird ein Pulverbettverfahren durchgeführt. Das Verfahren an sich ist dem Fachmann bekannt. Im Rahmen des Verfahrens kann über ein schichtweises Auftragen eines Metallpulvers und anschließender thermischer Bearbeitung des Metallpulvers an den Stellen, an denen das Werkstück aufgebaut werden soll, eine beliebige Werkstückgeometrie erhalten werden. Metallische Werkstücke sind dabei Werkstücke, welche zu einem überwiegenden Anteil aus Metall bestehen. So kann beispielsweise der Metallgehalt der Werkstücke größer oder gleich 75, des Weiteren bevorzugt größer oder gleich 80 und weiterhin bevorzugt großer gleich 85 Gewichtsprozent betragen.
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Die Vorrichtung umfasst eine Bestrahlungseinheit. Über die Bestrahlungseinheit wird Energie ortsgenau in das Pulverbett eingetragen. Die Bestrahlung erfolgt an den Stellen, an denen eine weitere Schicht zu den bisher aufgebrachten Werkstückschichten hinzugefügt werden soll. Dazu wird das Metallpulver im Pulverbett durch die Bestrahlungseinheit an diesen Stellen thermisch aufgeschmolzen. Die Bestrahlungseinheit ist in der Lage, hochenergetische Strahlung auszusenden, welche durch die ortsgenaue Temperaturerhöhung zu einem Verschweißen des Metallpulvers führt. Die Bestrahlungseinheit kann beispielsweise eine Laserquelle oder aber auch eine Elektronenstrahlquelle umfassen. Des Weiteren kann die Bestrahlungseinheit weitere Aufbauten aufweisen, welche beispielsweise zur Positionierung des energetischen Strahls auf dem Pulverbett beitragen. Des Weiteren kann die Bestrahlungseinheit noch Schutzeinrichtungen, Spiegel, Linsen oder ähnliche Aufbauten aufweisen.
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Die Vorrichtung umfasst eine Zuführung für Metallpulver. Die Zuführung für das Metallpulver dient dem Zweck, lagenweise Metallpulver auf das schon bestehende Pulverbett zu schichten. Das Metallpulver wird also sequenziell aufgetragen und zwischen zwei Auftragungsvorgängen wird das Pulverbett über die Bestrahlungseinheit bestrahlt. Die Auftragseinrichtung ist dazu eingerichtet, dass pro Flächeneinheit des Pulverbetts eine bestimmte Menge an Pulver auf das Pulverbett aufgebracht wird. Die Auftragungseinheit kann zudem dazu eingerichtet sein, überschüssiges Pulver vom Pulverbett zu entfernen und in einer oder mehreren Ablageeinrichtungen zu lagern.
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Die Vorrichtung umfasst eine in der Höhe beweglich ausgestaltete Bauplattform, wobei die Bauplattform den Boden des Pulverbetts bildet. Den Boden des Pulverbetts bildet eine Bauplattform, welche in der Höhe beweglich ausgestaltet ist. So ist es beispielsweise möglich, dass die Bauplattform im Zuge der Herstellung abgesenkt wird. Üblicherweise befindet sich die Bauplattform zu Anfang des Herstellungsprozesses in einer erhöhten Position und wird proportional zum weiteren Schichtaufbau durch Ablage von Metallpulver abgesenkt. Dies ermöglicht einen mehr oder weniger konstanten Abstand des Pulverbetts zur Bestrahlungseinheit. Die Bauplattform kann auf ihrer Unterseite noch über weitere technische Einrichtungen, wie beispielsweise eine Beheizung, verfügen. Das Absenken der Bauplattform kann beispielsweise über einen hydraulischen Stempelmechanismus erfolgen.
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Die Vorrichtung umfasst das Pulverbett zu den Seiten hin begrenzende Prozesskammerwände, wobei die Prozesskammerwände aus Metall und ortsselektiv als Funktion der Höhe vom Boden der Bauplattform beheizbar ausgestaltet sind, wobei in oder an den Prozesskammerwänden mehrere in der Höhe voneinander beabstandete Temperatursensoren angeordnet sind. Die Prozesskammerwände sind aus Metall gefertigt und können insofern im Vergleich zu Kunststoffen in einer höheren Genauigkeit gefertigt werden. Die Abmessungen der Prozesskammerwände sind somit reproduzierbarer und insgesamt ergibt sich dadurch auch ein homogeneres Temperaturprofile im Pulverbett. Die Prozesskammerwände bestehen aus Metall, wenn der Anteil eines Metalls an den Prozesskammerwänden größer oder gleich 75 Gewichtsprozent ist. Die Prozesskammerwände sind dabei die Wände, welche im direkten Kontakt mit dem Pulverbett stehen. Die Prozesskammerwände sind beheizbar ausgestaltet. Dies bedeutet, dass unterschiedliche Bereiche der Prozesskammerwände jeweils einzeln über eine Heizquelle mit thermischer Energie versorgt werden können. Die Beheizung kann dabei so erfolgen, dass jeweils ein bestimmter Höhenabschnitt der Prozesskammerwände über eine separate Heizeinrichtung temperiert werden kann. Somit ergeben sich parallel verlaufende Abschnitte an den Prozesskammerwänden, welche individuell in ihrer Temperatur festgelegt werden können. Als Konsequenz ergibt sich, dass die entsprechenden Abschnitte im Pulverbett parallel zur Bauplattform individuell in ihrer Temperatur gesteuert werden können. Mögliche Temperaturbereiche der individuellen Beheizung liegen beispielsweise bei größer oder gleich 200°C, bevorzugt größer oder gleich 400°C, größer oder gleich 600°C und größer oder gleich 800°C. Zur reproduzierbaren Festlegung der Temperaturen in den unterschiedlichen Bereichen des Pulverbetts hat es sich als sehr wichtig herausgestellt, dass Temperatursensoren zur Steuerung der Pulverbett-Temperaturen eingesetzt werden, welche im direkten mechanischen Kontakt zu den Prozesskammerwänden stehen. Dementsprechend können die Temperatursensoren in oder aber direkt an den Prozesskammerwänden angebracht sein. Die Temperaturen können insofern sehr direkt gemessen werden und das gesamte System kann deutlich schneller auf Abweichungen im festgelegten Temperaturprofile reagieren. Dazu weist jede Prozesskammerwand mindestens zwei Temperatursensoren auf, wobei die Temperatursensoren einen unterschiedlichen Abstand zur Bauplattform aufweisen. Erfindungsgemäß kann jede Prozesskammerwände mindestens 5, des Weiteren bevorzugt 10, und weiterhin bevorzugt 15 Temperatursensoren aufweisen. Neben den Unterschieden im Abstand zur Bauplattform ist es auch möglich, dass auf einem festgelegten Abstand zur Bauplattform mehrere Temperatursensoren angeordnet sind. Dadurch ist es zum Beispiel möglich, den thermischen Einfluss des Abstandes zu den weiteren Prozesskammerwänden zu erfassen. Die einzelnen Temperatursensoren können einen gleichen oder aber einen unterschiedlichen Abstand in der Höhe zueinander aufweisen. So ist es beispielsweise möglich, dass die Temperatursensoren jeweils einen gleichen Abstand zueinander aufweisen. Dieser Abstand kann beispielsweise 1 cm, 5 cm, 10 cm oder aber 25 cm betragen. Die Abstände können bevorzugt als Funktion der Größe des Werkstücks oder aber in Abhängigkeit der Dicke der neu aufgebrachten Pulverschichten gewählt werden. Es ist aber auch möglich, dass die Temperatursensoren einen unterschiedlichen Abstand zueinander aufweisen. So können die Abstände im Bereich des Aufschmelzens des Metallpulvers beispielsweise kleiner gewählt werden. Auf diese Art und Weise lassen sich die Temperaturen des Pulverbetts im Bereich des Verschweißens sehr genau steuern.
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Innerhalb eines bevorzugten Aspektes der Vorrichtung kann die Sintervorrichtung eine Lasersinter-Vorrichtung sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sich insbesondere in einer Kombination mit einem laserverschweißen des Pulverbetts zur Herstellung sehr isotroper und mechanisch geeigneter metallischer Werkstücke eignen. Der Energieeintrag des Lasers lässt sich sehr ortsgenau steuern und in dieser Kombination macht sich eine sehr präzise Steuerung der Temperatur des Pulverbetts im Bereich des Verschweißens vorteilhaft bemerkbar.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung kann die Beheizung der Prozesskammerwände aus der Gruppe bestehend aus Strahlungs-, Induktions-, Widerstandsheizungen oder Kombinationen daraus ausgewählt sein. Diese Heizungssysteme haben sich für eine reproduzierbare und schnelle Steuerung der Temperaturen des Pulverbetts als besonders geeignet herausgestellt. Über diese Typen kann eine sehr gleichmäßige Temperatur des Pulverbetts bereitgestellt werden, welches in einer verbesserten Isotropie der erhältlichen Werkstücke mündet.
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Innerhalb einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Beheizung der Prozesskammerwände über eine IR-Mantelheizung erfolgen. Dazu kann auf die Prozesskammerwände auf der äußeren metallischen Mantelfläche eine strahlungsabsorbierende Schicht (z.B. Lack, CVD, PVD, thermisches Spritzen) aufgetragen werden. Die Innenseite der Prozesskammerwände können zudem poliert und ebenfalls beschichtet werden (z.B. Lack, CVD, PVD, thermisches Spritzen) um Anhaftungen, Versintern oder Diffusion von Elementen zum Pulvermaterial zu vermeiden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung können die Temperatursensoren in den Prozesskammerwänden angeordnet sein. Insbesondere die Anordnung der Temperatursensoren in den Prozesskammerwänden kann zu einer sehr schnellen Regelung der Pulverbett-Temperaturen beitragen. Durch die direkte Integration in die Wände erhält man ein schnelles Feedback des Systems und insbesondere die Bereiche des Pulverbetts, welche über einen Energieeintrag verschweißt werden, können derart besonders schnell auf die gewünschten Temperaturen und die gewünschten Temperaturgradienten geregelt werden. Dies kann das Auftreten von Rissen im Werkstück, auch bei schwierig zu schweißenden Materialien, wie beispielsweise Stahl, deutlich reduzieren. Im günstigsten Fall werden rissfreie Materialien erhalten.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung können die Temperatursensoren unmittelbar an den Außenseiten der Prozesskammerwände angeordnet sein. Neben einer Anordnung der Temperatursensoren in den Prozesskammerwänden kann es des Weiteren vorteilhaft sein, dass die Temperaturen durch Sensoren gemessen werden, welche sich direkt an den Außenwänden der Prozesskammerwände befinden. Die Anordnung der Sensoren ist in diesen Fällen flexibler und die Abstände der Sensoren können leichter auf eine Änderung der jeweils aufzutragen Pulverschichtdicke angepasst werden.
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Nach einem bevorzugten Aspekt der Vorrichtung kann die Beheizung der Prozesskammerwände über eine oder mehrere Strahlungsheizungen durch Bestrahlung der Außenseite der Prozesskammerwände erfolgen. Insbesondere eine Beheizung der Prozesskammerwände über eine oder mehrere Strahlungsheizungen hat sich für eine schnelle Adaption und Steuerung der Temperaturprofile des Pulverbetts als besonders geeignet herausgestellt. Zu diesem Zweck können mehrere Strahlungsheizungen pro Prozesskammerwand vorhanden sein, wobei jede Strahlungsheizung dann einen bestimmten Höhenabschnitt der Prozesskammerwand bestrahlt. Als Funktion der Bestrahlungsfläche der einzelnen Strahlungsheizung kann so ein sehr differenziertes Temperaturprofil mit einem hochgenauen Temperaturgradienten im Pulverbett erzeugt werden. Dies kann zu besonders rissarmen und isotropen Werkstücken führen. Zur Verbesserung der Heizleistung können die Prozesskammerwände an der Außenseite beispielsweise eine Beschichtung aufweisen, welche den Energieeintrag an und in die Prozesskammerwände verbessert. Diese Beschichtung kann zu einem schnelleren Ansprechen des gesamten Systems führen.
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Innerhalb einer bevorzugten Charakteristik der Vorrichtung kann die Innenseite der Prozesskammerwände zumindest in Höhe der Temperatursensoren anti-haft beschichtet sein. Überraschenderweise hatte sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Prozesskammerwände insbesondere im Bereich der Höhe der Temperatursensoren oder aber in den Bereichen, in denen das Aufschmelzen der Pulverschicht stattfindet, eine weitere Beschichtung erhalten. Diese weitere Beschichtung ist für ein schnelles thermisches Ansprechen erst einmal nachteilig, kann aber insgesamt die Reproduzierbarkeit in der Herstellung erhöhen, da in diesen sensiblen Bereichen ein Anbacken des Metallpulvers an die Prozesskammerwände verhindert wird. Die weitere Beschichtung kann beispielsweise aus Teflon bestehen oder Teflon aufweisen.
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Innerhalb einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung kann der Abstand der Temperatursensoren als Funktion einer sequentiellen Pulverauftragshöhe pro Schichtaufbau gewählt sein, wobei der maximale Sensorabstand zweier Sensoren größer oder gleich dem 0,5fachen und kleiner oder gleich dem 5fachen der sequentiell aufgetragenen Pulverschichtdicke beträgt. Um möglichst rissarme metallische Werkstücke zu erhalten hat es sich als besonders günstig herausgestellt, dass die Temperatureinstellung im Pulverbett über Sensoren gesteuert wird, welche als Funktion der aufzubringenden Pulverschichtdicke einen bestimmten Abstand voneinander aufweisen. Durch die Abstandsbeziehung der einzelnen Sensoren zueinander kann ein Temperaturprofil nicht nur in einer, sondern in mehreren Schichten des Pulverbetts hochgenau aufrechterhalten werden, so dass eine genau gesteuerte Aufheizung des Metallpulvers auch vor der Sinterzone gewährleistet werden kann. Das Metallpulver wird einem genauen Aufheizprogram unterworfen und auf diese Art und Weise ist man der Lage, die thermischen Spannungen im Werkstück zu reduzieren.
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Des Weiteren erfindungsgemäß ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung metallischer Werkstücke. Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich insbesondere vorteilhaft in Pulverbettverfahren nutzen, in welchen metallische Werkstücke hergestellt werden. Die metallischen Werkstücke werden aus Metallpulvern hergestellt, deren thermische Eigenschaften im Vergleich zu den thermischen Eigenschaften anderer Pulver, ungünstiger sind. Insofern kann über die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für diese schwer zu verarbeitenden Metallpulver eine Verbesserung in den Eigenschaften der erhältlichen metallischen Werkstücke erreicht werden. Es können sich sehr rissarme oder rissfreie metallische Werkstücke ergeben, welche zudem noch isotrope mechanische Eigenschaften aufweisen.
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Innerhalb einer bevorzugten Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung lasergesinterter Stahlwerkstücke verwendet werden. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung können insbesondere bei lasergesinterten Werkstücken eintreten, welche aus Stahl bestehen. Stahl lässt sich aufgrund seiner Zusammensetzung in vielen Fällen nur ungenügend thermisch verschweißen. Es ergeben sich nach dem Stand der Technik üblicherweise Werkstücke, welcher eine starke Rissbildung und zudem stark anisotrope mechanische Eigenschaften zeigen. Mittels der hier vorgestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung können insbesondere die Anzahl an Rissen in den Stahlwerkstücken deutlich reduziert werden.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung einzuschränken.
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Es zeigen die:
- 1 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems zum Lasersintern;
- 2 das morphologische Bild eines über Lasersintern hergestellten Stahlteiles erhalten mittels eines Systems nach dem Stand der Technik;
- 3 das morphologische Bild eines über Lasersintern hergestellten Stahlteiles, wobei das Pulverbett mittels des erfindungsgemäßen Systems aufgeheizt wurde;
- 4 das morphologische Bild eines über Lasersintern hergestellten Stahlteiles mit Titanzusatz zu dem Stahlpulver, wobei das Pulverbett mittels des erfindungsgemäßen Systems aufgeheizt wurde.
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In der 1 ist ein möglicher Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems schematisch dargestellt. Der Aufbau enthält eine Bestrahlungseinheit 1, 2, 3, welche in diesem Fall aus einem Kollimator und Fokussiereinheit 1, einem XY-Scanner 2 und einem Laserschutzglas 3 besteht. Die Erzeugung des eigentlichen Laser- oder Elektronenstrahls kann an anderer Stelle erfolgen. Der Laserstrahl wird durch die Bestrahlungseinheit geleitet und kann dann durch das Laserschutzglas 3 auf das Pulverbett 9 ortsselektiv gerichtet werden. Die Vorrichtung weist des Weiteren einen Beschichter 5 auf, welcher das Pulverbett 9 jeweils mit neuen Pulverlagen versieht. Mittels des Beschichters 5 kann überschüssiges Material in Pulver-Überlaufbehälter 4 abtransportiert werden. Das Pulverbett 9 wird nach unten hin durch die Bauplattform 10 und zu den Seiten über die Prozesskammerwände 8 begrenzt. Die Prozesskammerwände 8 weisen in diesem Fall die Temperatursensoren (nicht dargestellt) auf. Mittels der in unterschiedlichen Höhen angeordneten Temperatursensoren kann das aktuelle Temperaturprofil des Pulverbetts 9 gemessen werden. An der Außenseite der Prozesskammerwände 8 sind Wärmequellen 7 angeordnet, welche in Abhängigkeit der Höhe von der Bauplattform 10 das Pulverbett 9 in unterschiedlichen Höhen mit unterschiedlichen Temperaturen aufschlagen können. Das Pulverbett 9 wird an den Seiten durch eine Isolierung 14 begrenzt. Zur thermischen Isolierung des gesamten Aufbaus kann eine Kühlmanschette 6 eingesetzt werden, welche beispielsweise über eine Wasserkühlung verfügt. Die Bauplattform 10 kann beispielsweise über eine Plattformheizung 11 verfügen, welche zusammen mit der Bauplattform 10 über einen hydraulischen Stempel 12 in der Höhe verfahrbahr ausgestaltet ist. Der Stempel 12 kann beispielsweise über eine Isolierung 13 verfügen. Am Start der Herstellung eines metallischen Werkstücks befindet sich die Bauplattform 10 im oberen Bereich der Vorrichtung. Es wird sequenziell über den Beschichter 5 eine vordefinierte Pulverschichtdicke auf die Bauplattform 10 abgelegt, welche dann über die Bestrahlungseinheit 1, 2, 3 beispielsweise mit Laserlicht bestrahlt wird. Das Pulverbett 9 wird ortsselektiv bestrahlt und an diesen Stellen wird das Metallpulver aufgeschmolzen. Nach der ortsselektiven Bestrahlung wird die Bauplattform 10 abgesenkt und über den Beschichter 5 wird eine neue Pulverschicht aufgetragen. Auf diese Art und Weise wird additiv ein metallisches Werkstück gefertigt.
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In der 2 ist ein Werkstück dargestellt, welches mittels eines Lasersinterprozesses nach dem Stand der Technik hergestellt wurde. Das Werkstück wurde aus Werkzeugstahl H13 mittels eines Pulverbettverfahrens hergestellt und das H13 Stahlpulver wies keine weiteren Zusätze auf. Das Pulverbett wurde vor dem Sintern auf eine Temperatur von 200°C aufgeheizt. Das Werkstück zeigt in einer mikroskopischen Aufnahme eine Anisotropie in der Fügung sowie eine starke Rissneigung.
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In der 3 ist ein Werkstück dargestellt, welches mittels eines Lasersinterprozesses mittels des erfindungsgemäßen Aufbaus hergestellt wurde. Das Werkstück wurde aus Werkzeugstahl H13 mittels eines Pulverbettverfahrens hergestellt. Das H13 Stahlpulver wies neben den üblichen Legierungsbestandteilen keine weiteren Zusätze auf. Im Gegensatz zur 1 wurde das Pulverbett vor der Lasersinterung auf eine Temperatur von 400°C aufgeheizt und die Temperaturverteilung im Pulverbett über in Prozesskammerwände integrierte Temperatursensoren geregelt. Das Werkstück zeigt in einer Aufnahme eine Anisotropie, welche aber im Vergleich zu der in der 1 dargestellten Anisotropie deutlich geringer ist. Die Rissneigung ist gegenüber dem Stand der Technik reduziert, es zeigen sich weniger große Risse. Zudem zeigt sich eine deutliche Verringerung der Anisotropie der Domänen im Stahl.
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In der 4 ist der Schnitt durch ein Werkstück dargestellt, welches mittels eines Lasersinterprozesses hergestellt wurde. Das Pulverbett wurde vor dem Sintern auf eine Temperatur von 200°C aufgeheizt. Das Werkstück wurde aus Werkzeugstahl H13 mit einem Titanzusatz von 0,8 Gew.-% mittels der erfindungsgemäßen Sintervorrichtung unter Verwendung von in die Prozesskammerwände integrierte Temperatursensoren hergestellt. Über die Sensoren wurde ein definierter Temperaturgradient im Pulverbett gemessen und mittels der unterschiedlichen Wärmequellen auf einen vorbestimmten Wert eingestellt. Zusätzlich zur Messung und Regelung des Temperaturgradienten wurde ein Stahlpulver verwendet, welches über das Zulegieren von Titan zum Stahlpulver ein feines Korn erzeugt, sodass die Mikroriss-Anfälligkeit des gesinterten Stahls komplett vermieden werden kann. Über die Vorrichtung und Verfahrensführung ergibt sich insbesondere für Titan-legierte Stähle ein homogenes Werkstück mit sehr kleinen, isotropen Domänen. Es wird aus dieser Kombination aus Zusammensetzung des Metallpulvers und Aufbau der Vorrichtung synergistisch ein lasergesintertes Werkstück erhalten, welches insbesondere im Vergleich zu der 1 deutlich verbesserte mechanische und morphologische Eigenschaften aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1762122 B2 [0007]
- WO 2012104536 A2 [0008]
