DE102021106924A1

DE102021106924A1 - Metallkondensatsteuerung bei der additiven fertigung

Info

Publication number: DE102021106924A1
Application number: DE102021106924.6A
Authority: DE
Inventors: Mark A. Smith; Tyson W. BROWN; HyungMin Chae; Md Ashabul Anam; Whitney A. Poling; Richard J. Skurkis
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-04-07
Filing date: 2021-03-20
Publication date: 2021-10-07
Also published as: US11590575B2; CN113492217A; CN113492217B; US20210308759A1

Abstract

Es sind ein System und ein Verfahren zur additiven Fertigung bereitgestellt. Das System umfasst eine Struktur, die eine Kammer zur Herstellung von Teilen mittels additiver Fertigung definiert. Ein Pulvermetallauftragsgerät ist dazu ausgelegt, Schichten von Pulvermetallmaterial aufzutragen, um ein Teil auf einer Bauplattform zu bauen. Eine Laserquelle ist dazu ausgelegt, einen oder mehrere Laserstrahlen auf jede Schicht des Pulvermetallmaterials zu richten, um das Pulvermetallmaterial zu schmelzen, wobei durch den Laserstrahl bzw. die Laserstrahlen, die das Pulvermetallmaterial berühren, Metallkondensat erzeugt wird. Ein von den Schichten des Pulvermaterials beabstandetes Element weist eine andere Temperatur als die Kammertemperatur auf, so dass das Element dazu ausgelegt ist, das Metallkondensat aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen dem Element und der Kammer anzuziehen oder abzustoßen. Das Verfahren umfasst die Verwendung des Elements mit der unterschiedlichen Temperatur, um das Metallkondensat innerhalb der Kammer anzuziehen oder abzustoßen.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf additive Fertigungssysteme und - verfahren zum Ausbilden eines Teils durch Hinzufügen von Material in einem sequenziellen Prozess, typischerweise Schicht für Schicht.
Additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, bezeichnet ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstands durch automatisierte Steuerung und sequentieller Zugabe/Verbindung von Schichtmaterial innerhalb einer dreidimensionalen Arbeitsumgebung. Die Gegenstände können in verschiedenen Formen und Geometrien hergestellt werden und können Opfer- oder Stützmaterialien umfassen, wodurch Gestaltungsformen möglich werden, die zuvor nicht erreichbar waren. Es sind verschiedene additive Fertigungsverfahren bekannt, die sich vor allem in der Art und Weise, wie Materialschichten aufgetragen werden, und in den verwendeten Materialien unterscheiden. Zu den additiven Fertigungsverfahren gehören z.B. Fused Deposition Modeling, Lasersintern, Elektronenstrahlschmelzen und 3D-Tintenstrahldruck unter Verwendung von Materialien wie thermoplastischen Filamenten, Metallpulvern, Gips, Harzen und Beton.
Bei einem Pulverbettschmelzverfahren wird ein Laserstrahl verwendet, um jede Schicht eines zuvor nivellierten Pulvermaterials in aufeinanderfolgende Platten aus geschmolzenem Pulvermaterial zu schmelzen. Während des Schmelzvorgangs verdampft der Laser einen Teil des Pulvers und erzeugt Staub in Nanometer- oder Mikrometergröße, der als „Kondensat“ bezeichnet wird. Das Kondensat kann sich in der Kammer ansammeln. Das Kondensat kann z.B. an den Kammerwänden, an der Laserlinse und am verlegten Pulver des zu fertigenden Gegenstandes entstehen.
Bei der additiven Metallfertigung dauert es Stunden oder sogar Tage, um die Baukammer unter Verwendung eines Vakuums und von Tüchern mit Isopropanol zum Auswaschen der Baukammer vom Kondensat zu reinigen. Der Reinigungsprozess verlangsamt den additiven Fertigungsprozess erheblich, was den Einsatz der additiven Metallfertigung für jede Großserienproduktion erheblich behindert. Ferner kann die durch das Kondensat erfolgende Verunreinigung des Pulverbettes oder des Pulvers, das nach dem Bau wiederverwendet werden soll, die Qualität des Teils verringern, indem sie zu Defekten innerhalb des Teils sowie zu einer weiteren Verzögerung des Prozesses beiträgt.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung sieht ein System und ein Verfahren vor, das die Steuerung von Metallkondensat während eines Pulverbettschmelzverfahrens unterstützt. Das System und das Verfahren umfassen den Einsatz von gekühlten und/oder erhitzten Elementen, um das Metallkondensat anzuziehen oder abzusto-ßen. Daher kann das Metallkondensat von einem oder mehreren erhitzten Elementen abgestoßen und/oder von einem oder mehreren gekühlten Elementen innerhalb der Baukammer gesammelt werden.
Bei einer Ausführungsform, die mit den anderen hierin offenbarten Ausführungsformen kombiniert oder von diesen getrennt sein kann, wird ein additives Fertigungssystem bereitgestellt, das eine Struktur umfasst, die eine Kammer zur Herstellung von Teilen durch additive Fertigung definiert. Die Kammer weist eine Kammertemperatur auf. Ein Pulvermetallauftragsgerät ist dazu ausgelegt, Schichten von Pulvermetallmaterial aufzutragen, um ein Teil auf einer Bauplattform zu bauen. Eine Laserquelle ist dazu ausgelegt, einen oder mehrere Laserstrahlen auf jede Schicht des Pulvermetallmaterials zu richten, um das Pulvermetallmaterial zu schmelzen, wobei durch den Laserstrahl bzw. die Laserstrahlen, die das Pulvermetallmaterial berühren, Metallkondensat erzeugt wird. Von den Schichten des Pulvermaterials ist ein Element beabstandet. Das Element weist eine von der Kammertemperatur verschiedene Elementtemperatur auf, und das Element ist dazu ausgelegt, das Metallkondensat aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen dem Element und der Kammer anzuziehen oder abzustoßen.
Bei einer anderen Ausführungsform, die mit den anderen hierin offenbarten Ausführungsformen kombiniert oder von diesen getrennt sein kann, ist ein Verfahren zur additiven Fertigung bereitgestellt, welches das schichtweise Anordnen von Pulvermetallmaterial auf einer Bauplattform innerhalb einer Kammer umfasst, wobei die Kammer eine Kammertemperatur aufweist. Das Verfahren umfasst außerdem das Richten eines oder mehrerer Laserstrahlen in die Kammer, um jede Schicht des Pulvermetallmaterials zu berühren und das Pulvermetallmaterial für die additive Fertigung zu schmelzen, wobei Metallkondensat von dem Laserstrahl bzw. den Laserstrahlen erzeugt wird, der bzw. die das Pulvermetallmaterial berührt bzw. berühren. Das Verfahren umfasst ferner das Anziehen oder Abstoßen des Metallkondensats mit einem Element, das eine von der Kammertemperatur verschiedene Elementtemperatur aufweist.
Optional können zusätzliche Merkmale vorgesehen sein, die unter anderen folgende umfassen: wobei die Temperaturdifferenz wenigstens 10 Grad Celsius beträgt oder die Kammertemperatur und die Elementtemperatur sich um wenigstens zehn Grad Celsius voneinander unterscheiden, wobei die Elementtemperatur niedriger ist als die Kammertemperatur und das Element dazu ausgelegt ist, das Metallkondensat anzuziehen, wobei das Element eine Platte ist, wobei das Element eine rotierende Plattform ist, wobei die Elementtemperatur höher ist als die Kammertemperatur und das Element dazu ausgelegt ist, das Metallkondensat abzustoßen, ferner umfassend eine Linse, durch die der Laserstrahl oder die Laserstrahlen gerichtet wird bzw. werden, wobei das Element die Linse umgibt, ferner umfassend einen Pulverüberlaufbehälter, der dazu ausgelegt ist, überschüssiges Pulvermetallmaterial zu sammeln, wobei das Element um den Pulverüberlaufbehälter herum angeordnet ist, um das Metallkondensat weg von dem Pulverüberlaufbehälter abzustoßen, ferner umfassend ein Gasströmungssystem mit einem Einlass, der auf einer stromaufwärts gelegenen Seite der Bauplattform angeordnet ist, und einem Auslass, der auf einer stromabwärts gelegenen Seite der Bauplattform angeordnet ist, wobei der Einlass dazu ausgelegt ist, einen Gasstrom durch die Kammer strömen zu lassen, um das Metallkondensat innerhalb der Kammer zu bewegen, wobei das Element ein gekühltes Element ist, das auf der stromabwärts gelegenen Seite der Bauplattform angeordnet ist, um das Metallkondensat anzuziehen, wobei das additive Fertigungssystem ferner ein erhitztes Element umfasst, das auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Bauplattform angeordnet ist, um das Metallkondensat abzustoßen, ferner umfassend ein Filtersystem, das dazu ausgelegt ist, das Metallkondensat von der rotierenden Plattform zu entfernen und das Metallkondensat einem Filter zuzuführen, wobei die Bauplattform dazu ausgelegt ist, sich um eine Mittelachse zu drehen, wobei das Element nach außen um die Bauplattform herum angeordnet ist, ferner umfassend ein Rohr, das entlang der Mittelachse angeordnet und dazu ausgelegt ist, ein erhitztes Gas über die Bauplattform abzugeben, um das Metallkondensat zu dem Element hin abzustoßen, wobei das Element rotiert, um das Metallkondensat zu sammeln und zu entfernen, wobei das Element ein gekühltes Element oder ein erhitztes Element ist, wobei eine Bauplattform um eine Mittelachse rotiert, wobei das Element nach außen um die Bauplattform angeordnet ist. und/oder wobei ein erhitztes Gas über die Bauplattform abgegeben wird, um das Metallkondensat zu dem Element hin abzustoßen.
Weitere Aspekte, Vorteile und Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin gegebenen Beschreibung. Es versteht sich, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur der Veranschaulichung dienen und nicht dazu bestimmt sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einzuschränken.
Die hierin gezeigten Zeichnungen sind schematischer Natur und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet oder repräsentativ für die Abstände oder Beziehungen zwischen den gezeigten Elementen.

1 zeigt ein additives Fertigungssystem gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung in einer schematischen perspektivischen Ansicht.
2 zeigt einen Laserschmelzprozess eines additiven Fertigungssystem gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung in einer schematischen Ansicht.
3 zeigt ein weiteres additives Fertigungssystem gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung in einer schematischen perspektivischen Ansicht.
4 zeigt noch ein weiteres additives Fertigungssystem gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung in einer schematischen perspektivischen Ansicht.
5 zeigt noch ein weiteres additives Fertigungssystem gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung in einer schematischen perspektivischen Ansicht.
6 zeigt noch ein weiteres additives Fertigungssystem gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung in einer schematischen perspektivischen Ansicht.
7 zeigt noch ein weiteres additives Fertigungssystem gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung in einer schematischen perspektivischen Ansicht.
8 zeigt ein Blockdiagramm, das ein Verfahren der additiven Fertigung gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden hierin Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausgestaltungen lediglich Beispiele sind und andere Ausgestaltungen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, einige Merkmale könnten größer oder kleiner sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind die hier offenbarten spezifischen konstruktiven und funktionellen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage dafür, einen Fachmann zu lehren, die vorliegende Offenbarung auf unterschiedliche Weise anzuwenden. Wie ein Durchschnittsfachmann verstehen wird, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf eine der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren der anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausgestaltungen zu erzeugen, die nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben sind. Die veranschaulichten Merkmalskombinationen sehen repräsentative Ausgestaltungen für typische Anwendungen vor. Es könnten jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die den Lehren dieser Offenbarung entsprechen, für bestimmte Anwendungen oder Ausführungen erwünscht sein.
Hierin sind Systeme und Verfahren zur Ausbildung von Komponenten durch additive Fertigung vorgesehen. Die Systeme und Verfahren nutzen Laserenergiequellen, um iterativ Metallschichten aus Pulvermetallmaterial oder Draht auszubilden. Die additive Metallfertigung ist ein Verfahren, bei dem eine feste dreidimensionale Metallstruktur schichtweise aufgebaut wird, wobei typischerweise Energie oder Wärme selektiv auf Ausgangsstoffe oder Ausgangsmaterialien (z.B. in Form von Pulvern oder Drähten) aufgebracht und von diesen absorbiert wird, um diese zu schmelzen, zu verdichten, zu verfestigen, zu verschmelzen oder zu sintern und eine Schicht aus festem Material zu erzeugen. Die additive Fertigung wird synonym häufig auch dreidimensionaler Druck genannt. Nicht einschränkende Beispiele für additive Fertigungsverfahren sind u.a. Pulverbettschmelzverfahren (z.B. Lasersintern, Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen und selektives Wärmesintern), direkte Metallabscheidung, Fused Deposition Modeling, geblasene Pulververfahren (z.B. gerichtete Energieabscheidung), drahtgespeiste gerichtete Energieabscheidung (z.B. Drahtextrusionsverfahren), Flüssigmetall-3D-Drucksysteme, Ultraschallverdichtung (z.B. über eine Ultraschallenergiequelle) und Binder-Jetting. Metallische Ausgangsmaterialien können bei einigen Ausgestaltungen optional chemische oder polymere Bindemittel umfassen.
Ein digitales dreidimensionales Modellierungssystem kann dazu dienen, ein digitales Modell oder einen Bauplan der auszubildenden Komponente zu erstellen. Das physische Bauteil kann dann aus dem digitalen Modell durch ein additives Fertigungssystem geformt werden, das feste, verschmolzene Strukturen in einem schichtweisen Bauprozess erzeugt. Die Stelle und/oder der Weg, an der bzw. auf dem die Energiequelle auf die metallischen Ausgangsmaterialien einwirkt, ist durch die jeweilige Querschnittsschicht des dreidimensionalen Produkts definiert, wie sie beispielsweise durch das digitale Modell desselben festgelegt ist.
Die Einwirkung von Energie auf das metallische Ausgangsmaterial führt zu Legierungs-, Phasen- und/oder Zusammensetzungsänderungen an diesem. Zum Beispiel kann ein metallisches Ausgangsmaterial eine Mischung aus unlegierten Metallen umfassen, und die Einwirkung von Energie kann ein legiertes Metall aus dem metallischen Ausgangsmaterial erzeugen. Durch die Intensität, die Einwirkungszeit und/oder das Einwirkungsmuster der Energiequelle können bestimmte Materialeigenschaften der aus dem metallischen Ausgangsmaterial gebildeten Materialschicht erreicht werden.
Bei der additiven Fertigung durch Pulverbettschmelzen wird z.B. eine dünne Schicht des pulverförmigen Materials auf einem Pulverbett verteilt und die Energiequelle (z.B. ein Laser) auf das pulverförmige Material gerichtet, um das pulverförmige Material dort zu schmelzen, wo der Laser auftrifft. Das geschmolzene Material erstarrt und bildet dabei eine dünne Querschnittsschicht eines Produkts. Eine weitere Schicht des pulverförmigen Materials wird über die zuvor gebildete Schicht gestreut, und die Energiequelle wird auf das pulverförmige Material gerichtet, um das pulverförmige Material zu schmelzen und mit der darunter liegenden Schicht dort zu verschmelzen, wo der Laser auftrifft. Das geschmolzene Material erstarrt und bildet dabei eine etwas dickere Querschnittsschicht des Produkts. Der Vorgang wird wiederholt, bis das gesamte dreidimensionale Produkt ausgebildet ist.
Die bei der additiven Fertigung verwendeten metallischen Ausgangsmaterialien oder Pulver können Metalle wie Aluminiumlegierungen (z.B. AlSi₁₀Mg, AlSi₁₂), Kupferlegierungen, Nickellegierungen, Titanlegierungen (z.B. Tir₆Al₄V), Kobalt-Chrom-Legierungen (z.B., ASTM F75), austenitische Nickel-Chrom-Legierungen, Stahllegierungen, einschließlich Automobilstähle, rostfreie Stähle (z.B. 316L, 17-4 PH und 15-5 PH), martensitaushärtende Stähle und Baustähle (z.B. HSLA 420, 4140), neben vielen anderen metallischen Ausgangsmaterialien umfassen. Im Allgemeinen können bei den hierin vorgestellten Systemen und Verfahren alle geeigneten metallischen Ausgangsmaterialien verwendet werden, die ein Fachmann als geeignet festlegt.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein System zur additiven Metallfertigung veranschaulicht, das allgemein mit 20 bezeichnet ist. Das System 20 umfasst eine Struktur 22, die eine Baukammer 24 zur Herstellung von Teilen mittels additiver Fertigung definiert oder, anders gesagt, zum schichtweisen Aufbau eines dreidimensionalen gedruckten Teils. Vorzugsweise wird ein Pulverbettschmelzverfahren der additiven Fertigung verwendet, bei dem Schichten von Pulvermaterial aus einem Pulverbehälter 25 durch ein Pulvermetallauftragsgerät 26 auf eine Bauplattform 28 aufgebracht werden, jede Schicht mit einem Abstreifer 30 nivelliert wird und ein Teil jeder Schicht mit einem Laserstrahl 34 oder mehreren Laserstrahlen verschmolzen wird, die durch ein Fenster oder eine Linse 32 gerichtet werden, um das Teil Schicht für Schicht aufzubauen. Die Kammer 24 kann in ein Vakuum gebracht und mit einem Inertgas, wie z.B. Argon oder einem anderen Edelgas, gefüllt werden. Es ist zwar ein additives Fertigungssystem 20 durch Pulverbettschmelzen gezeigt und beschrieben, das additive Fertigungssystem 20 könnte jedoch auch eine andere Art von additivem Fertigungssystem sein, wie z.B. die oben beschriebenen.
Der Pulverbehälter 25 enthält Metallpulver, z.B. Aluminium, Stahl, Titan oder jedes beliebige andere Metallmaterial, wie oben beschrieben. Der Pulverbehälter 25 und/oder die Bauplattform 28 können fest installiert oder Teil eines Hubsystems sein, das sich vertikal bewegt, um mehrere Schichten des Pulvermaterials zu erzeugen. Das Pulvermetallauftragsgerät 26 ist z.B. dazu ausgelegt, eine Vielzahl von Schichten des Pulvermetallmaterials aufzutragen, um ein Teil auf der Bauplattform 28 aufzubauen. Die Laserquelle, die außerhalb der Kammer 24 angeordnet sein kann, ist dazu ausgelegt, einen Laserstrahl 34 (oder mehrere Laserstrahlen 34) durch die transparente Linse 32 auf jede Schicht des Pulvermetallmaterials zu richten, typischerweise in einem vorgegebenen Zielbereich, um das Pulvermetallmaterial zu verschmelzen und das Teil zu bilden. Der Laserstrahl bzw. die Laserstrahlen 34 kann bzw. können zum Beispiel einen vorgegebenen Zielbereich auf jeder Schicht des Pulvermaterials überstreichen, um das Pulvermaterial zu einer Schicht mit einer gewünschten Form zu verschmelzen. Die nächste Schicht wird dann über einer verschmolzenen Schicht aufgetragen, mit dem Abstreifer 30 abgewischt, und dann wird die neue Schicht durch den Laserstrahl bzw. die Laserstrahlen 34 verschmolzen, und so weiter.
Unter Bezugnahme auf 2 und weiterer Bezugnahme auf 1 wird, wenn der Laserstrahl 34 oder die Laserstrahlen das Pulvermetallmaterial 36 berühren, Metallkondensat 38 erzeugt. Das Metallkondensat 38 kann aus Teilchen oder Flocken in Nanometer- oder Mikrometergröße bestehen, beispielsweise in der Größenordnung von weniger als einem Mikrometer bis zu 10, 15 oder 20 Mikrometern. Um die Menge an Teilchen des Metallkondensats 38 zu reduzieren oder zu eliminieren, die die Wände 39, die Linse 32, das Teil oder andere Teile der Struktur 22 der Baukammer 24 beschichten können, umfasst das System 20 ein Element 40, das von der Vielzahl der Schichten des Pulvermaterials beabstandet ist, die geschichtet werden, um das Teil auf der Bauplattform 28 zu bilden, wobei das Element 40 dazu ausgelegt ist, das Metallkondensat 38 anzuziehen oder abzustoßen.
Das Element 40 kann mehrere verschiedene Formen annehmen, die im Folgenden näher beschrieben werden. Das Element 40 weist eine von der Kammertemperatur verschiedene Elementtemperatur auf, so dass das Element 40 dazu ausgelegt ist, das von dem Laserstrahl bzw. den Laserstrahlen 34 erzeugte Metallkondensat 38 aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen dem Element 40 und der Kammer 24 anzuziehen oder abzustoßen.
In dem in 1 veranschaulichten Beispiel ist das Element 40 eine gekühlte Platte, die dazu ausgelegt ist, die Kondensatteilchen 38 anzuziehen, weil die Platte 40 kühler ist als die Temperatur innerhalb der Kammer 24. Dementsprechend werden die Kondensatteilchen 38 von der gekühlten Platte 40 angezogen, z.B. durch Prinzipien der Thermodynamik oder der Thermophorese. Nach den Prinzipien der Thermophorese werden die Kondensatteilchen, da sie sehr klein sind, in eine Richtung weg von einem Wärmegradienten abgestoßen. Das bedeutet in diesem Fall, dass das Kondensat 38 in Richtung der gekühlten Platte 40 angezogen wird. Die Temperatur der gekühlten Platte 40 kann um einen beliebigen Betrag niedriger sein als die Temperatur in der Kammer 24. Im Allgemeinen gilt: Je größer der Temperaturgradient zwischen der Luft in der Kammer 24 und der gekühlten Platte 40 ist, desto erfolgreicher zieht die gekühlte Platte 40 das Kondensat 38 an die gekühlte Platte 40. Bei einigen Beispielen weist die gekühlte Platte 40 eine um wenigstens 10 Grad Celsius niedrigere Temperatur auf als die Luft oder das Gas in der Kammer 24. Die Kammertemperatur kann z.B. der Umgebungstemperatur von 20 bis 25 Grad Celsius entsprechen, und die Platte 40 kann kühler als 15 Grad Celsius oder als 10 Grad Celsius sein. Bei einigen Beispielen kann die Platte 40 eine viel niedrigere Temperatur, z.B. unter -180 Grad Celsius, oder eine Temperatur, die irgendwo zwischen der Umgebungstemperatur und einem so kalten Wert liegt, wie er in der Praxis über die Platte 40 erreicht werden kann, aufweisen.
Die Platte 40 kann bei einigen Beispielen größer als die Bauplattform 28 oder zumindest größer als die Baufläche sein. Im Allgemeinen gilt: Je größer die gekühlte Platte 40 ist, desto mehr Kondensatteilchen kann die gekühlte Platte 40 anziehen und sammeln.
Die gekühlte Platte 40 kann auf jede beliebige Weise gekühlt werden. Die gekühlte Platte 40 könnte z.B. kontinuierlich mit einer Kühlwirkung beaufschlagt werden. Bei einem Beispiel könnte die gekühlte Platte 40 durch Abkühlen gekühlt werden, z.B. durch Zirkulieren einer gekühlten Flüssigkeit (z.B. flüssiger Stickstoff, Argon oder Glykol) durch oder über die Platte 40. Alternativ könnte die Platte 40 im Voraus durch derartige gekühlte Flüssigkeiten gekühlt werden, ohne jedoch die gekühlten Flüssigkeiten kontinuierlich auf die Platte 40 aufzubringen. Bei einigen Beispielen kann eine gekühlte Flüssigkeit auf die Platte 40 aufgesprüht oder auf andere Weise aufgetragen werden, um die Platte 40 vor der Verwendung zu kühlen.
Die gekühlte Platte 40 oder ein anderes Element kann aus jedem beliebigen Material gebildet sein, z.B. aus rostfreiem Stahl, einer Nickel-Chrom-Superlegierung, wie sie unter dem Markennamen Inconel verkauft wird, einer anderen Legierung auf Nickelbasis, Titan oder einer Titanlegierung oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Leitfähige Materialien sind bevorzugt.
Zusätzlich zu der gekühlten Platte 40 kann das System 20 ein laminares Gasströmungssystem mit einem Einlass 42, der auf einer stromaufwärts gelegenen Seite der Bauplattform 28 angeordnet ist, und einem Auslass 44, der auf einer stromabwärts gelegenen Seite der Bauplattform 28 angeordnet ist, umfassen. Der Einlass 42 ist dazu ausgelegt, einen Gasstrom durch die Kammer 24 strömen zu lassen, um das Metallkondensat 38 innerhalb der Kammer 24 zu bewegen. Die Platte 40 ist auf der stromabwärts gelegenen Seite der Bauplattform 28 in Strömungsrichtung des Gases angeordnet. Das Metallkondensat kann z.B. durch den Auslass 44 in einem Filter (nicht gezeigt) gesammelt werden. Das Gas kann, falls gewünscht, wie das unter Bezugnahme auf 7 beschriebene erhitzte Gas erhitzt werden, um das Abstoßen des Metallkondensats 38 in Strömungsrichtung des Gases zu unterstützen.
Unter nun folgender Bezugnahme auf 3 ist ein weiteres System zur additiven Metallfertigung veranschaulicht, das allgemein mit 120 bezeichnet ist. Das System 120 kann dem oben beschriebenen System 20 ähnlich sein, außer dort, wo es als unterschiedlich beschrieben wird. Zum Beispiel umfasst das System 120 eine Struktur 122, die eine Baukammer 124 zur Herstellung von Teilen 136 mittels additiver Fertigung definiert. Das System 120 ist nur beispielhaft für die additive Fertigung durch Pulverbettschmelzen bestimmt und umfasst einen Pulverbehälter 125, wobei Pulvermetall durch ein Pulvermetallauftragsgerät 126 schichtweise auf eine Bauplattform 128 aufgebracht wird und jede Schicht mit einem Abstreifer 130 nivelliert wird. Ein Teil jeder Schicht wird mit einem Laserstrahl 134 oder mehreren Laserstrahlen, die durch eine Linse 132 gerichtet sind, verschmolzen, um das Teil 136 Schicht für Schicht aufzubauen. Wenn der Laserstrahl 134 das Pulvermetallmaterial berührt, wird Metallkondensat 138 erzeugt, wie in 2 gezeigt (das Kondensat ist in 2 als Element 38 gezeigt).
Das System 120 umfasst ein Element 140, das von der Vielzahl von Schichten des Pulvermaterials, die zur Bildung des Teils 136 geschichtet werden, beabstandet ist, wobei das Element 140 dazu ausgelegt ist, das Metallkondensat 138 anzuziehen oder abzustoßen. In diesem Fall ist das Element 140 eine rotierende Plattform, wie z.B. ein Rad, das sich dreht, oder das Element 140 könnte ein Förderband sein, das sich in die Kammer 124 hinein und aus ihr heraus bewegt. Bei dem Beispiel von 3 ist das Element 140 eine rotierende Plattform, die sich um eine Rotationsachse dreht, wobei sich bei jedem gegebenen Rotationswinkel der rotierenden Plattform 140 weniger als die Hälfte der rotierenden Plattform 140 in der Kammer 124 befindet.
Es ist ein Filtersystem 146 vorgesehen, um einen Teil 148 der rotierenden Plattform 140 zu reinigen, der aktuell außerhalb der Kammer 124 angeordnet ist. Das Filtersystem 146 kann zum Beispiel eine Bürste 150 umfassen, die die rotierende Plattform 140 bürstet. Die Bürste 150 kann an einem Ende 152 eines Vakuumrohrs 154 angeordnet sein, das dazu ausgelegt ist, das Kondensat 138 von der rotierenden Plattform durch das Rohr 154 und in einen Filter 156 zu saugen. Somit ist das Filtersystem 146 dazu ausgelegt, das Metallkondensat 138 von der rotierenden Plattform 140 zu entfernen und das Metallkondensat 138 dem Filter 156 zuzuführen.
Abluft oder Gas kann auf einen Teil 158 der rotierenden Plattform angrenzend an die Bürste 150 aufgebracht werden, während gekühlte Luft oder Flüssigkeit auf einen Teil 160 der rotierenden Plattform 140 angrenzend an eine Öffnung 162 in der Kammer aufgebracht werden kann, so dass der gekühlte Teil 160 der rotierenden Plattform in die Kammer 124 eintritt, um mehr Kondensat 138 zu sammeln.
Die rotierende Plattform 140 kann auf jede beliebige Weise gekühlt werden. Zum Beispiel könnte die rotierende Plattform 140 kontinuierlich mit einer Kühlwirkung beaufschlagt werden, z.B. mit gekühltem Gas oder gekühlter Flüssigkeit an dem Teil 160. Bei einem Beispiel könnte die rotierende Plattform 140 durch Abkühlen gekühlt werden, z.B. durch Zirkulieren einer gekühlten Flüssigkeit (z.B. flüssiger Stickstoff, Argon oder Glykol) durch oder auf die rotierende Plattform 140. Alternativ könnte die rotierende Plattform 140 im Voraus durch derartige gekühlte Flüssigkeiten gekühlt werden, ohne jedoch die gekühlten Flüssigkeiten kontinuierlich auf die rotierende Plattform 140 aufzubringen. Bei einigen Beispielen kann ein gekühltes Fluid (Gas oder Flüssigkeit) auf die rotierende Plattform 140 gesprüht oder auf andere Weise aufgebracht werden, um den Teil 160 der rotierenden Plattform 140 zu kühlen, bevor der Teil 160 in die Kammer 124 gedreht wird.
Ähnlich wie bei dem Element 40, das in Bezug auf 1 gezeigt und beschrieben ist, weist die rotierende Plattform 140 eine Elementtemperatur auf, die niedriger ist als die Kammertemperatur, so dass die rotierende Plattform 140 dazu ausgelegt ist, das Metallkondensat 138, das durch den Laserstrahl bzw. die Laserstrahlen 134 erzeugt wird, aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen der rotierenden Plattform 140 und der Kammer 124 anzuziehen. Die Temperatur des Teils 164 der rotierenden Plattform 140, der sich in der Kammer 124 befindet, kann um einen beliebigen Betrag niedriger sein als die Temperatur in der Kammer 124. Bei einigen Beispielen weist der Teil 164 der rotierenden Plattform 140 innerhalb der Kammer 124 eine um wenigstens 10 Grad Celsius niedrigere Temperatur als die Luft in der Kammer 124 auf. Die Kammertemperatur kann z.B. der Umgebungstemperatur von 20 bis 25 Grad Celsius entsprechen, und der Teil 164 der rotierenden Plattform 140 kann kühler als 15 Grad Celsius oder als 10 Grad Celsius sein. Bei einigen Beispielen kann der Teil 164 der rotierenden Plattform 140, der sich in der Kammer 124 befindet, eine viel niedrigere Temperatur, z.B. unter -180 Grad Celsius, oder eine Temperatur, die irgendwo zwischen der Umgebungstemperatur und einem so kalten Wert liegt, wie er in der Praxis über die rotierende Plattform 140 erreicht werden kann, aufweisen.
Die rotierende Plattform 140 oder ein anderes Element kann aus jedem beliebigen Material gebildet sein, z.B. aus rostfreiem Stahl, einer Nickel-Chrom-Superlegierung, wie sie unter dem Markennamen Inconel verkauft wird, einer anderen Legierung auf Nickelbasis, Titan oder einer Titanlegierung oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Leitfähige Materialien sind bevorzugt.
Das System 120 kann ein laminares Gasströmungssystem ähnlich dem, das oben in Bezug auf 1 beschrieben ist, und einen Einlass 142, der auf einer stromaufwärts gelegenen Seite der Bauplattform 128 angeordnet ist, sowie einen Auslass 144, der auf einer stromabwärts gelegenen Seite der Bauplattform 128 angeordnet ist, umfassen. Der Einlass 142 ist dazu ausgelegt, einen Gasstrom durch die Kammer 124 strömen zu lassen, um das Metallkondensat 138 innerhalb der Kammer 124 zu bewegen. Das Metallkondensat kann z.B. durch den Auslass 144 in einem Filter (der dem Filter 156 entsprechen oder von diesem getrennt sein kann) gesammelt werden.
Unter nun folgender Bezugnahme auf 4 ist ein weiteres System zur additiven Metallfertigung veranschaulicht und allgemein mit 220 bezeichnet. Das System 220 kann den oben beschriebenen Systemen 20, 120 ähnlich sein, außer dort, wo es als unterschiedlich beschrieben wird. Zum Beispiel umfasst das System 220 eine Struktur 222, die eine Baukammer 224 zur Herstellung von Teilen 236 mittels additiver Fertigung definiert. Das System 220 ist beispielhaft für die additive Fertigung durch Pulverbettschmelzen bestimmt und umfasst einen Pulverbehälter 225, wobei Pulvermetall durch ein Pulvermetallauftragsgerät 226 schichtweise auf eine Bauplattform 228 aufgebracht wird und jede Schicht mit einem Abstreifer 230 nivelliert wird. Ein Teil jeder Schicht wird mit einem Laserstrahl 234 oder mehreren Laserstrahlen, die durch eine Linse 232 gerichtet sind, verschmolzen, um das Teil 236 Schicht für Schicht aufzubauen. Wenn der Laserstrahl 234 das Pulvermetallmaterial berührt, wird Metallkondensat 38 erzeugt (wie in 2 gezeigt).
Das System 220 umfasst ein Element 240, das von der Vielzahl von Schichten des Pulvermaterials, die zur Bildung des Teils 236 geschichtet werden, beabstandet ist, wobei das Element 240 dazu ausgelegt ist, das Metallkondensat anzuziehen oder abzustoßen. In diesem Fall umgibt das Element 240 die Linse 232, durch die der Laserstrahl 234 gerichtet wird. Das Element 240 kann als Ring geformt sein oder eine andere Form aufweisen und kann durchgehend oder in einzelnen Stücken die Linse 232 umgeben.
Der Ring 240 weist eine Temperatur auf, die höher ist als die Kammertemperatur, weshalb der Ring 240 dazu ausgelegt ist, das Metallkondensat aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen dem Ring 240 und der Kammer 224 weg von dem Ring 240 und damit von der Linse 232 abzustoßen, z.B. durch Prinzipien der Thermodynamik und/oder Thermophorese. Die Temperatur des Rings 240 kann um einen beliebigen Betrag höher sein als die Temperatur in der Kammer 224. Bei einigen Beispielen weist der Ring 240 in der Kammer 224 eine um wenigstens 10 Grad Celsius höhere Temperatur auf als die Luft oder das Gas in der Kammer 224. Die Kammertemperatur kann z.B. der Umgebungstemperatur von 20 bis 25 Grad Celsius entsprechen, und die Ringtemperatur kann über 30 oder 35 Grad Celsius liegen. Bei einigen Beispielen kann der Ring 240 eine viel höhere Temperatur aufweisen, z.B. 50, 100, 150 oder 200 Grad Celsius oder mehr.
Der Ring 240 kann in jeder beliebigen Weise erhitzt werden. So kann z.B. kontinuierlich Wärme auf oder durch den Ring 240 geleitet werden, z.B. mit Strom oder erhitztem Gas oder erhitzter Flüssigkeit.
Der Ring 240 oder ein anderes die Linse 232 umgebendes Element kann aus jedem beliebigen Material gebildet sein, z.B. aus rostfreiem Stahl, einer Nickel-Chrom-Superlegierung, wie sie unter dem Markennamen Inconel verkauft wird, einer anderen Legierung auf Nickelbasis, Titan oder einer Titanlegierung oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Leitfähige Materialien sind bevorzugt.
Das System 220 kann ein laminares Gasströmungssystem umfassen, ähnlich dem, das oben in Bezug auf 1 und 3 beschrieben ist, und einen Einlass 242, der auf einer stromaufwärts gelegenen Seite der Bauplattform 228 angeordnet ist, sowie einen Auslass 244, der auf einer stromabwärts gelegenen Seite der Bauplattform 228 angeordnet ist, umfassen. Der Einlass 242 ist dazu ausgelegt, einen Gasstrom durch die Kammer 224 strömen zu lassen, um das Metallkondensat innerhalb der Kammer 224 zu bewegen. Das Metallkondensat kann z.B. durch den Auslass 244 in einem Filter (nicht gezeigt) gesammelt werden.
Unter nun folgender Bezugnahme auf 5 ist noch ein weiteres System zur additiven Metallfertigung veranschaulicht und allgemein mit 320 bezeichnet. Das System 320 kann den oben beschriebenen Systemen 20, 120, 220 ähnlich sein, außer dort, wo es als unterschiedlich beschrieben wird. Zum Beispiel umfasst das System 320 eine Struktur 322, die eine Baukammer 324 zur Herstellung von Teilen 336 mittels additiver Fertigung definiert. Wie die oben beschriebenen Systeme 20, 120, 220 kann auch das in 5 gezeigte System 320 für die additive Fertigung durch Pulverbettschmelzen ausgelegt sein und einen Pulverbehälter 325 umfassen, wobei Pulvermetall durch ein Pulvermetallauftragsgerät 326 schichtweise auf eine Bauplattform 328 aufgebracht wird und jede Schicht mit einem Abstreifer 330 nivelliert wird. Ein Teil jeder Schicht wird mit einem Laserstrahl 334 oder mehreren Laserstrahlen, die durch eine Linse 332 gerichtet sind, verschmolzen, um das Teil 336 Schicht für Schicht aufzubauen. Wenn der Laserstrahl 334 das Pulvermetallmaterial berührt, wird Metallkondensat 38 erzeugt, wie in 2 gezeigt.
Das System 320 umfasst ein Element 340, das von der Vielzahl von Schichten des Pulvermaterials, die zur Bildung des Teils 336 geschichtet werden, beabstandet ist, wobei das Element 340 dazu ausgelegt ist, das Metallkondensat anzuziehen oder abzustoßen. In diesem Fall umfasst das Element 340 eine Vielzahl von Teilen, die einen Pulverüberlaufbehälter 362 umgeben, der dazu ausgelegt ist, überschüssiges Pulvermetallmaterial aufzufangen, das mit dem Abstreifer 330 von der Bauplattform 328 abgeschabt wurde. Das Element 340 ist um den Pulverüberlaufbehälter 362 herum angeordnet, um das Metallkondensat weg von dem Pulverüberlaufbehälter 362 abzustoßen, und daher weist das Element 340 eine Temperatur auf, die höher ist als die Kammertemperatur, ähnlich wie bei dem oben beschriebene Ring 240. Das Element 340 ist dazu ausgelegt, das Metallkondensat von dem Pulverüberlaufbehälter 362 abzustoßen, um das überschüssige Pulvermetall in dem Behälter 362 sauber zu halten und es wieder verwenden zu können. (Bei ausreichender Verunreinigung mit Metallkondensat ist das überschüssige Pulvermetall nicht wiederverwendbar).
Wie der Ring 240 stößt auch das Element 340, das den Pulverüberlaufbehälter 362 umgibt, das Metallkondensat aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen dem Element 340 und der Kammer 324 ab, z.B. durch Prinzipien der Thermodynamik und/oder Thermophorese. Die Temperatur des Elements 340 kann um einen beliebigen Betrag höher sein als die Temperatur in der Kammer 324. Bei einigen Beispielen weist das Element 340 eine um wenigstens 10 Grad Celsius höhere Temperatur auf als die Luft oder das Gas in der Kammer 324. Die Kammertemperatur kann z.B. der Umgebungstemperatur von 20 bis 25 Grad Celsius entsprechen, und die Elementtemperatur kann über 30 oder 35 Grad Celsius liegen. Bei einigen Beispielen kann das Element 340 eine viel höhere Temperatur aufweisen, z.B. 50, 100, 150 oder 200 Grad Celsius oder mehr.
Das Element 340 kann auf jede beliebige Weise erhitzt werden. So kann z.B. kontinuierlich Wärme auf oder durch das Element 340 geleitet werden, z.B. mit Strom oder erhitztem Gas oder erhitzter Flüssigkeit.
Das Element 340, das den Pulverüberlaufbehälter 362 umgibt, kann aus jedem beliebigen Material gebildet sein, z.B. aus rostfreiem Stahl, einer Nickel-Chrom-Superlegierung, wie sie unter dem Markennamen Inconel verkauft wird, einer anderen Legierung auf Nickelbasis, Titan oder einer Titanlegierung oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Leitfähige Materialien sind bevorzugt.
Das System 320 kann ein laminares Gasströmungssystem umfassen, ähnlich dem, das oben in Bezug auf 1, 3 und 4 beschrieben ist, und einen Einlass 342, der auf einer stromaufwärts gelegenen Seite der Bauplattform 328 angeordnet ist, sowie einen Auslass 344, der auf einer stromabwärts gelegenen Seite der Bauplattform 328 angeordnet ist, umfassen. Der Einlass 342 ist dazu ausgelegt, einen Gasstrom durch die Kammer 324 strömen zu lassen, um das Metallkondensat innerhalb der Kammer 324 zu bewegen. Das Metallkondensat kann z.B. durch den Auslass 344 in einem Filter (nicht gezeigt) gesammelt werden.
Unter nun folgender Bezugnahme auf 6 ist noch ein weiteres System zur additiven Metallfertigung veranschaulicht und allgemein mit 420 bezeichnet. Das System 420 kann den oben beschriebenen Systemen 20, 120, 220, 320 ähnlich sein, außer dort, wo es als unterschiedlich beschrieben wird. Zum Beispiel umfasst das System 420 eine Struktur 422, die eine Baukammer 424 zur Herstellung von Teilen 436 mittels additiver Fertigung definiert. Wie die oben beschriebenen Systeme 20, 120, 220, 320 kann auch das in 6 gezeigte System 320 für die additive Fertigung durch Pulverbettschmelzen ausgelegt sein und einen Pulverbehälter 425 umfassen, wobei Pulvermetall durch ein Pulvermetallauftragsgerät 426 schichtweise auf eine Bauplattform 428 aufgebracht wird und jede Schicht mit einem Abstreifer 430 nivelliert wird. Ein Teil jeder Schicht wird mit einem Laserstrahl 434, der durch eine Linse 432 gerichtet wird, verschmolzen, um das Teil 436 Schicht für Schicht aufzubauen. Wenn der Laserstrahl bzw. die Laserstrahlen 434 das Pulvermetallmaterial berühren, entsteht Metallkondensat 38, wie in 2 gezeigt.
Das System 420 umfasst eine Vielzahl von Elementen 440, 440A, 441, 441A, die von der Vielzahl von Schichten aus Pulvermaterial, die zur Bildung des Teils 436 geschichtet werden, beabstandet sind, wobei die Elemente 440, 440A, 441, 441A dazu ausgelegt sind, das Metallkondensat anzuziehen oder abzustoßen.
Das System 420 kann auch ein laminares Gasströmungssystem umfassen, ähnlich dem, das oben in Bezug auf 1, 3, 4 und 5 beschrieben ist, und einen Einlass 442, der auf einer stromaufwärts gelegenen Seite der Bauplattform 428 angeordnet ist, sowie einen Auslass 444, der auf einer stromabwärts gelegenen Seite der Bauplattform 428 angeordnet ist, umfassen. Der Einlass 442 ist dazu ausgelegt, einen Gasstrom durch die Kammer 424 strömen zu lassen, um das Metallkondensat innerhalb der Kammer 424 zu bewegen. Das Metallkondensat kann z.B. durch den Auslass 444 in einem Filter (nicht gezeigt) gesammelt werden.
Zwei der Elemente 440, 440A sind wärmer als die Kammertemperatur und sind auf einer stromaufwärts gelegenen Seite der Bauplattform 428 und/oder der Laserlinse 432 angeordnet. Die beiden anderen Elemente 441, 441A sind kühler als die Kammertemperatur und sind auf einer stromabwärts gelegenen Seite der Bauplattform 428 und/oder der Laserlinse 432 angeordnet.
In diesem Fall ist ein wärmeres Element 440 entlang der stromaufwärts gelegenen Wand 464 der Kammer 424 angeordnet, und das andere wärmere Element 440A ist auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Laserlinse 432 angeordnet. Wie die anderen Elemente 240, 340, die als wärmer als die Kammertemperatur beschrieben sind, sind die Elemente 440, 440A dazu ausgelegt, das Kondensat innerhalb der Kammer 424 aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen den wärmeren Elementen 440, 440A und der Kammer 424 abzustoßen, z.B. durch Prinzipien der Thermodynamik und/oder Thermophorese. Die Temperatur der wärmeren Elemente 440, 440A kann um jeden beliebigen Betrag höher sein als die Temperatur in der Kammer 424. Bei einigen Beispielen weisen die wärmeren Elemente 440, 440A in der Kammer 424 eine um wenigstens 10 Grad Celsius höhere Temperatur auf als die Luft oder das Gas in der Kammer 424. Die Kammertemperatur kann z.B. der Umgebungstemperatur von 20 bis 25 Grad Celsius entsprechen, und die Temperatur der wärmeren Elemente kann über 30 oder 35 Grad Celsius liegen. Bei einigen Beispielen können die wärmeren Elemente 440, 440A eine viel höhere Temperatur aufweisen, z.B. 50, 100, 150 oder 200 Grad Celsius oder mehr.
Die wärmeren Elemente 440, 440A können auf jede beliebige Weise erhitzt werden. So kann z.B. kontinuierlich Wärme auf oder durch die Element 440, 440A geleitet werden, z.B. mit Strom oder erhitztem Gas oder erhitzter Flüssigkeit.
Eines der kühleren Elemente 441 ist entlang der stromabwärts gelegenen Wand 466 der Kammer 424 angeordnet, und das andere kühlere Element 441 A ist auf der stromabwärts gelegenen Seite der Laserlinse 432 angeordnet. Wie die anderen Elemente 40, 140, die als kühler als die Kammertemperatur beschrieben sind, sind die Elemente 441, 441A dazu ausgelegt, das Kondensat innerhalb der Kammer 424 aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen den kühleren Elementen 441, 441A und der Kammer 424 anzuziehen, z.B. durch Prinzipien der Thermodynamik und/oder Thermophorese.
Die Temperatur der kühleren Elemente 441, 441A kann um einen beliebigen Betrag niedriger sein als die Temperatur in der Kammer 424. Bei einigen Beispielen weisen die kühleren Elemente 441, 441A eine um wenigstens 10 Grad Celsius niedrigere Temperatur auf als die Luft in der Kammer 424. Die Kammertemperatur kann z.B. der Umgebungstemperatur von 20 bis 25 Grad Celsius entsprechen, und die kühleren Elemente 441, 441A können kühler als 15 Grad Celsius oder als 10 Grad Celsius sein. Bei einigen Beispielen können die kühleren Elemente 441, 441A eine viel niedrigere Temperatur, z.B. unter -180 Grad Celsius, oder eine Temperatur, die irgendwo zwischen der Umgebungstemperatur und einem so kalten Wert liegt, wie er in der Praxis über die Elemente 441, 441A erreicht werden kann, aufweisen.
Die Elemente 440, 440A, 441, 441A können aus jedem beliebigen Material gebildet sein, z.B. aus rostfreiem Stahl, einer Nickel-Chrom-Superlegierung, wie sie unter dem Markennamen Inconel verkauft wird, einer anderen Legierung auf Nickelbasis, Titan oder einer Titanlegierung, oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Leitfähige Materialien sind bevorzugt. Die Elemente 440, 440A, 441, 441A können auf jede beliebige Weise erhitzt oder gekühlt werden, wie z.B. auf die oben in Bezug auf 1, 3, 4, und 5 beschriebene Weise.
Das laminare Strömungssystem und die Elemente 440, 440A, 441, 441A wirken zusammen, um Kondensat von der Linse 432 und in Richtung der kühleren Elemente 441, 441A abzustoßen. So wird z.B. jegliches Kondensat (das an der Bauplattform 428 entsteht) sowohl durch die erhitzten Elemente 440, 440A als auch durch das laminare Gas, das durch die Einlassöffnungen 442 in die Kammer 424 strömt, davon abgehalten, sich stromaufwärts zu bewegen. Das Kondensat, das sich dann in eine stromabwärts verlaufende Richtung bewegt, wird durch die Abstoßungseigenschaft der erhitzten Elemente 440, 440A und durch die Anziehungseigenschaft der gekühlten Elemente 441, 441A von der laminaren Strömung in eine stromabwärts verlaufende Richtung zu den gekühlten Elementen 441, 441A mitgeführt, wo das Kondensat darauf gesammelt werden kann.
Unter nun folgender Bezugnahme auf 7 ist ein weiteres System zur additiven Metallfertigung veranschaulicht und allgemein mit 520 bezeichnet. Das System 520 kann den oben beschriebenen Systemen 20, 120, 220, 320, 420 ähnlich sein, außer dort, wo es als unterschiedlich beschrieben wird. Zum Beispiel umfasst das System 520 eine Struktur 522, die eine Baukammer 524 zur Herstellung von Teilen mittels additiver Fertigung definiert. Wie die oben beschriebenen Systeme 20, 120, 220, 320, 420 ist auch das in 7 gezeigte System 520 für die additive Fertigung durch Pulverbettschmelzen bestimmt und umfasst einen Pulverbehälter (nicht gezeigt), wobei Pulvermetall durch ein Pulvermetallauftragsgerät (nicht gezeigt) schichtweise auf eine Bauplattform 528 aufgebracht wird und jede Schicht mit einem Abstreifer (nicht gezeigt) nivelliert wird. Ein Teil jeder Schicht wird mit einem Laserstrahl oder mehreren Laserstrahlen verschmolzen, um das Teil bzw. die Teile 529 Schicht für Schicht aufzubauen. Wenn der Laserstrahl das Pulvermetallmaterial berührt, wird Metallkondensat 38 erzeugt, wie in 2 gezeigt.
Bei dem Beispiel von 7 ist die Bauplattform 528 des additiven Fertigungssystems 520 eine rotierende Plattform, die einen hohen Durchsatz ermöglicht. Genauer gesagt ist die Bauplattform 528 ringförmig und dreht sich um eine Mittelachse X. Das additive Fertigungssystem 520 ist in der Lage, Werkstücke 529 in hohen Stückzahlen zu produzieren, indem es den kontinuierlichen Betrieb eines leistungsstarken Laserflächenabtastsystems ermöglicht, wie es in der US-Patentschrift Nr. 2018/0311731 beschrieben ist, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit einbezogen ist.
Ein oder mehrere Elemente 540 können um den Außenumfang der ringförmigen Bauplattform 528 angeordnet sein, wobei die Elemente 540 dazu ausgelegt sind, das Metallkondensat wie die Elemente 40, 140, 441, 441A, die in Bezug auf 1, 3 beziehungsweise 6 gezeigt und geschrieben sind, anzuziehen. Die Elemente 540 können, wie gezeigt, entlang dem Umfang der Bauplattform 528 in Form eines unterbrochenen Rings angeordnet sein, oder das Element 540 könnte ein einzelner, durchgehender Ring sein, der, falls gewünscht, um die Bauplattform 528 herum angeordnet ist. Die Elemente 540 sind kühler als die Kammertemperatur und sind auf einer stromabwärts gelegenen Seite der Bauplattform 528 angeordnet, die sich außerhalb des Umfangs der ringförmigen Bauplattform 528 befindet.
Wie die anderen Elemente 40, 140, 441, 441A, die als kühler als die Kammertemperatur beschrieben sind, sind die Elemente 540 dazu ausgelegt, das Kondensat innerhalb der Kammer 524 aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen den kühleren Elementen 540 und der Kammer 524 anzuziehen, z.B. durch Prinzipien der Thermodynamik und/oder Thermophorese. Die Temperatur der Kühlelemente 540 kann um einen beliebigen Betrag niedriger sein als die Temperatur in der Kammer 524. Bei einigen Beispielen weisen die kühleren Elemente 540 eine um wenigstens 10 Grad Celsius niedrigere Temperatur auf als die Luft oder das Gas in der Kammer 524. Die Kammertemperatur kann z.B. der Umgebungstemperatur von 20 bis 25 Grad Celsius entsprechen, und die kühleren Elemente 540 können kühler als 15 Grad Celsius oder als 10 Grad Celsius sein. Bei einigen Beispielen können die kühleren Elemente 540 eine viel niedrigere Temperatur, z.B. unter - 180 Grad Celsius, oder eine Temperatur, die irgendwo zwischen der Umgebungstemperatur und einem so kalten Wert liegt, wie er in der Praxis über die Elemente 540 erreicht werden kann, aufweisen.
Wie die oben beschriebenen kühlen Elemente 40, 140, 441, 441A können die kühlen Elemente 540 aus jedem beliebigen Material gebildet sein, z.B. aus rostfreiem Stahl, einer Nickel-Chrom-Superlegierung, wie sie unter dem Markennamen Inconel verkauft wird, einer anderen Legierung auf Nickelbasis, Titan oder einer Titanlegierung, oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Leitfähige Materialien sind bevorzugt. Die Elemente 540 können auf jede gewünschte Weise gekühlt werden, wie z.B. auf die oben in Bezug auf 1 und 3 beschriebene Weise.
Das System 520 kann auch ein abstoßendes Gasströmungssystem umfassen, das warmes oder heißes Gas 443 von der Mitte der Bauplattform 528 durch ein Rohr 580 und über das Teil bzw. die Teile 529 hinaus zu den äußeren kühlen Elementen 540 leitet. Das Rohr 580 ist entlang der Mittelachse X angeordnet und dazu ausgelegt, das erhitzte Gas 443 über die Bauplattform 528 abzugeben, um das Metallkondensat in Richtung des Elements bzw. der Elemente 540 abzusto-ßen. Auf diese Weise wird das Kondensat von dem heißen Gas 443 abgestoßen und zu den kühlen Elementen 540 hingezogen.
Das heiße oder warme Gas 443 ist wärmer als die Kammertemperatur. Wie die Elemente 240, 340, 440, 440A, die als wärmer als die Kammertemperatur beschrieben sind, stößt das heiße oder warme Gas 443 das Kondensat innerhalb der Kammer 524 aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen dem warmen/- heißen Gas 443 und der Kammer 524 ab, z.B. durch Prinzipien der Thermodynamik und/oder Thermophorese. Die Temperatur des warmen/heißen Gases 443 kann um einen beliebigen Betrag höher sein als die Temperatur in der Kammer 524. Bei einigen Beispielen weist das warme/heiße Gas 443 eine um wenigstens 10 Grad Celsius höhere Temperatur auf als die Luft oder das andere Gas in der Kammer 524. Die Kammertemperatur kann z.B. der Umgebungstemperatur von 20 bis 25 Grad Celsius entsprechen, und die Temperatur des warmen/heißen Gases kann über 30 oder 35 Grad Celsius liegen. Bei einigen Beispielen kann das warme/heiße Gas eine viel höhere Temperatur aufweisen, z.B. 50, 100, 150 oder 200 Grad Celsius oder mehr.
Das erhitzte Gas 443 und die kühlen Elemente 540 wirken zusammen, um Kondensat von der Mittelachse X und den Teilen 529 sowie der Laserlinse (nicht gezeigt) zu den kühleren Elementen 540, die entlang dem Umfang der Bauplattform 528 angeordnet sind, abzustoßen. So wird z.B. jegliches Kondensat (das an der Bauplattform 528 erzeugt wird) durch das erhitzte Gas 443 davon abgehalten, sich in Richtung der Mittelachse X zu bewegen. Das Kondensat, das sich dann in eine stromabwärts verlaufende Richtung zum Umfang der Bauplattform 528 bewegt, wird durch das erhitzte Gas 443 und durch die Anziehungseigenschaft der gekühlten Elemente 540 in eine stromabwärts verlaufende Richtung zu den gekühlten Elementen 540 mitgeführt, wo das Kondensat darauf gesammelt werden kann.
Unter nun folgender Bezugnahme auf 8 ist ein Verfahren zur additiven Fertigung in einem Blockdiagramm veranschaulicht und allgemein mit 600 bezeichnet. Das Verfahren 600 kann z.B. von einem System durchgeführt werden, wie z.B. von einem der oben beschriebenen Systeme 20, 120, 220, 320, 420, 520, oder von einem anderen System. Das Verfahren 600 umfasst einen Schritt 602 des schichtweisen Auftragens von Pulvermetallmaterial auf eine Bauplattform innerhalb einer Kammer, wobei die Kammer eine Kammertemperatur aufweist. Das Verfahren 600 umfasst einen Schritt 604 des Richtens eines oder mehrerer Laserstrahlen in die Kammer, um jede Schicht des Pulvermetallmaterials zu berühren und das Pulvermetallmaterial für die additive Fertigung zu schmelzen, wobei Metallkondensat von dem Laserstrahl bzw. den Laserstrahlen erzeugt wird, die das Pulvermetallmaterial berühren. Das Verfahren 600 umfasst ferner einen Schritt 606 des Anziehens oder Abstoßens des Metallkondensats mit einem Element, das eine von der Kammertemperatur verschiedene Elementtemperatur aufweist.
Das Verfahren 600 kann zusätzliche Optionen umfassen, wie z.B. jede andere Option, die oben in Bezug auf die Systeme 20, 120, 220, 320, 420, 520 beschrieben wurde. Zum Beispiel kann das Verfahren 600 das Bereitstellen der Kammertemperatur und der Elementtemperatur so umfassen, dass diese um wenigstens 10 Grad Celsius voneinander abweichen. Die Elementtemperatur kann niedriger als die Kammertemperatur sein, und der Schritt 606 des Anziehens oder Abstoßens kann das Anziehen des Metallkondensats umfassen. Das Verfahren 600 kann außerdem das Rotieren des Elements umfassen, um das Metallkondensat zu sammeln und zu entfernen, wie in 3 gezeigt. Bei einigen Beispielen kann die Elementtemperatur höher sein als die Kammertemperatur, und der Schritt des Anziehens oder Abstoßens 606 kann das Abstoßen des Metallkondensats umfassen. Das Verfahren 600 kann das Anordnen des Elements um eine Linse herum umfassen, durch die der Laserstrahl gerichtet wird, um das Metallkondensat weg von der Linse abzustoßen, wie in 4 gezeigt.
Bei einigen Beispielen kann das Verfahren 600 das Durchströmen eines Inertgases durch die Kammer über einen Einlass, der auf einer stromaufwärts gelegenen Seite einer Bauplattform angeordnet ist, und einen Auslass, der auf einer stromabwärts gelegenen Seite der Bauplattform angeordnet ist, umfassen. Der Schritt des Anziehens oder Abstoßens 606 kann das Anziehen des Metallkondensats auf der stromabwärts gelegenen Seite der Bauplattform über das gekühlte Element umfassen, wie in 6 gezeigt. Das Verfahren 606 kann ferner das Abstoßen des Metallkondensats auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Bauplattform über ein erhitztes Element umfassen, wie ebenfalls in 6 gezeigt. Unter Bezugnahme auf 7-8 kann das Verfahren 600 einen Schritt des Rotierens einer Bauplattform um eine Mittelachse umfassen, wobei das Element nach außen um die Bauplattform herum angeordnet ist, sowie einen Schritt des Abgebens eines erhitzten Gases über die Bauplattform, um das Metallkondensat in Richtung des Elements abzustoßen.
Bei jedem der oben beschriebenen Systeme 20, 120, 220, 320, 420, 520 können die Elemente mit denen anderer Systeme 20, 120, 320, 420, 520 kombiniert werden, oder zusammen gezeigte Elemente können getrennt sein. Die kühlen oder warmen/heißen Elemente 40, 140, 240, 340, 440, 440A, 441, 441A, 443, 540 sind zwar für die Verwendung in additiven Fertigungssystemen 20, 120, 220, 320, 420, 520 durch Pulverbettschmelzen veranschaulicht, es versteht sich jedoch, dass die Elemente 40, 140, 240, 340, 440, 440A, 441, 441A, 443, 540 zur Steuerung von Kondensat in anderen Arten von additiven Fertigungssystemen nützlich wären, und es ist hierin denkbar, dass die Elemente 40, 140, 240, 340, 440, 440A, 441, 441A, 443, 540 in anderen Arten von additiven Fertigungssystemen verwendet werden.
Die Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur, und Abweichungen sind dazu bestimmt, in dem Umfang dieser Offenbarung liegen. Die hierin gezeigten Beispiele können auf verschiedene Weise kombiniert werden, ohne den Geist und den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Solche Abweichungen sind nicht als Abweichung von dem Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung aufzufassen.

Claims

Additives Fertigungssystem, umfassend: eine Struktur, die eine Kammer zur Herstellung von Teilen mittels additiver Fertigung definiert, wobei die Kammer eine Kammertemperatur aufweist, ein Pulvermetallauftragsgerät, das dazu ausgelegt ist, eine Vielzahl von Schichten von Pulvermetallmaterial aufzutragen, um ein Teil auf einer Bauplattform zu bauen, eine Laserquelle, die dazu ausgelegt ist, wenigstens einen Laserstrahl auf jede Schicht des Pulvermetallmaterials zu richten, um das Pulvermetallmaterial zu schmelzen, wobei durch den wenigstens einen Laserstrahl, der das Pulvermetallmaterial berührt, Metallkondensat erzeugt wird, und ein Element, das von der Vielzahl von Schichten von Pulvermaterial beabstandet ist, wobei das Element eine von der Kammertemperatur verschiedene Elementtemperatur aufweist, wobei das Element dazu ausgelegt ist, das Metallkondensat aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen dem Element und der Kammer anzuziehen oder abzustoßen.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 1, wobei der Temperaturunterschied wenigstens 10 Grad Celsius beträgt, wobei die Elementtemperatur niedriger ist als die Kammertemperatur und das Element dazu ausgelegt ist, das Metallkondensat anzuziehen.
Additives Fertigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Element wenigstens eines der folgenden ist: eine Platte, eine rotierende Plattform, ein Element, das eine Linse umgibt, und ein Element, das um einen Pulverüberlaufbehälter herum angeordnet ist.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, wobei der Temperaturunterschied wenigstens 10 Grad Celsius beträgt, wobei die Elementtemperatur höher ist als die Kammertemperatur und wobei das Element dazu ausgelegt ist, das Metallkondensat abzustoßen.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner umfassend ein Gasströmungssystem mit einem Einlass, der auf einer stromaufwärts gelegenen Seite der Bauplattform angeordnet ist, und einem Auslass, der auf einer stromabwärts gelegenen Seite der Bauplattform angeordnet ist, wobei der Einlass dazu ausgelegt ist, einen Gasstrom durch die Kammer strömen zu lassen, um das Metallkondensat innerhalb der Kammer zu bewegen, wobei das Element ein gekühltes Element ist, das auf der stromabwärts gelegenen Seite der Bauplattform angeordnet ist, um das Metallkondensat anzuziehen, wobei das additive Fertigungssystem ferner ein erhitztes Element umfasst, das auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Bauplattform angeordnet ist, um das Metallkondensat abzustoßen.
Additives Fertigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Element eine rotierende Plattform ist und das additive Fertigungssystem ferner ein Filtersystem umfasst, das dazu ausgelegt ist, das Metallkondensat von der rotierenden Plattform zu entfernen und das Metallkondensat einem Filter zuzuführen.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Bauplattform dazu ausgelegt ist, sich um eine Mittelachse zu drehen, wobei das Element nach außen um die Bauplattform herum angeordnet ist, wobei das additive Fertigungssystem ferner ein Rohr umfasst, das entlang der Mittelachse angeordnet und dazu ausgelegt ist, ein erhitztes Gas über die Bauplattform abzugeben, um das Metallkondensat zu dem Element hin abzustoßen.
Verfahren zur additiven Fertigung, umfassend: schichtweises Auftragen von Pulvermetallmaterial auf eine Bauplattform innerhalb einer Kammer, wobei die Kammer eine Kammertemperatur aufweist, Richten wenigstens eines Laserstrahls in die Kammer, um jede Schicht des Pulvermetallmaterials zu berühren und das Pulvermetallmaterial für die additive Fertigung zu schmelzen, wobei Metallkondensat von dem wenigstens einen Laserstrahl, der das Pulvermetallmaterial berührt, erzeugt wird, und Anziehen oder Abstoßen des Metallkondensats mit einem Element, das eine von der Kammertemperatur verschiedene Elementtemperatur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Kammertemperatur und die Elementtemperatur um wenigstens 10 Grad Celsius voneinander abweichen.
Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, ferner umfassend das Rotieren des Elements, um das Metallkondensat zu sammeln und zu entfernen.