DE102021111133A1

DE102021111133A1 - Lokale sammlung von verunreinigungen, die während des metallpulverbettschmelzprozesses entstehen

Info

Publication number: DE102021111133A1
Application number: DE102021111133.1A
Authority: DE
Inventors: Md Ashabul Anam; Mark A. Smith; Tyson W. BROWN; Richard J. Skurkis; HyungMin Chae; Whitney A. Poling
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2021-04-29
Publication date: 2022-05-05
Also published as: US11772162B2; US20220134425A1; CN114505494A

Abstract

Ein Pulverbett-Schmelzsystem umfasst ein Pulverbett mit einer Aufbaufläche und einem Vakuumsystem. Das Vakuumsystem umfasst eine Sammelvorrichtung, die über der Aufbaufläche positioniert ist. Die Sammelvorrichtung umfasst einen Körper, einen in dem Körper definierten Weg, wobei der Weg in einer Durchgangsöffnung endet, und einen Teilchenhalter, der mit dem Körper in der Nähe der Durchgangsöffnung verbunden ist. Ein Verfahren zum Bilden eines Bauteils umfasst das Bilden einer Schicht aus ungeschmolzenem Metallpulver auf einem Pulverbett mit einer Wiederbeschichtungsvorrichtung, das Einleiten von Gas in das Pulverbett und das Anlegen eines Vakuums mit einer Sammelvorrichtung, das Schmelzen eines Teils der Schicht aus ungeschmolzenem Metallpulver auf dem Pulverbett mit einer Wärmequelle, um eine Bauteilschicht zu bilden, und das Erzeugen von Verunreinigungen, das Sammeln der Verunreinigungen von dem Pulverbett mit dem Gas und dem von der Sammelvorrichtung angelegten Vakuum.

Description

Das Pulverbettschmelzen ist ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte, bei dem eine Wärmequelle, z. B. ein Laser- oder Elektronenstrahl, auf eine Schicht aus ungeschmolzenem Metall- oder Polymer-Pulvermaterial gerichtet wird, das in einer Aufbauplatte abgelegt ist. Die Wärmequelle verfestigt einen Teil des Pulvers, um eine Schicht des dreidimensionalen Objekts zu bilden. Die Aufbauplatte wird dann relativ zum Brennpunkt der Wärmequelle abgesenkt, um die nächste Schicht aus ungeschmolzenem Pulver aufzunehmen, die dann über dem geschmolzenen und ungeschmolzenen Pulver im Pulverbett aufgebracht wird. Das dreidimensionale Objekt wird dann Schicht für Schicht geformt. Das im Pulverbett verbleibende ungeschmolzene Pulver hilft, das dreidimensionale Objekt während der Formung zu stützen.
Verunreinigungen durch mitgerissenes Pulver, verdampftes Metall und Spritzer bilden sich manchmal, wenn ein Laser als Wärmequelle zum Schmelzen von Metallpulver verwendet wird. Diese Verunreinigungen können zu Porosität und anderen Beeinträchtigungen im dreidimensionalen Teil führen, die Wiederverwendbarkeit des ungeschmolzenen Pulvers verringern, einen Teil der Laserlinse blockieren und die für die Reinigung der Oberflächen in der Baukammer erforderliche Zeit erhöhen. Spritzer können aus einer Reihe von Quellen resultieren, einschließlich des Ausstoßes von ungeschmolzenem Pulver durch gasförmige Dampfstrahlen, die durch die örtliche Lasererwärmung erzeugt werden, des Ausstoßes von Flüssigkeitströpfchen aus dem Schmelzbad durch metallische Dampfstrahlen, die durch die örtliche Lasererwärmung erzeugt werden, Pulveragglomeration, einschließlich Fest-Flüssig-Agglomeration und Flüssig-Flüssig-Agglomeration, bei der teilweise geschmolzenes oder flüssiges Pulver in der Nähe des Schmelzbades agglomeriert, aber nicht Teil des Schmelzbades wird, sowie durch Spritzerausstoß von flüssiger Schmelze aus Bauteildefekten, z.B. durch eingeschlossene Gase, die in Hohlräumen freigesetzt werden. Die chemische Zusammensetzung der Spritzer kann sich durch die Oxidation der Spritzer verändern.
Verunreinigungen werden oft mit Hilfe eines Inertgasstroms, der über dem Pulverbett fließt, aus dem Baubereich entfernt. Ein Teil der Spritzer und Verunreinigungen wird vom Gasstrom mitgerissen und aus dem Baubereich herausgetragen. Schwerere Verunreinigungen können jedoch in das Pulverbett zurückfallen. Diese Verunreinigungen können sich mit dem ungeschmolzenen Pulver vermischen oder auf geschmolzene Pulverschichten fallen, was später zu Hohlräumen und Porosität oder anderen Defekten führen kann.
Während die derzeit verwendeten Sammelverfahren ihren Zweck erfüllen, besteht daher ein Bedarf an einem neuen und verbesserten System und Verfahren zur lokalen Sammlung von Verunreinigungen, die während des Metallpulverbett-Schmelzprozesses entstehen.
BESCHREIBUNG
Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Pulverbett-Schmelzsystem ein Pulverbett mit einer Aufbaufläche und einem Vakuumsystem. Das Vakuumsystem umfasst eine Sammelvorrichtung, die über der Aufbaufläche positioniert ist. Die Sammelvorrichtung umfasst einen Körper, einen im Körper definierten Weg, wobei der Weg in einer Durchgangsöffnung endet, und einen Partikelrückhalter, der mit dem Körper in der Nähe der Durchgangsöffnung verbunden ist.
In weiteren Aspekten umfasst der Partikelrückhalter eine Magnetwalze.
In noch weiteren Aspekten wird die Magnetwalze von einem Motor angetrieben.
In weiteren Aspekten umfasst der Partikelrückhalter eine Bürste.
In noch weiteren Aspekten wird die Bürste von einer Turbine angetrieben.
In weiteren Aspekten umfasst das Vakuumsystem einen einziehbaren Schlauch, der mit dem Körper verbunden ist.
In zusätzlichen Aspekten ist eine Kreiselpumpe mit dem Körper in der Durchgangsöffnung verbunden.
In zusätzlichen Aspekten wird eine Wiederbeschichtungsvorrichtung mit einem Zuführungspfad durch den Körper definiert.
In weiteren Aspekten enthält der Körper außerdem einen Boden und das Pulverbett-Schmelzsystem enthält außerdem eine Nivelliervorrichtung, die sich am oder in der Nähe des Bodens des Körpers befindet.
Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Pulverbett-Schmelzsystem ein Pulverbett mit einer Aufbaufläche, einen Zufuhrtank, eine mit dem Zufuhrtank verbindbaren, über dem Pulverbett beweglichen Wiederbeschichtungsvorrichtung, eine über dem Pulverbett angeordnete Wärmequelle, ein Vakuumsystem und ein mit dem Pulverbett verbundenes Gaszufuhrsystem. Das Vakuumsystem umfasst eine Sammelvorrichtung, die über der Aufbaufläche angeordnet ist. Die Sammelvorrichtung umfasst einen Körper, einen in dem Körper definierten Weg, wobei der Weg in einer Durchgangsöffnung endet, und einen Teilchenhalter, der mit dem Körper in der Nähe der Durchgangsöffnung verbunden ist.
In weiteren Aspekten sind die Wiederbeschichtungsvorrichtung und die Sammelvorrichtung integriert.
In weiteren Aspekten ist die Sammelvorrichtung relativ zum Pulverbett beweglich.
In weiteren Aspekten ist das Pulverbett relativ zur Sammelvorrichtung beweglich.
In weiteren Aspekten umfasst das Pulverbett einen Vakuumanschluss und die Sammelvorrichtung ist beweglich, um den Partikelrückhalter auf den Vakuumanschluss auszurichten.
Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils die Bildung einer Schicht aus ungeschmolzenem Metallpulver auf einem Pulverbett mit einem Wiederbeschichtungsvorrichtung. Das Verfahren umfasst ferner das Einleiten von Gas in das Pulverbett und das Anlegen eines Vakuums mit einer Sammeleinrichtung. Das Verfahren umfasst weiterhin das Schmelzen eines Teils der Schicht aus ungeschmolzenem Metallpulver auf dem Pulverbett mit einer Wärmequelle, um eine Bauteilschicht zu bilden und Verunreinigungen zu erzeugen. Das Verfahren umfasst auch das Sammeln der Verunreinigungen aus dem Pulverbett mit dem Gas und dem durch die Sammelvorrichtung angelegten Vakuum, wobei die Sammelvorrichtung in einem Abstand gehalten wird, der geringer ist als ein maximaler Abstand von der Wärmequelle.
In weiteren Aspekten sind die Wiederbeschichtungsvorrichtung und die Sammelvorrichtung integriert.
In zusätzlichen Aspekten umfasst das Verfahren außerdem das Zuführen von ungeschmolzenem Metallpulver aus einem Zufuhrtank in den Wiederbeschichtungsvorrichtung.
In zusätzlichen Aspekten umfasst das Verfahren außerdem, dass zuerst ein Rand der Komponentenschicht und dann eine Füllung der Komponentenschicht verschmolzen wird.
In weiteren Aspekten umfasst das Verfahren außerdem das Aufteilen der Füllung der Komponentenschicht in Segmente einer bestimmten Breite, das Schmelzen eines ersten der Segmente der Füllung und dann das Schmelzen eines angrenzenden Segments der Füllung.
In weiteren Aspekten umfasst das Verfahren außerdem das Abwinkeln der Sammelvorrichtung.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Figuren dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1 ist eine schematische Darstellung eines Metallpulverbett-Schmelzsystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
2 ist eine schematische Darstellung eines Sammelsystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
3 zeigt ein dreidimensionales Bauteil, das in Schichten unterteilt ist, aus denen das Bauteil gebildet wird;
4 zeigt ein Erfassungssystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
5A zeigt eine Sammelvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
5B ist eine Frontansicht der Sammelvorrichtung von 5A gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
6A zeigt eine Sammelvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
6B ist eine Frontansicht der Sammelvorrichtung von 6A gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
7 zeigt die Positionierung eines Sammelsystems relativ zu einer Komponente und der Wärmequelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
8 illustriert die Positionierung einer Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung relativ zu einem Bauteil und der Wärmequelle in einem kontinuierlichen Metallpulverbett-Schmelzsystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
9A zeigt ein kontinuierliches Metallpulverbett-Schmelzsystem einschließlich eines Sammelsystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
9B zeigt die Rotation der Sammelvorrichtung in einem kontinuierlichen Metallpulverbett-Schmelzsystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
9C zeigt die Rotation der Sammelvorrichtung in einem kontinuierlichen Metallpulverbett-Schmelzsystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
10A zeigt eine Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung welche Metallpulver in einem Metallpulverbett-Schmelzsystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform auffängt;
10B veranschaulicht das Metallpulverbett-Schmelzsystem von 10A, bei dem die Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eine Schicht Metallpulver auf die Pulverbett-Oberfläche aufträgt;
10C zeigt das Metallpulverbett-Schmelzsystem von 10A, bei dem die Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung Verunreinigungen sammelt und das Metallpulver gemäß einer beispielhaften Ausführungsform geschmolzen wird;
11 zeigt ein Verfahren zum Formen eines Bauteils mit einem Metallpulverbett-Schmelzsystem, einschließlich der Entfernung von Verunreinigungen, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
12A zeigt eine in Segmente unterteilte Komponente gemäß einer beispielhaften Ausführungsform; und
12B zeigt eine Komponente mit einer bestimmten Breite gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die lokale Sammlung von Verunreinigungen, die während des Metallpulverbett-Schmelzprozesses entstehen, einschließlich eines Systems, einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Sammeln von Verunreinigungen.
In einigen Aspekten umfasst die Vorrichtung einen Vakuumpfad, der eine Sammelöffnung definiert. In weiteren Aspekten umfasst die Vorrichtung einen Weg für pulverförmiges Ausgangsmaterial.
Es wird nun auf 1 verwiesen, in der ein Aspekt eines Metallpulverbett-Schmelzsystems 100 dargestellt ist. Das Metallpulverbett-Schmelzsystem 100 umfasst ein Pulverbett 102, in dem das Metallpulver 104 während des Metallschmelzprozesses enthalten ist. Das Metallpulver 104 wird in Schichten auf eine Aufbaufläche 106 aufgebracht. Wenn das Metallpulver 104 durch die Wärmequelle 108, die sich über dem Pulverbett 102 befindet, erhitzt und geschmolzen wird, bilden sich Verunreinigungen 111 im Metallpulver 104. Gas 110 strömt über die Oberfläche 109 des Metallpulvers 104 im Pulverbett 102, um die Verunreinigungen 111 zu entfernen. Wie oben beschrieben, gehören zu den Verunreinigungen 111 z. B. Spritzer 112, mitgerissenes Metallpulver 114 und Kondensat 116.
Das Metallpulver 104 wird in einem in 2 dargestellten Vorratsbehälter 118 gelagert und dem Pulverbett 102 durch eine Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung 120 auf dem Pulverbett 102 zugeführt, die sich über das Pulverbett 102 bewegt, um ungeschmolzenes Metallpulver im Pulverbett 102 zu verteilen und einzuebnen. In alternativen Aspekten bewegt sich das Pulverbett 102 relativ zum Rückförderer 120. Der Zufuhrbehälter 118 ist mit der Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung 120 verbunden. In weiteren Aspekten und wie hierin weiter erörtert, kann die Verbindung zwischen dem Zufuhrtank 118 und der Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung 120 koppelbar und unkoppelbar sein, was eine Bewegung der Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung 120 unabhängig vom Zufuhrtank 118 ermöglicht. Das Metallpulver 104 umfasst, ist aber nicht beschränkt auf ein oder mehrere Metalle und Metalllegierungen, wie Titan, Aluminium, Eisen, Kupfer, Wolfram, Nickel, Gold, Silber, Platin, Titanaluminid, Kobalt-Chrom-Legierungen, Eisenlegierungen mit mindestens 40 Gewichtsprozent Eisen und Nickellegierungen mit mindestens 30 Gewichtsprozent Nickel. Die Teilchengröße für die Pulver liegt in Aspekten im Bereich von 1 bis 150 Mikrometer, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, wie zum Beispiel im Bereich von 15 Mikrometer bis 60 Mikrometer, 45 Mikrometer bis 105 Mikrometer usw. In weiteren Aspekten wird das Metallpulver dem Pulverbett 102 in einem Bindemittel zugeführt und in noch weiteren Aspekten wird auf eine Wärmequelle 108 verzichtet.
Das Gas 110 wird dem Pulverbett 102 über ein Gasversorgungssystem 124 zugeführt, das mit dem Pulverbett 102 verbunden ist. Das Gasversorgungssystem 124 umfasst eines oder mehrere der folgenden Elemente, z. B. Gastanks, Ventile, Durchflussregler und Umlenker. In Aspekten ist das Gas 110 ein Inertgas, wie z. B. Argon oder Stickstoff.
Die Wärmequelle 108 umfasst z. B. einen Laser, einen Elektronenstrahl, eine Strahlungswärmequelle wie Infrarotstrahlung oder eine Konvektionswärmequelle wie Heißluft. In manchen Fällen kann sich die Wärmequelle 108 in der x-y-Achse bewegen (siehe 2). Alternativ kann die Wärmequelle 108 stationär sein und durch eine oder mehrere Linsen, einschließlich optischer oder magnetischer Fokussierlinsen, in der x-y-Achse über die Oberfläche 109 des Pulverbettes 102 gerichtet sein. Die Wärmequelle 108 tastet die Oberfläche 109 des Metallpulvers 104 im Pulverbett 102 ab, um das Metallpulver 104 im Abtastweg der Wärmequelle 108 zu schmelzen.
In Aspekten, wie in 2 dargestellt, sind ein oder mehrere Prozessoren 128 vorgesehen. Die Prozessoren 128a, 128b (im Folgenden allgemein als Prozessoren 128 bezeichnet) analysieren CAD-Dateien (Computer Aided Drawing), wobei sie eine digitale Wiedergabe der Komponente 130 in eine Anzahl von Schichten 132 aufteilen, von denen ein Aspekt in 3 dargestellt ist, und einen Satz ausführbarer Befehle für jede Schicht 132 erzeugen.
Darüber hinaus führen die Prozessoren 128 den ausführbaren Code aus, um das Bauteil 130 zu drucken. In Aspekten sind die Prozessoren 128 in das Metallpulverbett-Schmelzsystem 100 integriert. In alternativen Aspekten sind ein oder mehrere Prozessoren 128a unabhängig von dem Metallpulverbett-Schmelzsystem 100 und die ausführbaren Befehle werden anderen Prozessoren 128b zur Verfügung gestellt, die in das Metallpulverbett-Schmelzsystem 100 integriert sind.
Es wird nun zusätzlich zu 2 auf 4 verwiesen, die einen Aspekt einer Sammelvorrichtung 140 für die Verunreinigungen 111 zeigt, die über der Aufbaufläche 106 des Pulverbettes 102 positioniert ist. Die Sammelvorrichtung 140 umfasst, in Aspekten, ein Vakuumsystem 142 und einen Partikelrückhalter 144. Das Vakuumsystem 142 umfasst einen Vakuumpfad 146, der durch ein oder mehrere Rohre 152 oder Durchgänge 154 definiert ist, die im Körper 148 der Sammelvorrichtung 140 ausgebildet sind, sowie eine Vakuumquelle 156 (in 2 dargestellt), wie z.B. eine Vakuumpumpe, und eine Falle 158 (ebenfalls in 2 dargestellt) zum Sammeln der Verunreinigungen 111. In dem dargestellten Aspekt endet der Vakuumpfad 146 an einer in der Sammelvorrichtung 140 definierten Durchgangsöffnung 150, in der die Verunreinigungen 111 in das Vakuumsystem 142 aufgenommen werden. In dem dargestellten Aspekt umfasst die Sammelvorrichtung 140 ein einziehbares Rohr 160, das einen Teil des Vakuumwegs 146 definiert und mit dem Körper 148 verbunden ist. Das einziehbare Rohr 160 ermöglicht die Bewegung der Sammelvorrichtung 140 über die Oberfläche 109 des Pulverbettes 102.
Der Partikelrückhalter 144 ist mit dem Körper 148 der Sammelvorrichtung 140 in der Nähe der Durchgangsöffnung 150 verbunden. Der Partikelrückhalter 144 hält Verunreinigungen 111 zurück, die zu groß sind, um über das Vakuumsystem 142 gesammelt zu werden oder aus dem Gasstrom 110 herauszufallen, der über die Oberfläche 109 des Pulverbettes 102 streicht. Im dargestellten Aspekt von 4 enthält der Partikelrückhalter 144 eine Partikelfalle 180, in die die Verunreinigungen 111 fallen, die nicht vom Vakuumsystem 142 weggetragen werden.
In einem anderen Aspekt, der in 5A und 5B dargestellt ist, umfasst der Partikelrückhalter 144 eine Bürste 166, die in der Durchgangsöffnung 150 des Vakuumkanals 146 positioniert ist. Die Bürste 166 fegt die Verunreinigungen 111 in den Unterdruckkanal 146. Die Bürste 166 wird von einer vakuumgetriebenen Turbine 168 gedreht, die über eine Verzweigung 170 im Vakuumkanal 146 mit der Vakuumquelle 156 verbunden ist. In einigen Fällen sind die vakuumbetriebene Turbine 168 und die Bürste 166 mechanisch über ein ineinandergreifendes Zahnrad oder einen Antriebsriemen gekoppelt. In dem dargestellten Aspekt umfasst die Bürste 166 Borsten 172, die um die Bürste herum angeordnet sind. In einigen Aspekten sind die Borsten 172 Naturborsten, die den Aufbau statischer Aufladung reduzieren oder verhindern können. In alternativen Aspekten können die Borsten 172 aus einem Polymermaterial, wie z. B. Nylon, oder einem anderen synthetischen Material gebildet werden. Die Verunreinigungen 111 werden von der Bürste 166 erfasst und in den Vakuumkanal 146 des Vakuumsystems 142 gesaugt.
In einem weiteren Aspekt, der in 6A und 6B dargestellt ist, ist der Partikelrückhalter 144 eine Magnetwalze 174 zum Auffangen ferromagnetischer Verunreinigungen. Der Abstand der Magnetwalze 174 vom Pulverbett 102 kann verwendet werden, um die Größe der von der Magnetwalze 174 aufgenommenen Partikel einzustellen. Wenn die Magnetwalze 174 in einem ausreichenden Abstand zum Pulverbett 102 platziert wird, kann die Magnetwalze 174 die meisten, wenn nicht sogar alle Verunreinigungen 111 auffangen. Die Magnetwalze 174 wird von einem Motor 176 angetrieben. Es ist zu beachten, dass der Motor 176 der 6A und 6B die vakuumbetriebene Turbine 168 der 5A und 5B ersetzen kann und die vakuumbetriebene Turbine 168 der 5A und 5B den Motor 176 der 6A und 6B ersetzen kann. 6A zeigt auch eine Partikelfalle 180, die hinter dem Partikelrückhalter 144 angeordnet ist. Die Partikelfalle 180 sammelt Verunreinigungen 111 innerhalb des Körpers 148 der Sammelvorrichtung 140, die zu schwer sind, um im Vakuum mitgerissen zu werden.
5A, 5B, 6A und 6B veranschaulichen ferner die in der Wiederbeschichtungsvorrichtung 120 integrierte Sammelvorrichtung 140. Die Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung 120, 140 umfasst einen im Körper 148 definierten Zuführungsweg 188 zum Zuführen von ungeschmolzenem Metallpulver 104 in das Pulverbett 102. In dem dargestellten Aspekt ist der Zuführungsweg 188 der Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung 120, 140 unter dem Zuführungstank 118 für ungeschmolzenes Metallpulver 104 positioniert und kann mit diesem verbunden werden, wobei das Metallpulver 104 aus dem Zuführungstank 118 und in den Zuführungsweg 188 abgegeben wird. Der Zufuhrtank 118 enthält ein Ventil 190, das den Fluss des Metallpulvers 104 absperrt, wenn der Zufuhrweg 188 voll ist. In weiteren Ausführungsformen (nicht abgebildet) ist ein zweiter Zuführungsbehälter in die Rücksammelvorrichtung 120, 140 integriert. Der Zuführungspfad 188 endet an einer Öffnung 192, die im Boden 184 oder in der Nähe des Bodens 184 der Wiederbeschichtungsvorrichtung-Sammelvorrichtung 120, 140 definiert ist. 5A und 6A zeigen auch eine Nivelliervorrichtung 194. In Aspekten umfasst die Nivelliervorrichtung 194 einen Vorsprung, wie z. B. einen stationären kugelförmigen Vorsprung oder eine rotierende Rolle, der sich am Boden 184 der Sammeleinrichtung 140 befindet und über die Länge L (siehe 5B) der Sammeleinrichtung 140 verläuft. In alternativen Aspekten kann die Nivelliervorrichtung 194 ein abgewinkelter Vorsprung oder ein Vorsprung sein, der eine andere Geometrie annimmt.
In Aspekten, die in den 2 und 4 dargestellt sind, ist die Sammelvorrichtung 140 Teil eines Sammelsystems 200, das das Gaszufuhrsystem 124, das Vakuumsystem 142 und die in den Wänden 204 des Pulverbettes 102 definierten Vakuumöffnungen 202 umfasst. Die Vakuumanschlüsse 202 sind mit der Vakuumquelle 156 durch einen Anschlussweg 206 verbunden, der z. B. durch Rohre oder Leitungen definiert ist. Die Sammelvorrichtung 120 ist mit dem Vakuumanschluss 202 verbunden, so dass Verunreinigungen 111, die sich in der Partikelfalle 180 befinden, durch das Sammelsystem 200 entfernt werden können.
7 zeigt einen weiteren Aspekt einer kombinierten Wiederbeschichtungsvorrichtung-Sammelvorrichtung 120, 140. In dem dargestellten Aspekt ist eine Zentrifugalpumpe 162 mit dem Körper 148 der Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung 102, 140 in der Durchgangsöffnung 150 des in der Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung 120, 140 definierten Vakuumwegs 146 verbunden. Die Zentrifugalpumpe 162 kann durch einen Motor oder den Vakuumdruck im Vakuumkanal 146 angetrieben werden. In einigen Aspekten wird die Drehzahl der Zentrifugalpumpe 162 variiert, um Variationen des Abstands d zwischen der Wiederbeschichtungsvorrichtung-Sammelvorrichtung 120, 140 und der Wärmequelle 108 zu berücksichtigen.
8 zeigt einen weiteren Aspekt einer kombinierten Wiederbeschichtungsvorrichtung-Sammelvorrichtung 120, 140 zur Verwendung mit einem sich kontinuierlich bewegenden Pulverbett 102. In diesem Aspekt definiert das Pulverbett 102 eine Radiallinie r und wird um einen Mittelpunkt C gedreht. Die Wiederbeschichtungsvorrichtung-Sammelvorrichtung 120, 140 bleibt stationär und in einigen Aspekten parallel zur Radiallinie r des Pulverbettes 102. In dem dargestellten Aspekt können mehrere Komponenten 130 um das Pulverbett 102 herum, Schicht für Schicht, im Metallpulver 104 gebildet werden. Wie dargestellt, müssen die Komponenten 130 nicht dieselben sein, sondern es können gleichzeitig mehrere Komponenten 130 gebildet werden. Weiterhin wird in diesem Aspekt das Gas 110 über das Pulverbett 102 und in Richtung und senkrecht zur Länge L der Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung 120, 140 geleitet. Die Wärmequelle 108 wird innerhalb eines gegebenen Abstandsbereichs d von der Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung-Sammelvorrichtung 120, 140 gehalten. Die Rückstreich-Sammelvorrichtung 120, 140 trägt zusätzliches Metallpulver 104 in einer neuen Schicht auf, wenn das Pulverbett 102 unter der Rückstreich-Sammelvorrichtung 120, 140 hindurchläuft.
9A bis 9C zeigen einen weiteren Aspekt einer Sammelvorrichtung 140 zur Verwendung mit einem sich kontinuierlich bewegenden Pulverbett 102. Auch hier definiert das Pulverbett 102 eine radiale Linie r und wird um einen Mittelpunkt C gedreht. Die Sammelvorrichtung 140 dreht sich in diesem Aspekt in einem Winkel Y relativ zur radialen Linie r des Pulverbettes 102, um die Positionierung der zu formenden Komponenten 130 und die Lage der Wärmequelle 108 zu berücksichtigen. Der Winkel Y liegt in diesem Aspekt im Bereich von +/- 0 Grad bis +/- 45 Grad, einschließlich aller darin enthaltenen Werte und Bereiche. Ähnlich wie in 8 können mehrere Komponenten 130 um das Pulverbett 102 herum, Schicht für Schicht, im Metallpulver 104 gebildet werden. Die Komponenten 130 müssen nicht die gleichen sein, sondern es können mehrere Komponenten 130 gleichzeitig gebildet werden. Ferner wird in diesem Aspekt das Gas 110 in einem Winkel parallel zur Länge L der Sammelvorrichtung 140 über das Pulverbett 102 geleitet. Es sollte jedoch gewürdigt werden, dass auch andere Winkel der Gasströmung verwendet werden können. Wie in 4 dargestellt, wird die Wärmequelle 108 in einigen Aspekten innerhalb eines bestimmten Abstandsbereichs d von der Sammelvorrichtung 140 gehalten, was durch die Rotation der Sammelvorrichtung 140 unterstützt wird. Weiterhin ist in diesem Aspekt der Wiederbeschichtungsvorrichtung 120 separat und stromaufwärts von der Sammeleinrichtung 140 angeordnet. Die Wiederbeschichtungsvorrichtung 120 trägt das Metallpulver 104 in einer Paste 218 auf, die ein Bindemittel enthält. In einigen Aspekten wird die Heizung 220 verwendet, um das Bindemittel zu entfernen, wobei das Metallpulver 104 zurückbleibt.
10A, 10B und 10C sowie 11 veranschaulichen schematisch einen Prozess zur Entfernung von Verunreinigungen 111 aus dem Pulverbett 102. In einigen Aspekten ist der Prozess Teil eines größeren Prozesses 300, bei dem Metallpulver 104 in das Pulverbett 102 zugeführt, Verunreinigungen 111 gesammelt und ein Bauteil 130 geformt wird. In einigen Aspekten beginnt der Prozess 300 in Block 302 mit dem Befüllen einer Wiederbeschichtungsvorrichtung 120 mit Metallpulver 104. In den vorliegenden Figuren sind die Wiederbeschichtungsvorrichtung 120 und die Sammelvorrichtung 140 in eine einzige Wiederbeschichtungsvorrichtung-Sammelvorrichtung 120, 140 integriert; es sollte jedoch verstanden werden, dass zwei separate Vorrichtungen verwendet werden können. Das Metallpulver 104 wird aus einem Zuführungsbehälter 118 in den Zuführungspfad 188 aufgenommen. Sobald der Zufuhrweg 188 voll ist, wird das Ventil 190 im Zufuhrtank 118 geschlossen.
In Block 304 bewegt sich die Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung-Sammelvorrichtung 120, 140 vom Zufuhrtank 118 in Richtung des Pfeils A weg, und das Metallpulver 104 wird auf die Oberfläche des Pulverbetts 102 und über alle Komponenten 130, die auf dem Pulverbett 102 vorhanden sein können, aufgetragen, wodurch eine Schicht aus ungeschmolzenem Metallpulver 104 gebildet wird. In alternativen Aspekten kann das Pulverbett 102, wie zuvor beschrieben, relativ zu der Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung 120, 140 bewegt werden.
Im Block 306 wird das Sammelsystem 200 aktiviert, wobei ein Gas 110 eingeleitet wird und über die Oberfläche 109 des Pulverbettes 102 strömt und die Vakuumquelle 156 (siehe 2) aktiviert wird, die ein Vakuum an den Vakuumweg 146 anlegt. Wie in 10C dargestellt, strömt das Gas in der Bewegungsrichtung der Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung 120, 140 über die Oberfläche 109 des Pulverbettes 102. Es ist jedoch zu beachten, dass das Gas 110 auch in einem Winkel zur Bewegungsrichtung der Wiederbeschichtungsvorrichtung-Sammeleinrichtung 120, 140 strömen kann, einschließlich senkrecht dazu (wie in 4 zu sehen). Im Block 308 wird die Wärmequelle 108, im dargestellten Aspekt ein Laser, aktiviert und im Block 310 schmilzt das Metallpulver 104, wie in 1 zu sehen, und bildet eine Schicht 132 (in 3 dargestellt) des Bauteils 130. Während des Aufschmelzens des Metallpulvers im Block 310 bewegt sich die Sammeleinrichtung 120, 140 relativ zur Wärmequelle 108, wobei sie einen Abstand einhält, der kleiner ist als ein maximaler Abstand d von der Wärmequelle 108, um die Verunreinigungen 111 aufzufangen, und in Aspekten vom Abtastweg der Wärmequelle 108 auf der Oberfläche 109 des Metallpulvers 104 im Pulverbett 102. Darüber hinaus können die Gasdurchflussrate und der Vakuumdruck z. B. in Abhängigkeit vom Abstand d zwischen der Wärmequelle 108 und der Wiederbeschichtungsvorrichtung-Sammeleinrichtung 120, 140 eingestellt werden. Die Wiederbeschichtungsvorrichtung-Sammeleinrichtung 120, 140 bewegt sich in Richtung des Pfeils B zurück zum Vorratsbehälter 118. In dem dargestellten Aspekt bewegt sich die Wiederbeschichtungs-Sammelvorrichtung-Sammeleinrichtung 120, 140 in Richtung des Vorratsbehälters 118, während die Wärmequelle 108 das Bauteil 130 formt. In anderen Aspekten, die hier weiter beschrieben werden, bleibt die Wiederbeschichtungsvorrichtung-Sammelvorrichtung 120, 140 jedoch stationär und das Pulverbett 102 wird relativ zur Wiederbeschichtungsvorrichtung-Sammelvorrichtung 120, 140 bewegt. Optional werden im Block 312 die in der Partikelfalle 180 zurückgehaltenen Verunreinigungen 111 durch den Vakuumanschluss 202 entfernt, der aktiviert und die Partikelfalle 180 gereinigt wird. Es sollte auch gewürdigt werden, dass das Gas 110 und die Vakuumquelle 156 aktiviert werden können, bevor oder während die Wärmequelle 108 aktiviert wird, und beendet werden, wenn oder nachdem die Wärmequelle 108 beendet wird. Dementsprechend können sich die Blöcke 306 und 308 überschneiden. Dieser Vorgang wird für jede Schicht 132 der Komponente 130 wiederholt, bis die Komponente 130 vollständig ist. Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass mehrere Komponenten 130 gleichzeitig gebildet werden können. In den bis ist beispielsweise die Bildung von drei Komponenten gleichzeitig dargestellt. Je nach Größe der Komponente 130 und der Größe des Pulverbettes 102 kann jedoch eine einzelne Komponente 130 oder eine Vielzahl von Komponenten 130 gemeinsam gebildet werden.
In Aspekten, wie in 10C dargestellt, wird der Vakuumdruck zwischen der Vakuumquelle 156 und der Durchgangsöffnung 150 angepasst, wenn sich der Abstand d zwischen der Sammeleinrichtung 140 oder die Wiederbeschichtungsvorrichtung-Sammeleinrichtung 120, 140 ändert, wobei eine Erhöhung des Abstands d mit einer Erhöhung des Vakuumdrucks und eine Verringerung des Abstands d mit einer Verringerung des Vakuumdrucks einhergehen kann. Zu viel Vakuumdruck stört das Metallpulver 104 im Pulverbett 102 und zu wenig nimmt die Verunreinigungen 111 nicht auf.
Um einen Abstand von weniger als einem Maximalabstand d zwischen der Sammeleinrichtung 140 bzw. der Wiederbeschichtungsvorrichtung und der Sammeleinrichtung 120, 140 einzuhalten, unterteilt der Prozessor 128 die Füllung 138 jeder Schicht 132 des Bauteils in diskrete Segmente 136 mit einer bestimmten Breite w, während er die ausführbaren Anweisungen zum Schmelzen jeder Schicht 132 erstellt, wie in 12A dargestellt. Um die Integrität des Bauteils zu erhalten, ist der ausführbare Code so programmiert, dass zunächst die Ränder 134 einer bestimmten Schicht 132 mit der Wärmequelle verschmolzen werden und dann die Füllung jeder Schicht 132 verschmolzen wird. Jedes Segment 136 wird von der Wärmequelle 108 nacheinander abgetastet, beginnend mit dem Segment 136, das der Sammeleinrichtung 140 am nächsten liegt, und dann weiter zu einem angrenzenden Segment. Der ausführbare Code ist so programmiert, dass jede Schicht 132 so abgetastet wird, dass, während die Wärmequelle 108 ein Segment 136 abtastet, die Sammeleinrichtung 120, 140 innerhalb des maximalen Abstands d von der Wärmequelle 108 positioniert ist. In Aspekten liegt der maximale Abstand d zwischen der Wiederbeschichtungsvorrichtung-Sammelvorrichtung 120, 140 im Bereich von 1 mm bis 20 mm, einschließlich aller darin enthaltenen Werte und Bereiche.
In weiteren Aspekten sind die Abtastmuster der Wärmequelle 108 in einem Winkel Z relativ zur Vorderkante der Wiederbeschichtungs-Sammeleinrichtung 120, 140 geneigt, um die Füllung 138 zu drucken. Unter Füllung wird hier verstanden, dass sie das Innenvolumen oder die Stützstruktur des Bauteils 130 bildet. In Aspekten ändert sich der Winkel Z mit jeder Schicht 132, wie z.B. +/- 0 Grad bis +/- 60 Grad relativ zur Wiederbeschichtungsvorrichtung-Sammeleinrichtung 120, 140. Eine Überlappung bei der Abtastung der Wärmequelle 108 zwischen den Segmenten 136 wird vermieden. 12B zeigt ein Bauteil 130 mit einer Breite w, die die gesamte Breite eines Segments 136 ist, im Bereich von 1 mm bis 20 mm, einschließlich aller Werte und Bereiche darin. In einer solchen Situation wird die gesamte Schicht 132 des Bauteils 130 aufgeschmolzen, bevor die Sammelvorrichtung 140 bewegt wird.
Der Vorteil des gegenwärtig beanspruchten Systems und Verfahrens besteht darin, dass die lokale Sammlung von Spritzern die Ausbreitung von Spritzern auf das Pulverbett und die Linse reduziert und die Ausbreitung von Einschlüssen durch das Pulverbett, auf die Pulverbettkammer und auf die Linse verhindert. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Sammeleinrichtung die Wiederverwendbarkeit von ungeschmolzenem Pulver verbessert, die Porosität reduziert und die Wiederverwertbarkeit des Pulvers verbessert. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Sammeleinrichtung auch den Einsatz in relativ großen Bauflächen ermöglicht.
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung hat lediglich beispielhaften Charakter, und Variationen, die nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweichen, sind als im Rahmen der vorliegenden Offenbarung liegend zu betrachten. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.

Claims

Ein Pulverbett-Schmelzsystem, umfassend: ein Pulverbett mit einer Aufbaufläche; und ein Vakuumsystem mit einer Sammelvorrichtung, die über der Aufbaufläche positioniert ist, einschließlich einen Körper, einen im Körper definierten Pfad, wobei der Pfad in einer Durchgangsöffnung endet, und einen Partikelrückhalter, der mit dem Körper in der Nähe der Durchgangsöffnung verbunden ist.
Das Pulverbett-Schmelzsystem nach Anspruch 1, wobei der Partikelrückhalter eine Magnetwalze enthält.
Das Pulverbett-Schmelzsystem nach Anspruch 2, wobei die Magnetwalze von einem Motor angetrieben wird.
Das Pulverbett-Schmelzsystem nach Anspruch 1, wobei der Partikelrückhalter eine Bürste enthält.
Das Pulverbett-Schmelzsystem nach Anspruch 4, wobei die Bürste durch eine Turbine angetrieben wird.
Das Pulverbett-Schmelzsystem nach Anspruch 1, wobei das Vakuumsystem ein einziehbares Rohr umfasst, das mit dem Körper verbunden ist.
Das Pulverbett-Schmelzsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Zentrifugalpumpe, die mit dem Körper in der Durchgangsöffnung verbunden ist.
Das Pulverbett-Schmelzsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Wiederbeschichtungsvorrichtung mit einem durch den Körper definierten Zuführungsweg.
Das Pulverbett-Schmelzsystem nach Anspruch 1, wobei der Körper weiterhin einen Boden aufweist und das Pulverbett-Schmelzsystem weiterhin eine Nivelliervorrichtung umfasst, die sich am oder in der Nähe des Bodens des Körpers befindet.
Ein Verfahren zum Formen eines Bauteils, umfassend: Bilden einer Schicht aus ungeschmolzenem Metallpulver auf einem Pulverbett mit einer Wiederbeschichtungsvorrichtung; Einleiten von Gas in das Pulverbett und Anlegen eines Vakuums mit einer Sammelvorrichtung; Schmelzen eines Teils der Schicht aus ungeschmolzenem Metallpulver auf dem Pulverbett mit einer Wärmequelle, um eine Komponentenschicht zu bilden und Verunreinigungen zu erzeugen; und Sammeln der Verunreinigungen aus dem Pulverbett mit dem Gas und dem von der Sammelvorrichtung angelegten Vakuum, wobei die Sammelvorrichtung in einem Abstand gehalten wird, der kleiner als ein maximaler Abstand von der Wärmequelle ist.