DE102021212698A1 - Process for the series production of workpieces using a powder bed-based, additive manufacturing process for metallic materials - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Serienfertigung von Werkstücken (18) nach einem pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe in einer Fertigungsstraße (10) oder an einem um eine Rotationsachse (132) bewegbaren Rundtisch (130). Verfahrensgemäß werden zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen: a) Einbringen von Werkstücken (18) in mindestens eine einer Inertisierung (100) unterliegenden Nebenkammer (22, 24, 134) mit einem Lageerkennungsschritt (88) und einer Lagekorrektur (90) des Werkstücks (18), b) Überführen des gemäß a) präparierten Werkstücks (18) in eine einer Inertisierung (100) unterliegenden Hauptkammer (20), Belichtung (120) einer Struktur des Werkstücks (18) mittels eines Laserprozesses (80) und Herstellung (114) einer additiven Schicht am Werkstück (18) innerhalb der Hauptkammer (20), c) Bewegung (92) des Werkstücks (18) aus der Hauptkammer (20) in eine der Nebenkammern (22, 24) und Entpulverung (94) des Werkstücks (18), d) wobei während der Verfahrensschritte b) und c) ein kontinuierlicher Kreislauf (72) eines pulverartigen, additiven Aufbaumaterials erfolgt, so dass eine Wiederaufarbeitung (106, 108, 110, 112) des pulverartigen, additiven Aufbaumaterials erreicht wird.The invention relates to a method for the series production of workpieces (18) using a powder bed-based additive manufacturing method for metallic materials in a production line (10) or on a rotary table (130) that can be moved about an axis of rotation (132). According to the method, at least the following method steps are carried out: a) Introduction of workpieces (18) into at least one secondary chamber (22, 24, 134) which is subject to inerting (100) with a position detection step (88) and a position correction (90) of the workpiece (18) , b) transferring the workpiece (18) prepared according to a) into a main chamber (20) subject to inerting (100), exposure (120) of a structure of the workpiece (18) by means of a laser process (80) and production (114) of an additive Layer on the workpiece (18) within the main chamber (20), c) movement (92) of the workpiece (18) from the main chamber (20) into one of the secondary chambers (22, 24) and de-powdering (94) of the workpiece (18), d) during method steps b) and c) a continuous circulation (72) of a powdery, additive building material takes place, so that a reprocessing (106, 108, 110, 112) of the powdery, additive building material is achieved.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Serienfertigung von Werkstücken nach einem pulverbettbasierten, additiven Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe, was entweder in einer Fertigungsstraße oder an einem um eine Rotationsachse bewegbaren Rundtisch vorgenommen werden kann.The invention relates to a method for the series production of workpieces using a powder-bed-based, additive manufacturing method for metallic materials, which can be carried out either on a production line or on a rotary table that can be moved about an axis of rotation.
Stand der TechnikState of the art
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Serienfertigung von Werkstücken nach einem pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe in einer Fertigungsstraße oder an einem um eine Rotationsachse bewegbaren Rundtisch, wobei zumindest nachfolgende Verfahrensschritte durchlaufen werden:
- a) Einbringen von Werkstücken in mindestens eine einer Inertisierung unterliegenden Nebenkammer und Durchführen eines Vermessungsschritts sowie eines Lagekorrekturschritts des Werkstücks,
- b) Überführen des gemäß a) präparierten Werkstücks in eine einer Inertisierung unterliegenden Hauptkammer, Belichtung einer Struktur des Werkstücks mittels eines Laserprozesses und Erstellung einer additiven Schicht am Werkstück innerhalb der Hauptkammer,
- c) Bewegen des Werkstücks aus der Hauptkammer in eine der Nebenkammern und Entpulverung des Werkstücks,
- d) wobei während der Verfahrensschritte b) und c) ein pulverartiges, additives Aufbaumaterial innerhalb eines kontinuierlichen Kreislaufs eine Wiederaufarbeitung erfährt.
- a) placing workpieces in at least one secondary chamber subject to inerting and carrying out a measurement step and a position correction step of the workpiece,
- b) Transferring the workpiece prepared according to a) into a main chamber subject to inerting, exposure of a structure of the workpiece by means of a laser process and creation of an additive layer on the workpiece within the main chamber,
- c) moving the workpiece from the main chamber to one of the secondary chambers and de-powdering the workpiece,
- d) wherein during process steps b) and c) a powder-like, additive building material undergoes reprocessing within a continuous cycle.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren können Nebenprozesse in die mindestens zwei Nebenkammern, die einer den eigentlichen additiven Fertigungsvorgang durchführenden Hauptkammer zugeordnet sind, ausgelagert werden. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann eine wesentlich höhere Auslastung der Hauptkammer erreicht werden, was die Fertigungszeit betrifft; andererseits können die durch einen Bediener vorzunehmenden Eingriffe auf ein unabdingbares Minimum reduziert werden, so dass die Fehleranfälligkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens erheblich herabgesetzt ist.With the method proposed according to the invention, secondary processes can be outsourced to the at least two secondary chambers that are assigned to a main chamber that carries out the actual additive manufacturing process. With the method proposed according to the invention, a significantly higher utilization of the main chamber can be achieved, which the production time concerns; on the other hand, the interventions to be carried out by an operator can be reduced to an indispensable minimum, so that the error rate of the method proposed according to the invention is considerably reduced.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird der Laserprozess in der Hauptkammer durchgeführt, der in alternierender Abfolge sowohl von der ersten Nebenkammer als auch von der zweiten Nebenkammer jeweils Werkstücke zugeführt werden. Durch diese alternierende Beschickung der Hauptkammer können die Taktzeiten erheblich verbessert werden und die Auslastung der Fertigungsstraße erheblich erhöht werden.In a further advantageous embodiment of the method proposed according to the invention, the laser process is carried out in the main chamber, to which workpieces are supplied in alternating sequence both from the first secondary chamber and from the second secondary chamber. Through this alternating loading of the main chamber, the cycle times can be significantly improved and the capacity utilization of the production line can be significantly increased.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt ein Werkstückvorschub der Werkstücke über Werkstückträger eines Transportsystems in Transportrichtung oder ein Werkstückvorschub wird dadurch realisiert, dass ein Rundtisch um eine Rotationsachse bewegt wird, wobei der Rundtisch entlang einer stationären Hauptkammer, mindestens einer ersten und zweiten Nebenkammer sowie gegebenenfalls einer dritten Nebenkammer vorbeifährt.In an advantageous embodiment of the method proposed according to the invention, the workpieces are fed via workpiece carriers of a transport system in the transport direction, or a workpiece is fed by moving a rotary table about an axis of rotation, the rotary table along a stationary main chamber, at least one first and second secondary chamber and optionally passing a third side chamber.
In einer vorteilhaften Ausführungsmöglichkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden die Werkstücke in den der Hauptkammer zugeordneten Nebenkammern parallel bearbeitet, wobei eine Werkstücklagevermessung, eine Lagekorrektur, eine Inertisierung, eine Entpulverung, eine Handhabung und eine Qualitätsprüfung des Werkstücks vorgenommen wird. Durch diese Aufteilung von Prozessen auf die Nebenkammern kann der eigentliche additive Fertigungsprozess in der Hauptkammer erfolgen, während Richt- und Zurichtungsschritte sowie Qualitätsprüfung in die der Hauptkammer zugeordneten, mindestens zwei Nebenkammern verlagert werden können.In an advantageous embodiment of the method proposed according to the invention, the workpieces are processed in parallel in the secondary chambers assigned to the main chamber, with workpiece position measurement, position correction, inerting, depowdering, handling and quality testing of the workpiece being carried out. By dividing processes into the secondary chambers in this way, the actual additive manufacturing process can take place in the main chamber, while straightening and trimming steps as well as quality testing can be relocated to at least two secondary chambers assigned to the main chamber.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden in den mindestens zwei Nebenkammern Vorheiz- und Abkühlstationen integriert, über die gegebenenfalls die Werkstücke temperiert werden können.In a further advantageous embodiment of the method proposed according to the invention, preheating and cooling stations are integrated in the at least two secondary chambers, via which the workpieces can optionally be tempered.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird innerhalb des kontinuierlichen Kreislaufs gemäß b) ein Pulverförderer automatisch über ein Silo mit einem pulverartigen, additiven Aufbaumaterial befüllt und dieses wird hinsichtlich seiner Restfeuchte, seines Sauerstoffgehalts und seiner qualitativen Eigenschaften über Optikeinheiten kontinuierlich überwacht.In a further development of the method proposed according to the invention, a powder conveyor is automatically filled via a silo with a powder-like, additive building material within the continuous circuit according to b) and this is continuously monitored with regard to its residual moisture content, its oxygen content and its qualitative properties via optical units.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsmöglichkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden die Optikeinheiten, die über ein Einkoppelfenster, beispielsweise im oberen Bereich der Hauptkammer verfügen, mittels einer Referenzlichtquelle dahingehend überwacht, ob die Einkoppelfenster eine zunehmende Verschmutzung aufweisen, so dass rechtzeitig ein Eingriff durch einen Bediener oder auf anderem Weg vorgenommen werden kann.In a further advantageous embodiment of the method proposed according to the invention, the optics units, which have an in-coupling window, for example in the upper area of the main chamber, are monitored using a reference light source to determine whether the in-coupling windows are becoming increasingly dirty, so that intervention by an operator or can be done in another way.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsmöglichkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden die Hauptkammer, in der der Laserprozess erfolgt, und die Nebenkammern mit einem Schutzgas inertisiert, d. h. gespült, wobei das Schutzgas mittels selbstabreinigender Filter gereinigt wird sowie kontinuierlich hinsichtlich eines Differenzdrucks, seines Sauerstoffgehalts und seiner Restfeuchte überwacht wird.In a further advantageous embodiment of the method proposed according to the invention, the main chamber in which the laser process takes place and the secondary chambers are rendered inert with a protective gas, i. H. flushed, with the protective gas being cleaned by means of self-cleaning filters and continuously monitored with regard to differential pressure, its oxygen content and its residual moisture content.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsmöglichkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens sind die Werkstücke auf den einzelnen Werkstückträgern des Werkstücktransportsystems in Z-Richtung verstellbar; darüber hinaus können während des Betriebs sich einstellende Längenänderungen und/oder Toleranzen ausgeglichen werden, so dass keine Ausschussveredelung entsteht.In a further advantageous embodiment of the method proposed according to the invention, the workpieces can be adjusted in the Z-direction on the individual workpiece carriers of the workpiece transport system; In addition, changes in length and/or tolerances that occur during operation can be compensated for so that there is no reject processing.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird die Entpulverung der Werkstücke durch Entpulverungseinheiten, insbesondere schwenkbar bewegliche Saug-/Blashauben vorgenommen, welche auf den mit mindestens einem Werkstück versehenen Werkstückträger abgesenkt werden.In an advantageous development of the method proposed according to the invention, the workpieces are depowdered by depowdering units, in particular pivoting suction/blowing hoods, which are lowered onto the workpiece carrier provided with at least one workpiece.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fertigungsverfahrens wird am Werkstück verbliebenes, pulverartiges, additives Aufbaumaterial durch Einspülen von Schutzgas in die auf das Werkstück abgesenkte Saug-/Blashaube aufgewirbelt und durch anliegenden Unterdruck aus einem Zwischenraum zwischen dem Werkstückträger und der Saug-/Blashaube abgesaugt. Danach kann das abgesaugte Pulvermaterial wieder seinem Aufbereitungskreislauf zugeführt werden.In an advantageous development of the manufacturing method proposed according to the invention, powdery additive build-up material remaining on the workpiece is whirled up by flushing protective gas into the suction/blast hood lowered onto the workpiece and sucked out of a space between the workpiece carrier and the suction/blast hood by the applied negative pressure. The extracted powder material can then be returned to its processing cycle.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden die Werkstücke innerhalb der Fertigungsstraße durch ein Portalsystem und/oder Werkstückhandhabungseinheiten gehandhabt, welche in vorteilhafter Weise vakuumbeaufschlagte Greifeinrichtungen aufweisen. Durch die vakuumbeaufschlagten Greifeinrichtungen erfahren die hergestellten Werkstücke eine möglichst schonende Handhabung.In an advantageous development of the method proposed according to the invention, the workpieces are handled within the production line by a portal system and/or workpiece handling units, which advantageously have gripping devices to which a vacuum is applied. Thanks to the vacuum-loaded gripping devices, the workpieces are handled as gently as possible.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden die Hauptkammer und die mindestens zwei Nebenkammern durch Kammertrennungsschleusen miteinander verbunden oder voneinander getrennt, wobei die Kammertrennungsschleusen eine Gasdichtheit der Hauptkammer sowie der mindestens zwei Nebenkammern realisieren und darüber hinaus eine Lasersicherheit in Bezug auf die Hauptkammer herstellen.In a further development of the method proposed according to the invention, the main chamber and the at least two secondary chambers are connected to one another or separated from one another by chamber separation sluices, the chamber separating sluices realizing gas-tightness of the main chamber and the at least two secondary chambers and also creating laser safety in relation to the main chamber.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung, insbesondere im Rahmen eines SLM-Prozesses (SLM0020''-- Selective Laser Melting) angewendet, betrifft ein pulverbettbasiertes, additives Fertigungsverfahren für metallische Materialien. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann bei gängigen Systemen und Fertigungslösungen, die sich des SLM-Prozesses bedienen und geringe Taktzeiten aufweisen, eine erhebliche Erhöhung der Taktzeiten erreicht werden. Die Prozesszeit dieser, im Rahmen des SLM-Prozesses abzuarbeitender Fertigungen beträgt üblicherweise mehr als eine Stunde, häufig mehr als 24 Stunden. Für die Serienfertigung mit geringen Taktzeiten von weniger als 30 Minuten oder auch deutlich weniger als 5 Minuten sind gängige Systeme ungeeignet, da die Dauer der Nebenprozesse die Taktzeiten um ein Vielfaches überschreiten würde.The solution proposed according to the invention, used in particular as part of an SLM process (SLM0020″—Selective Laser Melting), relates to a powder-bed-based, additive manufacturing method for metallic materials. With the solution proposed according to the invention, a significant increase in the cycle times can be achieved in common systems and manufacturing solutions that use the SLM process and have short cycle times. The process time of these productions to be processed as part of the SLM process is usually more than one hour, often more than 24 hours. Current systems are unsuitable for series production with short cycle times of less than 30 minutes or even significantly less than 5 minutes, since the duration of the secondary processes would exceed the cycle times many times over.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung können erhebliche Vorteile hinsichtlich der erzielbaren Taktzeiten für die Fertigung von Serienteilen mit hoher Varianz erreicht werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann ebenso für beliebige Werkstücke, die in Fertigungszeiten von weniger als 30 Minuten abgeschlossen werden, eingesetzt werden.The solution proposed according to the invention makes it possible to achieve considerable advantages with regard to the achievable cycle times for the production of series parts with a high degree of variance. The solution proposed according to the invention can also be used for any workpieces that are completed in production times of less than 30 minutes.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren bietet darüber hinaus wesentliche Vorteile zur Erhaltung der Maschinenverfügbarkeiten durch Einhalten wichtiger Prämissen zur Maximierung der Komponentenstandzeiten sowie zur Minimierung von Verbrauchsmaterialien. In diesem Zusammenhang ist besonders die erhebliche Minimierung des Verbrauchs von Schutzgas, entweder Ar oder N2 hervorzuheben.The method proposed according to the invention also offers significant advantages for maintaining machine availability by complying with important premises for maximizing component service life and for minimizing consumables. In this context, the considerable minimization of the consumption of protective gas, either Ar or N 2 , is particularly noteworthy.
Darüber hinaus ist das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren in hohem Maße automatisierbar und damit äußerst wartungsarm.In addition, the method proposed according to the invention can be automated to a large extent and is therefore extremely low-maintenance.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorgehensweise erfolgt eine strikte Aufteilung der einzelnen Prozesse in Hauptkammern und mehreren Nebenkammern, welche durch anforderungsoptimierte Transportsysteme jeweils miteinander verbunden sind. Des Weiteren kann in vorteilhafter Weise eine parallele Bearbeitung von Nebenprozessen und Hauptprozessen erreicht werden. Einer Hauptkammer können zwei oder mehr Nebenkammern zugeordnet werden, in welchen essentielle Nebenprozesse, wie zum Beispiel das Vermessen der Lage des Werkstücks, das Inertisieren, das Entpulvern, die Qualitätsprüfung oder die Handhabung des jeweiligen Werkstücks durchgeführt werden.The procedure proposed according to the invention results in a strict division of the individual processes into main chambers and a number of secondary chambers, which are each connected to one another by means of transport systems optimized for requirements. Furthermore, parallel processing of secondary processes and main processes can be achieved in an advantageous manner. Two or more secondary chambers can be assigned to a main chamber, in which essential secondary processes such as measuring the position of the workpiece, rendering inert, depowdering, quality testing or handling of the respective workpiece are carried out.
Des Weiteren können in vorteilhafter Weise Vorheiz- und Abkühlstationen in die zwei oder mehr Nebenkammern eingefügt werden, so dass eine prozessoptimierte Temperierung des Werkstücks vorgenommen werden kann. Durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ansatz wird der Hauptzeitanteil innerhalb der Hauptkammer, welche aufgrund der optischen Fertigungskomponenten den größten Kostenanteil hat, maximiert und der Bedienereingriff hingegen minimiert, so dass Fehlbedienungen und damit fehlerhafte Produktion weitestgehend ausgeschlossen werden können.Furthermore, preheating and cooling stations can advantageously be inserted into the two or more secondary chambers, so that the workpiece can be tempered in a process-optimized manner. The approach proposed according to the invention maximizes the main time share within the main chamber, which has the largest share of costs due to the optical production components, and operator intervention, on the other hand, is minimized, so that operating errors and thus faulty production can be largely ruled out.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine Automatisierung der Zufuhr des pulverartigen, additiven Aufbaumaterials auf inerte Weise mittels eines Vakuumförderers von einem Silo aus. Innerhalb eines Vorratsbehälters kann der Füllstand des pulverartigen, additiven Aufbaumaterials in oder außerhalb der Anlage kontinuierlich überwacht werden; gleiches gilt für maßgebliche Kenngrößen, wie dessen Restfeuchte und Sauerstoffgehalt. Dadurch kann eine Verringerung der Qualität dieses Materials rechtzeitig detektiert werden und ein rechtzeitiger Austausch vorgenommen werden, für den Fall, dass dieses Material die geforderten Qualitätskriterien nicht mehr erfüllt.The method proposed according to the invention makes it possible to automate the feeding of the powdery, additive building material in an inert manner by means of a vacuum conveyor from a silo. The filling level of the powder-like, additive building material can be continuously monitored within a storage container inside or outside the system; the same applies to relevant parameters such as its residual moisture content and oxygen content. As a result, a reduction in the quality of this material can be detected in good time and a timely replacement can be carried out in the event that this material no longer meets the required quality criteria.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren können in vorteilhafter Weise Einkoppelfenster für optische Komponenten hinsichtlich ihres Verschmutzungsgrades überwacht werden, was mittels einer Referenzlichtquelle erfolgt.In the method according to the invention, coupling windows for optical components can advantageously be monitored with regard to their degree of soiling, which is done using a reference light source.
Eine Filterung des noch in der Anlage zirkulierenden Schutzgases erfolgt über selbstabreinigende Filter. Dabei wird das Schutzgas kontinuierlich hinsichtlich seiner Differenzdrucks, seines Sauerstoffgehalts und seiner Restfeuchte überwacht, wohingegen abgeschiedener Staub automatisch entsorgt wird.The inert gas still circulating in the system is filtered by self-cleaning filters. The protective gas is continuously monitored with regard to its differential pressure, its oxygen content and its residual moisture content, while separated dust is automatically disposed of.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fertigungssystem eingesetzte Werkstückträger verfügen über eine Z-Verstellung und je nach Bedarf über eine Nivelliereinheit, um über die Betriebszeit sich einstellende Längenabweichungen und von Werkstücken eingebrachte Toleranzen auszugleichen. Eine Vermessung der Werkstücklage wird vor jedem SLM-Prozess in einer der Nebenkammern erfasst und mechanisch und optisch während des Prozesses kompensiert. Der Werkstückträger ist in vorteilhafter Weise übergroß ausgelegt, um Prozessemissionen, insbesondere Schmauch und Spritzer, die nicht vollends vom Strom des Schutzgases entfernt werden können, aufzunehmen und nach dem Ende des SLM-Prozesses mit aus der Kammer zu entfernen, damit die Hauptkammer, in welcher der eigentliche Laseraufbauprozess durchgeführt wird, lediglich einer geringen Verschmutzung ausgesetzt ist.Workpiece carriers used in the production system proposed according to the invention have a Z-adjustment and, if required, a leveling unit in order to compensate for length deviations and tolerances introduced by the workpieces over the course of the operating time. A measurement of the workpiece position is recorded before each SLM process in one of the side chambers and mechanically and optically during the process compensated. The workpiece carrier is advantageously designed oversized to absorb process emissions, especially smoke and spatter, which cannot be completely removed by the flow of protective gas, and to remove them from the chamber after the end of the SLM process, so that the main chamber in which the actual laser construction process is carried out is only exposed to a small amount of contamination.
In vorteilhafter Weise erfolgt die Entpulverung, d. h. die Abfuhr überschüssigen pulverartigen, additiven Aufbaumaterials vom Werkstück mittels einer Saug-/Blashaube, welche so angeordnet ist, dass diese auf den das Werkstück aufnehmenden Werkstückträger absenkbar ist. Durch Einblasen von Schutzgas wird das Aufbaumaterial aufgewirbelt und durch einen anliegenden Unterdruck aus dem Zwischenraum von Haube und Werkstückträger abgesaugt. Alternativ oder zusätzlich können am Werkstückträger Absaugungen in Pulverauffangbereichen angebracht werden, um das pulverartige, additive Aufbaumaterial effizient und prozesssicher zu entfernen. Das entfernte Aufbaumaterial kann inert zu einem Siebsystem transportiert werden und nach der Siebung erneut in den Kreislauf des Aufbaumaterials eingespeist werden.Advantageously, the depowdering, i. H. the removal of excess powder-like, additive build-up material from the workpiece by means of a suction/blowing hood, which is arranged in such a way that it can be lowered onto the workpiece carrier receiving the workpiece. By blowing in protective gas, the construction material is whirled up and sucked out of the space between the hood and the workpiece carrier by the applied negative pressure. Alternatively or additionally, suction devices can be attached to the powder collection areas on the workpiece carrier in order to efficiently and reliably remove the powdery, additive build-up material. The removed build-up material can be transported inertly to a screening system and fed back into the circuit of build-up material after screening.
Die Handhabung der Werkstücke erfolgt innerhalb der Fertigungsstraße durch Handhabungssysteme, die vorzugsweise Vakuumgreifer umfassen. Die Werkstückträger verbleiben stets in der Fertigungsstraße, während für den Transport der Werkstücke außerhalb der Fertigungsstraße ein separates Transportsystem verfügbar ist.The workpieces are handled within the production line by handling systems, which preferably include vacuum grippers. The workpiece carriers always remain in the production line, while a separate transport system is available for transporting the workpieces outside of the production line.
Die mindestens zwei Nebenkammern sowie die Hauptkammer der Fertigungsstraße werden über Kammertrennschleusen voneinander getrennt beziehungsweise durch deren Betätigung miteinander verbunden. Zum Ein- und Ausbringen eines Werkstücks wird ein Werkstückträger von einem Transportband ausgehoben und gegen die Unterseite eines Schieberflanschs gepresst, so dass eine Abdichtung gewährleistet bleibt. Somit kann mit geringem Schutzgasaufwand der Restsauerstoffgehalt des außenliegenden Volumens angeglichen werden, bevor der Schieber zum Ein- und Ausbringen des Werkstücks geöffnet wird.The at least two secondary chambers and the main chamber of the production line are separated from one another via chamber separating sluices or connected to one another by actuating them. To move a workpiece in and out, a workpiece carrier is lifted from a conveyor belt and pressed against the underside of a slide flange so that a seal is guaranteed. The residual oxygen content of the external volume can thus be adjusted with little protective gas expenditure before the slide is opened to insert and remove the workpiece.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann sowohl an einer Fertigungsstraße mit Wechselprinzip als auch an einer Rundtischanlage verwirklicht werden. Die Fertigungsstraße bietet sehr hohe Genauigkeiten für eine qualitativ hochwertige Fertigung.The method proposed according to the invention can be implemented both on a production line with a changeover principle and on a rotary table system. The production line offers very high accuracies for high-quality production.
Figurenlistecharacter list
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Anlagenaufbaus einer Fertigungsstraße, -
2 nebeneinanderliegend angeordnete Nebenkammern beidseits einer Hauptkammer, -
3 Funktionsstruktur des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens nach dem Wechselprinzip und -
4 eine Funktionsstruktur des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens gemäß dem Rundtischprinzip
-
1 a schematic representation of a plant structure of a production line, -
2 secondary chambers arranged side by side on both sides of a main chamber, -
3 Functional structure of the method proposed by the invention according to the alternating principle and -
4 a functional structure of the method proposed according to the invention according to the round table principle
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference symbols, with a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
In der Darstellung gemäß
Für die Optimierung der zulässigen Prozesszeiten kann zugleich eine Inertisierung 100 aus den Nebenkammern 22, 24 heraus in vor- oder nachgelagerte Schleusen ausgelagert werden, während bereits Haupt- und Nebenprozesse in den Haupt- und Nebenkammern 20, 22, 24 stattfinden.In order to optimize the permissible process times, an
Aus der Darstellung gemäß
Aus der Darstellung gemäß
Aus der schematischen Darstellung der Fertigungsstraße 10 gemäß
Bezugszeichen 44 bezeichnet eine weitere Entpulverungseinheit, die in der Darstellung gemäß
Oberhalb der Hauptkammer 20 befinden sich ein Pulverförderer 48 sowie eine erste Optikeinheit 50 und eine zweite Optikeinheit 52. Diese sind oberhalb des Daches der Hauptkammer 20 derart angeordnet, so dass diese eine Bearbeitungsposition 54 eines Werkstückträgers 16 mit aufzubauendem Werkstück 18 überwachen können.A
Die beiden Nebenkammern 22, 24 sind jeweils über eine Schiene 26 mit ein oder mehreren unabhängigen Werkstückträgern 16 oder zwei einzelnen Achssystemen mit der hier mittig dargestellten Hauptkammer 20, in welcher der Laserprozess 80 abläuft, verbunden. Die beiden Nebenkammern 22, 24 sind über die Kammertrennungsschleusen 40, 42 voneinander getrennt, um das bewegte Schutzgasvolumen kleinstmöglich zu halten. Zur prozesssicheren Serienfertigung sind Einkoppelfenster für die Optikeinheiten 50, 52 vorgesehen. Über die auf dem Dach der Hauptkammer 20 angeordneten beiden Optikeinheiten 50, 52 und ein hier nicht näher dargestelltes Einkoppelfenster erfolgt eine Einkopplung von Laserstrahlung, wodurch die notwendige Laserleistung in die als Prozesskammer zur Durchführung des Laserprozesses 80 dienende Hauptkammer 20 eingekoppelt wird. Durch Schutzgasein- und auslässe 64 wird eine Schutzgasströmung generiert, die die Prozessemissionen von den Einkoppelfenstern wegströmen lässt, um deren Verschmutzung zu minimieren.The two
An den Seiten der einzelnen Kammern, d. h. der Hauptkammer 20 sowie der beiden Nebenkammern 22, 24, können Schieber angeordnet sein, um die Hauptkammer 20 während der Durchführung des SLM-Prozesses von den beiden hier dargestellten Nebenkammern 22, 24 zu trennen. Der Werkstückträger 16 zur Aufnahme der Werkstücke 18 kann über eine eigene Z-Verstellung verfügen mit geringem Hub sowie einer Spanntechnik, um die einzelnen Werkstücke 18 zu fixieren. Der Aufbau des Werkstückträgers 16 sitzt dabei auf einer Achse, derart, dass dieser zwischen der Hauptkammer 20 und einer der beiden Nebenkammern 22, 24 verfährt. Beim Verfahren entlang dieser Achse beziehungsweise der Schienen 26 kann die Z-Achse auf die unterste Position abgesenkt werden, um bei Bedarf unter bestehenden anderen Komponenten hindurchtauchen zu können. Hinsichtlich einer Entpulverung 94 wird die Z-Achse genutzt, um gegen die Entpulverungseinheit 30 in Gestalt einer Saug-/Blashaube 32 eine Abdichtung herbeiführen zu können.On the sides of each chamber, i. H. of the
Der Pulvervorrat 60 ist statisch in der Hauptkammer 20 aufgenommen und wird von einem externen Silo aus befüllt. Der Pulvervorrat 60 wird über eine Vakuumfördertechnik, Zylinder und Optik befüllt, um das für die Durchführung des Laserprozesses 80 erforderliche pulverartige, additive Aufbaumaterial in der Hauptkammer 20 bereitstellen zu können. Das pulverartige, additive Aufbaumaterial wird von der Oberseite auf die Werkstückträger 16 beziehungsweise das darin aufgenommene Werkstück 18 dosiert und die Pulverauftragseinheit 62 auf die jeweils erforderliche Schichtdichte eingestellt. Zu diesem Zweck kann der Werkstückträger 16 eine Distanz zur Seite zurücklegen, damit das pulverartige, additive Aufbaumaterial unmittelbar auf den Werkstückträger 16 und nicht auf Teilen der Hauptkammer 20 abgelegt wird. Überschüssiges pulverartiges, additives Aufbaumaterial wird vom Auftragsmechanismus in einen seitlich anzuordnenden Pulverüberlauf am jeweiligen Werkstückträger 16 geschoben. Bei auftretendem Bedarf, entweder um die Prozesszeit zu optimieren oder um mehrere pulverartige, additive Aufbaumaterialien zu verarbeiten, kann symmetrisch zur Mittelposition ein zweiter Pulvervorrat inklusive Dosierung angeordnet werden. The
Während der Durchführung des Laserprozesses 80 ist es möglich, dass der Werkstückträger 16 entlang der Schiene 26 verfährt, um Positionsfehler der Optikeinheiten 50, 52 zu minimieren. Die genaue Prozessführung sowie die Aufteilung sind dabei abhängig von der jeweiligen Konfiguration des Werkstücks 16. Bei den in den Nebenkammern 22, 24 ablaufenden Nebenprozessen ist zwischen vor- und nachgelagerten Nebenprozessen zu unterscheiden. Beide Arten finden jedoch gleichermaßen in beiden als Nebenprozesskammern dienenden Nebenkammern 22 und 24 statt, da die Werkstücke 18 nicht die Stationen von links nach rechts durchlaufen, sondern von vorne nach hinten.While the
Anhand der
Gemäß
Als vorgelagerter Schritt ist zu nennen, dass nach einem Werkstückbereitstellungsschritt 82 und einem Werkstückzufuhrschritt 84 in einem Werkstückhalteschritt 86 eine Werkstücklagevermessung 88 erfolgt. Dabei erfolgt die Vermessung einer Großkarte zu Referenzmarkern auf dem Werkstückträger 16. Dies erfolgt durch optische Vermessung, wobei die Korrekturwerte für die Bearbeitung dieser Werkstücke 18 mit den von der Optik vorgehaltenen verrechnet werden, sofern das Werkstück 18 ein endgültiges Bauteil darstellt. Andernfalls werden die im Werkstückvermessungsschritt 88 erhaltenen Daten genutzt, um das Werkstück 18 mittels eines Referenzkoordinatensystems relativ zum Pulverauftrag 62 auszurichten. Falls die räumliche Positionierung der Werkstücke 18 nicht reproduzierbar ist, kann der Werkstückträger 16 eine Nivelliereinheit aufweisen, um die Position des Werkstücks 18 im Raum genau auf die Referenzebene einzustellen, welche von der Optik auf die Pulverauftragseinheit 62 benötigt wird.As a preceding step, it should be mentioned that after a
Als weiterer, nachgelagerter Schritt, der in den beiden Nebenkammern 22, 24 abläuft, steht die Entpulverung 94 im Fokus. Hierbei wird die Oberfläche des Werkstücksträgers 16 mit der Z-Achse des Werkstücks 18 von unten her gegen einen Rahmen gepresst. Von oben setzt gleichzeitig die als Entpulverungseinheit 30 dienende schwenkbare Saug-/Blashaube 32 auf dem Rahmen auf. Die Saug-/Blashaube 32 ist mit Schutzgaseinlässen und einer Absaugung versehen; alternativ können zusätzlich oder separat Pulverüberläufe mit einem zusätzlichen Absauganschluss vorgesehen werden. Durch das Einblasen von Schutzgas wird das auf dem Werkstück 18 möglicherweise noch anhaftende pulverartige, additive Aufbaumaterial aufgewirbelt und mitsamt der innerhalb der schwenkbaren Saug-/Blashaube 32, die nun über das Werkstück 18 gestülpt ist, aus dem Volumen zwischen Haube und Werkstückträger 16 abgesaugt. Jede Verschmutzung, die auf dem Werkstückträger 16 oder umgebenden Komponenten verbleibt, wird sich über die Vielzahl von Werkstücken 18 akkumulieren und ist entsprechend zu vermeiden, um Reinigungsaufwand durch Wartung und damit einhergehende Stillstandszeiten gering zu halten. Die Kammern, d. h. die Hauptkammer 20 und die Nebenkammern 22, 24 sind so ausgeführt, dass Platz für mögliche weitere Nebenprozesse zur Verfügung steht, wie beispielsweise einen zweiten Reinigungsschritt oder eine möglicherweise noch durchzuführende Qualitätsprüfung.As a further, downstream step, which takes place in the two
Die Handhabung der Werkstücke 18 kann senkrecht zur Haupt- oder Nebenprozessachse orientiert sein, während die Bewegung des Werkstückträgers 16 auf den Schienen 26 parallel erfolgt. Die Teilezufuhr der einzelnen Werkstückträger 16 mit vorkonfektionierten Werkstücken 18 kann über ein separates Transportband beispielsweise auf der Anlagenvorderseite der Fertigungsstraße 10, wie sie in
Zum Einbringen der Werkstücke 18 können die Werkstückträger 16 des Transportsystems 12 aus einem Transportband oder aus Schienen 26 herausgehoben werden und gegen die Unterseite einer der beiden Nebenkammern 22, 24 gepresst werden. Dies erlaubt eine automatische Abdichtung zur Umgebungsatmosphäre und eine Minimierung des zu inertisierenden Volumens, d. h. desjenigen Volumens, welches unter Schutzgasatmosphäre zu stellen und zu halten ist. Durch das Einlassen von Schutzgas während des Andockprozesses kann zudem eine Vorinertisierung vorgenommen werden. Sobald der notwendige Sauerstoffgehalt erreicht ist, öffnet eine der Kammertrennungsschleusen 40, 42 zur entsprechenden Nebenkammer 22, 24 und das Werkstück 18 kann beispielsweise über die Werkstückhandhabungseinheit 28 mittels eines Vakuumgreifers oder dergleichen oder über einen Portalgreifer auf den Werkstückträger 16 der Schiene 26 gesetzt und dort eingespannt werden. Durch die Reihenschaltung von Abhol- oder Andockpositionen ist darauf zu achten, dass stets ein Werkstückträger 16 inklusive Werkstück 18 zur jeweiligen Nebenkammer 22, 24 durchgelassen wird, um auch dort stets Werkstücke 18 bereitstellen und vorbearbeiten zu können. Sobald ein Werkstück 18 entnommen wird, wird die jeweilige Kammertrennungsschleuse 40, 42 geschlossen und der Werkstückträger 16 auf das Transportband heruntergesetzt. Von dort aus kann der Transport des Werkstückträgers 16 zur Rückseite der Anlage durchgeführt werden.To bring in the
Eine Ausbringung der fertigen Werkstücke 18, beispielsweise Schritte 96, 98 in der Darstellung gemäß den
In Bezug auf die
Im Rahmen der Inertisierung 100 wird durch die Kammertrennungsschleusen 40, 42 einerseits im Hinblick auf die beiden Nebenkammern 22, 24 deren Gasdichte 102 gewährleistet und in Bezug auf die Hauptkammer 20, in welcher der Laserprozess 80, d. h. der eigentliche Aufbauprozess abläuft, deren Lasersicherheit 104 hergestellt.As part of the
Im Rahmen des Kreislaufs 72 zur Wiederaufarbeitung von entpulvertem, additivem Aufbaumaterial wird dieses bei Schritt 106 gesiebt, bevor es im Rahmen einer Materialzufuhr 108 beispielsweise in den Pulvervorrat 60 mit Dosiereinheit gelangt. In dem Pulvervorrat 60 wird das pulverartige, gesiebte additive Aufbaumaterial im Rahmen eines Materialhalteschritts 110 gehalten und vor Verwendung im Rahmen eines Dosierschritts 112 je nach Erfordernis des Schichtherstellungschritts 114 dosiert, bevor es auf das Werkstück 18 im Rahmen einer neuen Schicht in Z-Richtung aufgebaut wird.As part of
Das in der Hauptkammer 20 befindliche, jeweils in Z-Richtung aufzubauende Werkstück 18, aufgenommen auf dem Werkstückträger 16, ist zuvor je nach Intensitätsformungsschritt 116 und Laser-2D-Ablenkung 118 im Rahmen eines Belichtungsschritts 120 derart vorbereitet, dass, wie in
In Bezug auf
Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass im Rahmen des Schutzgaskreislaufs 74 ein Schutzgas, wie beispielsweise Argon oder Stickstoff, zirkuliert, welches eine Schutzgasfilterung beziehungsweise Umwälzung 122 zur Wiederaufbereitung durchläuft. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann das Volumen des in den einzelnen Kammern, d. h. der Hauptkammer 20 beziehungsweise den beiden Nebenkammern 22, 24 und gegebenenfalls innerhalb der weiteren, dritten Nebenkammer 134 bevorratete Schutzgasvolumen minimal gehalten werden.For the sake of completeness, it should also be mentioned that a protective gas, such as argon or nitrogen, circulates within the framework of the
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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