EP3294478A1 - Pulverbettbasiertes additives fertigungsverfahren mit oberflächennachbehandlung und für dieses fertigungsverfahren geeignete anlage - Google Patents

Pulverbettbasiertes additives fertigungsverfahren mit oberflächennachbehandlung und für dieses fertigungsverfahren geeignete anlage

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Publication number
EP3294478A1
EP3294478A1 EP16733945.6A EP16733945A EP3294478A1 EP 3294478 A1 EP3294478 A1 EP 3294478A1 EP 16733945 A EP16733945 A EP 16733945A EP 3294478 A1 EP3294478 A1 EP 3294478A1
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EP
European Patent Office
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component
laser
manufacturing
powder bed
ablation medium
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16733945.6A
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French (fr)
Inventor
Daniel Reznik
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3294478A1 publication Critical patent/EP3294478A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • Powder bed based additive manufacturing processes with upper ⁇ surface post-treatment and for this manufacturing process overall was suitable facility
  • the invention relates to a powder bed additive based Fer ⁇ operating procedure, in which a component in a building process by local melting of particles is produced in a powder bed layer by layer.
  • a post-treatment of the surface of the produced component is carried out by laser hammering, wherein on the surface in the component by the laser hammering compressive stresses are generated.
  • the invention relates to a system for a powder bed based additive manufacturing process. This system has a powder bed recording, which is a Einrich ⁇ tion, in which a powder bed can be generated.
  • a dosing device for the powder in the system, wherein the powder bed recording also has a building platform on which the additive component to be produced is, and the location can be lowered for location.
  • an energy source is also provided in the system with which a powder bed located in the powder bed receptacle can be locally fused.
  • the energy source is preferably a laser for generating a laser beam or an electron source for generating an electron beam.
  • selective laser sintering or selective electron beam melting can be carried out.
  • a laser hammering not only be carried out as a post-treatment of a finished component, but also during its production by the construction process is interrupted after completion of a position for an application of laser hammering.
  • Laser hammering also called laser shock peening
  • a liquid or solid ablation medium is applied to the surface to be treated, which is then removed by laser pulses.
  • This process is also referred to as laser ablation.
  • the laser is pulsed, caused by the sudden evaporation of the ablative Ver ⁇ a shock wave, which also extends from the surface into the interior of the component from ⁇ and leads to a forging operation.
  • the local deformation of the material generates compressive stresses, which can even reduce tensile stresses.
  • a post-treatment by means of laser peening sets out vo ⁇ that the surface of the component is accessible by the laser fusion for the laser after Her ⁇ position.
  • the components are produced by laser melting and other addi tive ⁇ manufacturing processes, which have a very complex geometry. This also creates cavities and inner surfaces that can not be reached by a laser after completion of the component.
  • the object of the invention is to provide a pulverbettba- overbased additive manufacturing method for a component suits ⁇ ben with which also components of complex geometry with the upper can be prepared surfaces, which are close to the surface subjected to compressive stresses, wherein the effort in the generation of compressive stresses as possible should be kept low.
  • the powder bed based additive manufacturing process is interrupted at least once to make egg ⁇ ne-treatment by laser peening.
  • This has the advantage that component areas which are no longer accessible after completion of the component (for example cavities) can also be aftertreated by laser hammering.
  • this production plant To the laser hammering in the manufacturing plant for the additive To be able to carry out production processes, this production plant must be modified accordingly.
  • a laser pulse is required.
  • an ablation medium must be applied to the component areas of the component being post-treated , for which purpose an application device is provided in the production system.
  • the object is thus also by a modified system for a powder bed based additive manufacturing process ge ⁇ triggers, wherein a pulse laser is alignable to the powder bed of record and in this system, in addition to the power source, which is provided for melting of the powder bed integrated, so can also be aligned on already completed parts of a component in development.
  • Laser hammering can then be carried out with this pulsed laser, wherein an ablation medium must be applied to the component areas to be post-treated before this treatment by means of an application device.
  • the power of the pulse laser must be such that it is sufficient to carry out the laser hammering.
  • the application device for the ablation medium may advantageously be a printhead for a liquid ablation medium.
  • components which are already used in additive production processes, such as 3D printing, can be advantageously used. These can be integrated into the system for laser melting and allow the application of a liquid Ablationsmediums. This can be used as a liquid film for laser hammering.
  • the liquid Ablations ⁇ medium before performing the laser hammering dries (evaporation of a solvent) or cures.
  • the liquid ablation medium may also contain solids in the form of particles.
  • Abla ⁇ tion medium in the form of a film.
  • This can be provided by an application device in the form of a roll in the system.
  • the ablation medium can then be easily rolled onto the surface of the component being formed.
  • the film may have the form of a strip.
  • This strip must be sufficiently wide that either a train of laser pulses or multiple tracks of laser pulses can be applied to each other next to each other.
  • the ablation medium can advantageously be utilized very well without generating a large waste of the film.
  • the film strip then has to be repeatedly unrolled for larger areas (that is to say wider than the strip width) and transverse to its longitudinal extent over the area to be treated be moved to create adjacent tracks of laser pulses on the surface to be treated.
  • the construction process for the aftertreatment is interrupted several times and the already formed parts of the surface are subjected to the aftertreatment such that these post-treated parts directly adjoin previously already aftertreated parts of the surface.
  • a comprehensive post-treatment of inner surfaces of components is advantageously possible to ⁇ sem way.
  • a post-treatment strategy can easily be calculated with knowledge of the CAD model, since this is available anyway for the production of the component by the additive manufacturing process. It is advantageous if the post-treatment on parts of
  • Another embodiment of the invention provides that in each case not melted before the post-treatment particles are removed from the intended for the aftertreatment part of the surface. This can be done for example by local suction of the powder particles.
  • the application of the ablation medium to the surfaces to be post-treated is then advantageously not disturbed by remaining particles.
  • the post-treatment of the component regions must be carried out as long as the generated inner surfaces of the component are still accessible. In other words, the
  • an ablation medium for laser hammering in the form of a film can be adhered to the component. It is possible, the film, as already explained, unroll from a roll. Another possibility is to cut Folienstü ⁇ blocks in a suitable manner and in part region applied by means of an applicator device directly on the nachzubehandelnde construction.
  • an applicator device for example, handling systems can be used, as they are customary for electronics assembly, in particular Saugköp ⁇ fe, temporarily fix the cut film pieces by a vacuum and put on the surface to be treated nachzubehandeln the component.
  • Figure 3 to 9 selected steps of an exemplary embodiment of the manufacturing method of the invention pulverbettbasier- th additive schematically.
  • a production plant according to FIG. 1 has a process chamber 11 in which a powder bed receptacle 12 is provided. This has a construction platform 13, which is surrounded by a side wall 14 and can be lowered via a cylinder 15. This creates a trough-shaped cavity in which a powder bed 16 can be produced.
  • a doctor blade 17 to the Availability checked ⁇ supply consisting of a powder source powder across the powder bed
  • the doctor 17 can be moved along a guide rail 19.
  • FIG 1 is also shown how by means of a La ⁇ sers as an energy source 20, a laser beam 21 can be generated. This is introduced via an optical coupler 22 and a deflection mirror 23 through a window 24 in the process chamber 11 and sweeps there the surface of the powder ⁇ bed 16 where a component 25 is to arise.
  • a laser as the energy source 20
  • a generating device for an electron beam can also be used (not shown).
  • a print head 26 can also be moved over the guide rail 19 over the surface of the powder bed 16 in order to carry out a liquid ablation medium there for a subsequent treatment of a surface 27 of the component 25.
  • the print head 26 is lowered onto the areas of the component 25 to be post-treated and applies the liquid ablation medium thereat .
  • a pulsed laser 28 is activated, with which the after-treatment can be carried out.
  • the optical coupler 22 and the deflection mirror 23 are also used (see FIG.
  • FIG. 2 shows another application method for an ablation medium in the form of a film 29. This is unrolled from a supply roll 30 and rolled up the remainder of the film 29 on another roll 31. This is a so-called reel-to-reel process. To recognize the doctor 17, wherein the direction of movement of the doctor blade
  • the doctor blade 17 and the film 29 can be alternately lowered onto the powder bed 16.
  • a pulsed laser beam 32 is generated, which performs laser hammering on an inner surface 27 of the component 25.
  • the material of the film 29 evaporates at the corresponding point 33, which leads to the process of laser hammering already described.
  • FIGS. 3 to 9 A possible sequence of the method according to the invention is shown by way of example in FIGS. 3 to 9. In this case, only the components of the production plant that are required in the respective production step are shown. Also, the powder bed is shown without its surroundings a building platform 13 or a side wall 14, wherein the structure of the manufacturing plant, which is used in Figures 3 to 9, may be formed in accordance with Figure 1.
  • Figure 3 is shown how a first layer 34a of the Pul ⁇ verbetts was prepared.
  • the first layer of a component 25 is Herge ⁇ in this position 34a.
  • the component which arises in the first layer 34 is shown hatched.
  • FIG. 4 shows how a second layer 34b has been applied to the powder bed and is now partially melted by means of the laser 21. This results in a further part of the component 25, which will later give the same a side wall.
  • FIG. 6 shows how a liquid ablation medium 37 is applied to the surface 27 of the component 25 by means of the print head 26. This ablation medium 37 can then be cured by means of a radiant heater 38 (optional step).
  • FIG. 7 shows how a pulsed laser beam 32 is generated by means of the pulse laser 28 and the ablation medium 37 evaporates on the surface 27. This results in 27 surface compressive stresses in areas where previously caused by the process tensile stresses had occurred.
  • FIG. 8 shows how a third layer 34c in the powder bed is produced by means of the doctor 17.
  • the depression 35 (see FIG. 5) is also refilled.
  • FIG. 9 shows how the process of selective laser melting for the third layer 34c is resumed and the resulting wall of the component 25 is continued.
  • the resulting vertical wall layer by layer of tensile stresses can be freed who ⁇ by a Laser peening is performed (not Darge ⁇ asserted) by repeating the steps 6 and 7.
  • FIG. 9 shows how the process of selective laser melting for the third layer 34c is resumed and the resulting wall of the component 25 is continued.
  • the resulting vertical wall layer by layer of tensile stresses can be freed who ⁇ by a Laser peening is performed (not Darge ⁇ asserted) by repeating the steps 6 and 7.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren, welches in einer Anlage (11) für ein additives Fertigungsverfahren durchgeführt werden kann. Die Erfindung betrifft auch eine solche Anlage. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in der Anlage eine Applikationsvorrichtung (26) für ein Ablationsmedium vorgesehen ist, beispielsweise ein Druckkopf. Mit dieser Applikationsvorrichtung kann im Wechsel mit der additiven Herstellung eines Bauteils (25) ein Laserhämmern (Laser Peening) durchgeführt werden, mit dem vorteilhat auch innere Oberflächen (27) des Bauteils einer Nachbehandlung zur Erzeugung von Druckspannungen unterworfen werden kann. Hierzu ist ein Pulslaser (28) vorgesehen, der im Wechsel mit der Energiequelle (20) (Laser) für das additive Fertigungsverfahren betrieben werden kann, wobei mit dem Pulslaser (28) das durch die Applikationsvorrichtung (26) aufgebrachte Ablationsmedium verdampft wird, um die Druckspannungen zu erzeugen.

Description

Beschreibung
Pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren mit Ober¬ flächennachbehandlung und für dieses Fertigungsverfahren ge- eignete Anlage
Die Erfindung betrifft ein pulverbettbasiertes additives Fer¬ tigungsverfahren, bei dem ein Bauteil in einem Bauprozess durch lokales Aufschmelzen von Partikeln in einem Pulverbett Lage für Lage erzeugt wird. Außerdem wird eine Nachbehandlung der Oberfläche des erzeugten Bauteils durch Laserhämmern durchgeführt, wobei an der Oberfläche im Bauteil durch das Laserhämmern Druckspannungen erzeugt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Anlage für ein pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren. Diese Anlage weist eine Pulverbett-Aufnahme auf, wobei dies eine Einrich¬ tung ist, in der ein Pulverbett erzeugt werden kann. Zu die¬ sem Zweck ist in der Anlage eine Dosiereinrichtung für das Pulver vorgesehen, wobei die Pulverbett-Aufnahme auch eine Bauplattform aufweist, auf der das additiv herzustellende Bauteil steht und die Lage für Lage abgesenkt werden kann. Um das Bauteil herzustellen ist in der Anlage außerdem eine Energiequelle vorgesehen, mit der ein in der Pulverbett- Aufnahme befindliches Pulverbett lokal aufschmelzbar ist. Bei der Energiequelle handelt es sich vorzugsweise um einen Laser zur Erzeugung eines Laserstrahls oder einer Elektronenquelle zur Erzeugung eines Elektronenstrahls. Damit kann ein selek¬ tives Laserschmelzen, ein selektives Lasersintern oder ein selektives Elektronenstrahlschmelzen durchgeführt werden.
Gemäß der US 2014/0034626 AI ist es bekannt, dass Bauteile, die durch Lasersintern fertiggestellt wurden, an der Oberfläche vorzugsweise Zugspannungen ausbilden. Dies liegt daran, dass beim selektiven Laserschmelzen (und auch beim selektiven Elektronenstrahlschmelzen) durch den Laser sehr kleine Volumina im Pulverbett aufgeschmolzen werden. Verlässt der Laser das aktuelle Schmelzbad, so kühlt sich der aufgeschmolzene Bereich mit einer Abkühlrate von ungefähr 105 °C/s ab und schrumpft entsprechend, was die Ausbildung der Zugspannungen erklärt. Die vorher darunter hergestellten Lagen des Bauteils werden dementsprechend auf Druck beansprucht, da diese die Zugspannungen an der Oberfläche aufnehmen.
Zugspannungen an der Oberfläche von Bauteilen wirken sich allerdings bei metallischen Strukturen nachteilig aus, weil sich ein Korrosionsangriff oder Risse aufgrund mechanischer Beanspruchungen schneller in das Innere des Bauteils ausbrei¬ ten können. Daher wird gemäß der US 2014/0034626 AI vorge¬ schlagen, dass das durch Laserschmelzen fertiggestellte Bauteil einer Nachbehandlung unterworfen wird, mit der die bestehenden Zugspannungen an der Oberfläche in Druckspannungen umgewandelt werden. Dies kann durch eine Wärmebehandlung (Spannungsarmglühen) durch ein heiß-isostatisches Pressen oder auch durch eine mechanische Bearbeitung der Oberfläche, einem Hämmern (peening) erfolgen. Für ein Hämmern der Oberfläche wird in der US 2014/0034626 AI ein Kugelstrahl- oder ein Laserhämmern (laser peening) vorgeschlagen. Gemäß der DE 10 2009 051 551 AI wird vorgeschlagen, dass ein Läserhämmern nicht nur als Nachbehandlung eines fertiggestellten Bauteils, sondern auch während dessen Herstellung erfolgen kann, indem der Bauprozess nach Fertigstellung einer Lage für eine Anwendung des Laserhämmerns unterbrochen wird.
Das Laserhämmern (auch laser shock peening genannt) ist ein bekanntes Verfahren, welches beispielsweise in der US
5,674,328 ausführlich beschrieben wird. Auf die zu behandeln- de Oberfläche wird ein flüssiges oder festes Ablationsmedium aufgebracht, welches anschließend durch Laserpulse abgetragen wird. Dieser Vorgang wird auch als Laserablation bezeichnet. Da der Laser gepulst ist, entsteht durch das plötzliche Ver¬ dampfen des Ablationsmediums eine Schockwelle, die sich auch ausgehend von der Oberfläche in das Innere des Bauteils aus¬ dehnt und dort zu einem Schmiedevorgang führt. Die lokale Verformung des Materials erzeugt Druckspannungen, wodurch sogar Zugspannungen abgebaut werden können. Eine Nachbehandlung mittels Laserhämmern setzt allerdings vo¬ raus, dass die Oberfläche des Bauteils nach erfolgter Her¬ stellung durch das Laserschmelzen für den Laser zugänglich ist. Allerdings werden durch Laserschmelzen und andere addi¬ tive Fertigungsverfahren bevorzugt Bauteile hergestellt, die eine sehr komplexe Geometrie aufweisen. Hierbei entstehen auch Hohlräume und innere Oberflächen, die durch einen Laser nach Fertigstellung des Bauteils nicht mehr erreicht werden können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein pulverbettba- siertes additives Fertigungsverfahren für ein Bauteil anzuge¬ ben, mit dem sich auch Bauteile komplexer Geometrie mit Ober- flächen herstellen lassen, die oberflächennah mit Druckspannungen beaufschlagt sind, wobei der Aufwand bei der Erzeugung der Druckspannungen möglichst gering gehalten werden soll. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Fertigungsanlage anzugeben, mit der ein solches verbessertes additives Ferti- gungsverfahren durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Fertigungs¬ verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass für die Nach¬ behandlung der Oberfläche des Bauteils der Bauprozess nach Fertigstellung einer Lage unterbrochen wird. Dann wird das
Laserhämmern für bereits ausgeführte Teile der Oberfläche des Bauteils durchgeführt, wobei das Bauteil erfindungsgemäß für diese Nachbehandlung im Pulverbett der Anlage für das pulver- bettbasierte additive Fertigungsverfahren verbleibt. Deswegen kann vorteilhaft anschließend der Bauprozess zur Herstellung der nächsten Lage wieder aufgenommen werden. Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass der pulverbettbasierte additive Fertigungsprozess mindestens einmal unterbrochen wird, um ei¬ ne Nachbehandlung durch Laserhämmern vorzunehmen. Dies hat den Vorteil, dass durch das Laserhämmern auch Bauteilbereiche nachbehandelt werden können, welche nach Fertigstellung des Bauteils nicht mehr zugänglich sind (zum Beispiel Hohlräume) . Um das Laserhämmern in der Fertigungsanlage für das additive Fertigungsverfahren durchführen zu können, muss diese Fertigungsanlage entsprechend modifiziert werden. Für die Behand¬ lung durch Laserhämmern ist ein Pulslaser erforderlich. Außerdem muss ein Ablationsmedium auf die nachzubehandelnden Bauteilbereiche des in Entstehung befindlichen Bauteils auf¬ gebracht werden, wofür erfindungsgemäß eine Applikationsvorrichtung in der Fertigungsanlage vorgesehen ist.
Die Aufgabe wird somit auch durch eine modifizierte Anlage für ein pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren ge¬ löst, wobei in dieser Anlage zusätzlich zu der Energiequelle, die für ein Aufschmelzen des Pulverbetts vorgesehen ist, ein Pulslaser integriert ist, der auf die Pulverbett-Aufnahme ausrichtbar ist und so auch auf bereits fertiggestellte Teile eines in Entstehung befindlichen Bauteils ausgerichtet werden kann. Mit diesem Pulslaser ist dann ein Laserhämmern durchführbar, wobei vor dieser Behandlung mittels einer Applikationsvorrichtung ein Ablationsmedium auf die nachzubehandelnden Bauteilbereiche aufgebracht werden muss. Die Leistung des Pulslasers muss so bemessen sein, dass diese zur Durchführung des Laserhämmerns ausreicht.
Die Applikationsvorrichtung für das Ablationsmedium kann vorteilhaft ein Druckkopf für ein flüssiges Ablationsmedium sein. Hierbei lassen sich Komponenten vorteilhaft verwenden, welche bereits bei additiven Herstellungsverfahren, wie dem 3D-Drucken, zum Einsatz kommen. Diese können in die Anlage zum Laserschmelzen integriert werden und lassen die Applikation eines flüssigen Ablationsmediums zu. Dieses kann als Flüssigkeitsfilm zum Laserhämmern verwendet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass das flüssige Ablations¬ medium vor dem Durchführen des Laserhämmerns trocknet (Verdunstung eines Lösungsmittels) oder aushärtet. Das flüssige Ablationsmedium kann auch Feststoffe in Form von Partikeln enthalten.
Eine andere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, ein Abla¬ tionsmedium in Form einer Folie zu verwenden. Diese kann durch eine Applikationsvorrichtung in Form einer Rolle in der Anlage vorgesehen sein. Das Ablationsmedium lässt sich dann einfach auf die Oberfläche des in Entstehung befindlichen Bauteils abrollen. Besonders vorteilhaft kann die Folie die Form eines Streifens aufweisen. Dieser Streifen muss genügend breit sein, dass entweder eine Bahn von Laserpulsen oder mehrere Bahnen von Laserpulsen nebeneinander darauf applizierbar sind. Hierbei kann das Ablationsmedium vorteilhaft sehr gut ausgenutzt werden, ohne großen Verschnitt der Folie zu erzeu- gen. Der Folienstreifen muss bei größeren (das heißt breiter als die Streifenbreite) zu behandelnden Flächen dann wiederholt abgerollt werden und quer zu seiner Längsausdehnung über die zu behandelnde Fläche verschoben werden, um benachbarte Bahnen von Laserpulsen auf der zu behandelnden Oberfläche zu erzeugen.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Bauprozess für die Nachbehandlung mehrere Male unterbrochen wird und die bereits ausgebildeten Teile der Oberfläche derart der Nachbehandlung unterworfen werden, dass diese nachbehandelten Teile direkt an zuvor bereits nachbehandelte Teile der Oberfläche angrenzen. Auf die¬ sem Wege ist vorteilhaft eine flächendeckende Nachbehandlung innerer Oberflächen von Bauteilen möglich. Eine Strategie für die Nachbehandlung lässt sich unter Kenntnis des CAD-Modells ohne Weiteres berechnen, da dieses für die Herstellung des Bauteils durch das additive Fertigungsverfahren ohnehin zur Verfügung steht. Vorteilhaft ist es, wenn die Nachbehandlung auf Teile der
Oberfläche beschränkt wird, die nach Fertigstellung des Bau¬ teils für eine Nachbehandlung nicht mehr zugänglich sind. Hierdurch kann der Aufwand, der dadurch entsteht, dass das additive Fertigungsverfahren für die sukzessive stattfindende Nachbehandlung immer wieder unterbrochen werden muss, so klein wie möglich gehalten werden. Äußere, das heißt zugängliche Oberflächen können auch nach Fertigstellung des gesamten Bauteils in an sich bekannter Weise einer Nachbehandlung unterworfen werden, die beispielsweise auch durch Laserhämmern, aber auch durch andere im oben genannten Stand der Technik bekannte Verfahren zum Nachbehandeln durchgeführt werden können.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jeweils vor der Nachbehandlung nicht aufgeschmolzene Partikel von dem für die Nachbehandlung vorgesehenen Teil der Oberfläche entfernt werden. Dies kann beispielsweise durch lokales Absaugen der Pulverpartikel erfolgen. Die Applikation des Ab- lationsmediums auf die nachzubehandelnden Oberflächen wird dann vorteilhaft nicht durch verbleibende Partikel gestört. Außerdem ist es möglich, eine Nachbehandlung von Teilen des Bauteils durchzuführen, die vorher in mehreren aufeinander- folgenden Schritten des additiven Herstellungsverfahrens erzeugt worden sind. Dies hat den Vorteil, dass der Prozess für das additive Herstellen des Bauteils seltener unterbrochen werden muss. Die Nachbehandlung der Bauteilregionen muss jedoch erfolgen, solange die erzeugten inneren Oberflächen des Bauteils noch zugänglich sind. Mit anderen Worten muss die
Nachbehandlung erfolgen, bevor die inneren Oberflächen durch Verschluss des Bauteilvolumens nicht mehr zugänglich sind.
Vorteilhaft kann ein Ablationsmedium für das Laserhämmern in Form einer Folie auf das Bauteil aufgeklebt werden. Dabei ist es möglich, die Folie, wie bereits erläutert, von einer Rolle abzurollen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Folienstü¬ cke in geeigneter Weise zuzuschneiden und mittels einer Applikationsvorrichtung direkt auf die nachzubehandelnde Bau- teilregion aufzubringen. Als Applikationsvorrichtung können beispielsweise Handhabungssysteme zum Einsatz kommen, wie sie für die Elektronikmontage üblich sind, insbesondere Saugköp¬ fe, die die zugeschnittenen Folienstücke durch einen Unterdruck temporär fixieren und auf der nachzubehandelnden Ober- fläche des Bauteils ablegen.
Vorteilhaft ist es auch, dass nach erfolgtem Laserhämmern Reste eines beim Laserhämmern nicht verbrauchten Ablationsme- diums von der Oberfläche des Bauteils entfernt werden, bevor der Bauprozess zur Herstellung der nächsten Lage wieder aufgenommen wird. Dies kann beispielsweise durch Absaugen erfol¬ gen und hat den Vorteil, dass nachfolgende Schichten des Bau- teils bei ihrer Herstellung nicht durch das Ablationsmaterial kontaminiert werden können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das nicht verbrauchte Ablationsmedium mit derjenigen Energiequelle entfernt wird, die auch für das Aufschmelzen der Partikel verwendet wird. Mittels des Laserstrahls oder des Elektronenstrahls kann das Ablationsmaterial verdampft werden, wobei diese Energie nicht gepulst aufgebracht wird, so dass es nicht zu einem ungewünschten Laserhämmern kommen kann. Das Material wird kontinuierlich abgetragen. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszei¬ chen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
Figur 1 und 2 Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße
Anlage für ein pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren schematisch geschnitten und
Figur 3 bis 9 ausgewählte Schritte eines Ausführungsbei¬ spiels des erfindungsgemäßen pulverbettbasier- ten additiven Fertigungsverfahrens schema- tisch.
Eine Fertigungsanlage gemäß Figur 1 weist eine Prozesskammer 11 auf, in der eine Pulverbett-Aufnahme 12 vorgesehen ist. Diese weist eine Bauplattform 13 auf, die von einer Seiten- wand 14 umgeben ist und über einen Zylinder 15 abgesenkt werden kann. So entsteht ein wannenförmiger Hohlraum, in dem ein Pulverbett 16 erzeugt werden kann. 0
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Zur Erzeugung des Pulverbetts steht eine Rakel 17 zur Verfü¬ gung, die aus einem Pulvervorrat Pulver über das Pulverbett
16 verteilen kann. Dieses Verfahren ist an sich bekannt und wird an dieser Stelle nicht näher erläutert. Die Rakel 17 kann an einer Führungsschiene 19 entlang bewegt werden.
In Figur 1 ist weiterhin dargestellt, wie mittels eines La¬ sers als Energiequelle 20 ein Laserstrahl 21 erzeugt werden kann. Dieser wird über einen optischen Koppler 22 und einen Umlenkspiegel 23 durch ein Fenster 24 in die Prozesskammer 11 eingeleitet und bestreicht dort die Oberfläche des Pulver¬ betts 16 dort, wo ein Bauteil 25 entstehen soll. Statt eines Lasers als Energiequelle 20 kann auch eine Erzeugungseinrich¬ tung für einen Elektronenstrahl zum Einsatz kommen (nicht dargestellt) .
Über die Führungsschiene 19 kann auch ein Druckkopf 26 über die Oberfläche des Pulverbetts 16 bewegt werden, um dort ein flüssiges Ablationsmedium für eine nachfolgende Behandlung einer Oberfläche 27 des Bauteils 25 durchzuführen. Dafür wird der Druckkopf 26 auf die nachzubehandelnden Areale des Bau¬ teils 25 abgesenkt und appliziert das flüssige Ablationsmedi¬ um dort. Anschließend wird ein Pulslaser 28 aktiviert, mit dem die Nachbehandlung durchgeführt werden kann. Hierbei kom- men auch der optische Koppler 22 und der Umlenkspiegel 23 zum Einsatz (vgl. Figur 2) .
In Figur 2 ist ein anderes Applikationsverfahren für ein Ablationsmedium in Form einer Folie 29 dargestellt. Diese wird von einer Vorratsrolle 30 abgerollt und die Reste der Folie 29 auf eine weitere Rolle 31 aufgerollt. Hierbei handelt es sich um einen sogenannten Reel-to-Reel-Prozess . Zu erkennen ist auch die Rakel 17, wobei die Bewegungsrichtung der Rakel
17 über die Führungsschiene 19 rechtwinklig zur Bewegungs- richtung der Folie 29 von der Vorratsrolle 30 hin zur Rolle
31 ausgerichtet ist. So können die Rakel 17 und die Folie 29 abwechselnd auf das Pulverbett 16 abgesenkt werden. Mit dem Pulslaser 28 wird ein gepulster Laserstrahl 32 erzeugt, der an einer inneren Oberfläche 27 des Bauteils 25 ein Laserhämmern durchführt. Dabei verdampft an der entsprechenden Stelle 33 das Material der Folie 29, was zu dem bereits beschriebenen Prozess des Laserhämmerns führt.
In den Figuren 3 bis 9 ist ein möglicher Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens exemplarisch dargestellt. Hierbei werden jeweils nur die Komponenten der Fertigungsanlage dar- gestellt, die in dem betreffenden Fertigungsschritt benötigt werden. Auch das Pulverbett ist ohne seine Umgebung einer Bauplattform 13 oder einer Seitenwand 14 dargestellt, wobei der Aufbau der Fertigungsanlage, die in den Figuren 3 bis 9 verwendet wird, gemäß Figur 1 ausgebildet sein kann.
In Figur 3 ist dargestellt, wie eine erste Lage 34a des Pul¬ verbetts hergestellt wurde. Mittels des Laserstrahls 21 wird in diese Lage 34a die erste Lage eines Bauteils 25 herge¬ stellt. Das Bauteil, welches in der ersten Lage 34 entsteht, ist schraffiert dargestellt.
In Figur 4 ist dargestellt, wie eine zweite Lage 34b auf das Pulverbett aufgebracht wurde und nun mittels des Lasers 21 teilweise aufgeschmolzen wird. Hierbei entsteht ein weiterer Teil des Bauteils 25, der später eine Seitenwand desselben ergeben wird.
In Figur 5 ist dargestellt, wie aus einer in dem Bauteil ent¬ standenen Vertiefung 35 mittels einer Absaugvorrichtung 36 das Pulver des Pulverbetts entfernt wird.
In Figur 6 ist gezeigt, wie mittels des Druckkopfs 26 ein flüssiges Ablationsmedium 37 auf die Oberfläche 27 des Bau¬ teils 25 aufgebracht wird. Dieses Ablationsmedium 37 kann an- schließend mittels eines Heizstrahlers 38 ausgehärtet werden (optionaler Schritt) . In Figur 7 ist zu erkennen, wie mittels des Pulslasers 28 ein gepulster Laserstrahl 32 erzeugt wird und auf der Oberfläche 27 das Ablationsmedium 37 verdampft. Hierbei entstehen an der Oberfläche 27 Druckspannungen in Bereichen, wo vorher verfahrensbedingt Zugspannungen aufgetreten waren.
In Figur 8 ist dargestellt, wie mittels der Rakel 17 eine dritte Lage 34c im Pulverbett erzeugt wird. Dabei wird auch die Vertiefung 35 (vgl. Figur 5) wieder aufgefüllt.
In Figur 9 ist gezeigt, wie das Verfahren des selektiven Laserschmelzens für die dritte Lage 34c wieder aufgenommen wird und die entstehende Wand des Bauteils 25 weitergeführt wird. Durch Wiederholen der Schritte 6 und 7 kann die entstehende senkrechte Wand Lage für Lage von Zugspannungen befreit wer¬ den, indem ein Laserhämmern durchgeführt wird (nicht darge¬ stellt) .

Claims

Patentansprüche
1. Pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren,
• bei dem ein Bauteil (25) in einem Bauprozess durch loka- les Aufschmelzen von Partikeln in einem Pulverbett (16)
Lage für Lage erzeugt wird und
• eine Nachbehandlung der Oberfläche (27) des Bauteils durch Laserhämmern durchgeführt wird, wobei an der Oberfläche (27) im Bauteil (25) Druckspannungen erzeugt wer- den,
wobei
• für die Nachbehandlung der Oberfläche (27) des Bauteils (25) der Bauprozess nach Fertigstellung einer Lage unterbrochen wird,
· das Laserhämmern für bereits ausgebildete Teile der
Oberfläche (27) des Bauteils (25) durchgeführt wird und
• der Bauprozess zur Herstellung der nächsten Lage wieder aufgenommen wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass in der Anlage eine Applikationsvorrichtung (26, 31) für ein Ablationsmedium vorgesehen ist.
2. Fertigungsverfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Bauprozess für die Nachbehandlung mehrere Male un¬ terbrochen wird und die bereits ausgebildeten Teile der Oberfläche (27) derart der Nachbehandlung unterworfen werden, dass diese nachbehandelten Teile direkt an zuvor bereits nachbehandelte Teile der Oberfläche (27) angrenzen.
3. Fertigungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Nachbehandlung auf Teile der Oberfläche (27) be- schränkt wird, die nach Fertigstellung des Bauteils (25) für eine Nachbehandlung nicht mehr zugänglich sind.
4. Fertigungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass jeweils vor der Nachbehandlung nicht aufgeschmolzene Partikel von dem für die Nachbehandlung vorgesehenen Teil der Oberfläche (27) entfernt werden.
5. Fertigungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass ein Ablationsmedium für das Laserhämmern in Form einer Folie (29) aufgeklebt wird.
6. Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass ein Ablationsmedium für das Laserhämmern als Schicht (37) aufgetragen wird.
7. Fertigungsverfahren nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Auftragen der Schicht (37) durch Drucken erfolgt.
8. Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass nach erfolgtem Laserhämmern Reste eines beim Laserhämmern nicht verbrauchten Ablationsmediums von der Oberfläche (27) des Bauteils (25) entfernt werden, bevor der Bauprozess zur Herstellung der nächsten Lage wieder aufgenommen wird.
9. Fertigungsverfahren nach Anspruch 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das nicht verbrauchte Ablationsmedium mit einer Energie¬ quelle (20) entfernt wird, die auch für das Aufschmelzen der Partikel verwendet wird.
10. Anlage für ein pulverbettbasiertes additives Fertigungs¬ verfahren mit
• einer Pulverbett-Aufnahme (12), • einer Energiequelle, mit der ein in der Pulverbett- Aufnahme befindliches Pulverbett lokal aufschmelzbar ist und
• zusätzlich zu der Energiequelle (20) einem Pulslaser, der auf die Pulverbett-Aufnahme (12) ausrichtbar ist und mit dem ein Laserhämmern durchführbar ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass in der Anlage eine Applikationsvorrichtung (26, 31) für ein Ablationsmedium vorgesehen ist.
11. Anlage nach Anspruch 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Applikationsvorrichtung (26, 31) einen Druckkopf (26) für ein flüssiges Ablationsmedium aufweist.
12. Anlage nach Anspruch 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Applikationsvorrichtung eine Vorratsrolle (31) für ein Ablationsmedium in Form einer Folie (29) aufweist.
13. Anlage nach Anspruch 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Folie (29) die Form eines Streifens aufweist.
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