EP3359319A1 - Vorrichtung und verfahren zu einer additiven fertigung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zu einer additiven fertigung

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EP3359319A1
EP3359319A1 EP16770698.5A EP16770698A EP3359319A1 EP 3359319 A1 EP3359319 A1 EP 3359319A1 EP 16770698 A EP16770698 A EP 16770698A EP 3359319 A1 EP3359319 A1 EP 3359319A1
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EP
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powder
bed
layer
preheated
additive manufacturing
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EP16770698.5A
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Christian Brunhuber
Thomas Soller
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Siemens AG
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to an apparatus for additive manufacturing and a corresponding manufacturing method.
  • Generative or additive manufacturing processes represent a novel approach to the production of components with high geometric complexity. They are characterized by the fact that the production on the basis of virtual data models from informal or shape-neutral materials such as powder, liquids by means of chemical and / or physical processes.
  • Turbomachinery such as Selective Laser Melting (SLM), Laser Metal Deposition (LMD) or Electron Beam Melting (EBM) are particularly important for turbine construction and service as they enable the processing of metallic materials.
  • the refractory alloys used for blades and vanes and burner components are typically difficult to weld and, when processed by laser-based methods, are prone to severe cracking, resulting in a high number of defects in the components thus obtained.
  • the high temperature gradients are a problem, which makes it difficult to in situ connection of these classes of materials to each other by means of generative methods. Due to the poor weldability of the materials in question, the highly stressed components are now produced exclusively by precision casting.
  • the generative process in the powder bed process such as SLM / EBM, is performed at high temperatures, thereby avoiding rapid cooling and associated hot cracks.
  • preheating temperatures of 1273 K are advantageous, whereas lower preheating temperatures of 1073 K already lead to significantly higher cracking.
  • a resistive heater, an inductive heater or a heater is used by IR emitters.
  • the object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 4.
  • Process chamber of the SLM or EBM plant but already before the squeezing of the powder, i. happen before the areal distribution of the powder as a fine layer in the process chamber.
  • the preheated powder is then distributed, preferably by means of a fully ceramic or ceramic coated wiper in the hot state in the process chamber and then processed directly via beam melting.
  • the heating of the powder should take place in such a way that from a powder reservoir the amount of powder required for the application of a new powder layer is metered into a small heating chamber.
  • the powder aliquot is then heated to the required process temperature, preferably via inductive heating.
  • the heated powder is then placed evenly along the ceramic doctor blade or ceramic pull frame via a suitable mechanism, preferably in the case of a baffle manifold assembly.
  • the wiping of the hot powder and the generative processing then proceed as usual.
  • Nickel-based alloys with a high ⁇ ⁇ content there is a risk of rapid cooling of the first powder layer due to the high temperature difference to the remaining powder bed.
  • a correspondingly stronger preheating is not possible here, because the metal particles run the risk of sintering in the heating chamber.
  • the application of the preheated powder can be combined with a resistive bottom heating or powder bed heating. Resistive floor heating increases the temperature temperature level in the entire powder bed, which prevents rapid cooling of the preheated first powder layer.
  • the target temperature of the underfloor heating it can be achieved, in particular, that during prying and laser melting of the preheated powder, the preheating temperature does not become unfavorable to the process
  • Nickel-based alloys with a high ⁇ ⁇ content With a space of 0.5m 2 x 0.5m 2 and a layer thickness of 20 ⁇ a powder volume in the order of 5cm 3 would be heated to apply a new powder layer can. Assuming a bulk density of the powder of 5 g / cm 3 , this corresponds to a powder weight of 25 g.
  • the inventive step lies in the integration of a preheating of the metallic powder raw material before the application of the powder into the installation space as well as a suitable adaptation of the powder preparation and application system in the SLM process with or without resistive powder bed heating.
  • the figure shows a device 1 according to the invention.
  • the device 1 has, as in the prior art, a movable platform 4, on which a powder bed 7 is constructed.
  • the platform 4 is movable down in one direction (z-direction) in order to apply a new layer of powder.
  • a component 10 to be produced is present in the powder bed 7 or is produced there.
  • the powder is selectively compacted in layers into the component 10, i. H. sinters or melts.
  • powder 28 is applied as a new layer after the platform 4 has been lowered by a certain value.
  • this powder 28, which is newly applied, is preheated.
  • powder from a powder reservoir 16 can be selectively preheated as a powder layer for a powder layer in a preheating chamber 19 and optionally introduced through a corresponding distributor 22 in the process chamber 31, so that there by means of the wiper 25 as a powder layer can be introduced into the process chamber 31.
  • Distributor 22 and Vorstrammer 19 may also be formed together as an assembly.
  • the process chamber can also optionally heat the already existing powder bed 7 in various ways, in particular in the case of metallic powders inductive heating is suitable.

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Abstract

Durch eine Vorrichtung und ein Verfahren, die das Vorheizen des aufzutragenden Pulvers für eine weitere zu beschichtende Lage vorwärmt, kann das Verfahren erheblich verkürzt werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zu einer additiven Fertigung
Die Erfindung betrifft eine Apparatur zur additiven Fertigung und ein entsprechendes Fertigungsverfahren.
Generative oder additive Fertigungsverfahren stellen einen neuartigen Ansatz zur Herstellung von Bauteilen mit hoher geometrischer Komplexität dar. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Fertigung auf Basis von virtuellen Datenmodellen aus formlosen oder formneutralen Materialien wie Pulver, Flüssigkeiten mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse erfolgt . Von besonderer Bedeutung für den Turbinenbau und -Service sind Strahlschmelzverfahren wie das Selektive Laserschmelzen (SLM) , Laser Metal Deposition (LMD) oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) , da sie die Verarbeitung von metallischen Werkstoffen ermöglichen.
Da der Energieeintrag durch den Schmelzstrahl sehr lokal erfolgt und die Wärmeableitung über das pulverförmige Ausgangs- material sehr schlecht ist, treten hohe thermische Gradienten auf, welche die Bildung von Warmrissen begünstigen.
Insbesondere die für Lauf- und Leitschaufeln sowie für Brennerkomponenten verwendeten hochwarmfesten Legierungen sind typischerweise schwer schweißbar und neigen bei Verarbeitung mittels Laser-basierten Verfahren stark zu Warmrissen, wodurch die so erhaltenen Bauteile eine hohe Anzahl an Defekten aufweisen.
Auch bei der Verarbeitung verschiedenartiger Materialien, insbesondere Metall und Keramik, stellen die hohen Temperaturgradienten ein Problem dar, was eine in- situ-Verbindung dieser Materialklassen miteinander mittels generativer Verfahren erschwert . Aufgrund der schlechten Schweißbarkeit der in Frage kommenden Materialen werden die hochbelasteten Komponenten heute ausschließlich über Feinguss hergestellt. Bei den meisten derzeit in Erprobung befindlichen Konzepten wird der generative Prozess im Pulverbett-Prozess wie SLM/EBM bei hohen Temperaturen durchgeführt, wodurch ein schnelles Auskühlen und die damit verbundenen Heißrisse vermieden werden können. Im Falle von Nickelbasislegierungen mit hohem γλ -Anteil sind beispielsweise Vorwärmtemperaturen von 1273K vorteilhaft, wohingegen geringere Vorwärmtemperaturen von 1073K schon zu deutlich höherer Rissbildung führt. Zur Heizung der Prozesskammer wird eine resistive Heizung, eine induktive Heizung oder eine Heizung mittels IR-Strahlern verwendet.
Im Falle einer Strahler-Beheizung erfolgt die Erwärmung erst nach Auftragen der zu prozessierenden Schicht, was technisch aufwendig zu realisieren ist. Die schnelle Beheizung mittels beweglicher Spulen im Bauraum, wobei die Spulen nicht in den Laserstrahl laufen dürfen, erscheint ebenfalls technisch anspruchsvoll .
Der Fall einer beheizten Bodenplatte ist zwar sehr einfach zu realisieren, es kann aber mit zunehmender Bauhöhe über die verschiedenen Schichten aus geschmolzenen Material und Pulver hinweg zu deutlichen Abweichungen der Ist-Temperatur in der obersten Pulverschicht von der gewünschten Vorwärmtemperatur kommen .
Es ist Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 4.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen. Die Figur und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. In der Erfindung soll - anders als beim Stand der Technik - die primäre Beheizung des Pulvers nicht erst in der
Prozesskammer der SLM- oder EBM-Anlage erfolgen, sondern bereits vor dem Rakeln des Pulvers, d.h. vor der flächigen Verteilung des Pulvers als feine Schicht in der Prozesskammer geschehen. Das vorgeheizte Pulver wird dann, vorzugsweise mittels eines vollkeramischen oder keramisch beschichteten Wischers im heißen Zustand in der Prozesskammer verteilt und dann unmittelbar via Strahlschmelzung prozessiert. Die Aufheizung des Pulvers soll derart erfolgen, dass aus einem Pulvervorratsbehälter die für die Auftragung einer neuen Pulverschicht erforderliche Pulvermenge in eine kleine Heizkammer eindosiert wird. Das Pulveraliquot wird dann auf die erforderliche Prozesstemperatur aufgeheizt, vorzugsweise über eine induktive Beheizung. Das aufgeheizte Pulver wird anschließend über einen geeigneten Mechanismus, vorzugsweise dem Fall durch eine Prallverteileranordnung, gleichmäßig entlang des keramischen Rakelmessers oder keramischen Ziehrahmens platziert. Das Wischen des heißen Pulvers und die gene- rative Prozessierung verlaufen dann wie gewohnt.
Bei Anwendungen mit sehr hohen Vorwärmtemperaturen, wie
Nickelbasislegierungen mit hohem γλ -Anteil, besteht die Gefahr des schnellen Auskühlens der ersten Pulverschicht auf- grund des hohen Temperaturunterschieds zum restlichen Pulverbett. Eine entsprechend stärkere Vorwärmung ist hier nicht möglich, denn die Metallpartikel laufen Gefahr in der Heizkammer zu sintern. In diesem Fall kann man aber in einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung das Auftragen des vorgewärmten Pulvers mit einer resistiven Bodenheizung bzw. Pulverbettheizung kombiniert werden. Die resistive Bodenheizung erhöht das Tem- peraturniveau im gesamten Pulverbett, was ein schnelles Abkühlen der vorgewärmten ersten Pulverschicht verhindert .
Durch eine geeignete Wahl der Zieltemperatur der Bodenheizung kann insbesondere erreicht werden, dass während des Aufra- kelns und Laserschmelzen des vorgewärmten Pulvers die Vorwärmtemperatur nicht in ein für den Prozess ungünstiges
Temperaturfenster läuft, insbesondere 973K - 1173K für
Nickelbasislegierungen mit hohem γλ -Anteil. Beispiel: Bei einer Bauraumfläche von 0,5m2 x 0,5m2 und einer Schichtdicke von 20μπι wäre ein Pulvervolumen in der Größenordnung von 5cm3 aufzuheizen, um eine neue Pulverlage auftragen zu können. Bei einer angenommen Schüttdichte des Pulvers von 5g/cm3 entspricht dies einem Pulvergewicht von 25g.
Der erfinderische Schritt liegt in der Integration einer Vorheizung des metallischen Pulverrohstoffs vor der Ausbringung des Pulvers in den Bauraum sowie einer geeigneten Anpassung des Pulveraufbereitungs- und -auftragssystems in den SLM-Pro- zess mit oder ohne resistiver Pulverbettheizung.
Hieraus ergeben sich u.a. folgende Vorteile:
Kürzere Prozess-Zeiten im Vergleich zu kompletter Bauraum-Beheizung (aufgrund schnellerer Abkühlzeiten nach Beendigung der generativen Fertigung) ,
Kostenersparnis durch vereinfachte Vorheizungsvorrichtung (insbes. im Vergleich zur Strahlungsbeheizung),
Bessere Bauteilqualität durch genauere Kontrolle der Vor- heiztemperatur,
Möglichkeit zur Verarbeitung bis dato nicht generativ prozessierbarer (d.h. insbesondere schwer schweißbarer) Verbindungen,
Anwendbarkeit auf Vielzahl verschiedener Materialien; geeignet für reproduzierbare Serienfertigung. Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1.
Die Figur und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Die Vorrichtung 1 weist wie im Stand der Technik eine bewegbare Plattform 4 auf, auf der ein Pulverbett 7 aufgebaut wird. Die Plattform 4 ist in einer Richtung (z-Richtung) nach unten bewegbar, um eine neue Lage Pulver auftragen zu können. Ein herzustellendes Bauteil 10 ist in dem Pulverbett 7 vorhanden bzw. wird dort erzeugt.
In der Prozesskammer 31 wird mittels eines Energiestrahls 13, insbesondere eines Laserstrahls 13 eines Lasers 29, und eines entsprechenden Scanners 34 das Pulver selektiv zu dem Bauteil 10 lagenweise verdichtet, d. h. sintert oder aufschmilzt.
Mittels eines Wischers 25 wird, wie im Stand der Technik, Pulver 28 als neue Lage aufgetragen, nachdem die Plattform 4 um einen bestimmten Wert abgesenkt wurde.
Erfindungsgemäß ist dieses Pulver 28, das neu aufgetragen wird, jedoch vorgewärmt.
Das kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen.
Es kann eine weitere Heizvorrichtung vorhanden sein, der das gesamte Pulverreservoir 16 nach dem Stand der Technik
vorheizt . Ebenso wie in der Zeichnung dargestellt, kann Pulver aus einem Pulverreservoir 16 als aufzutragende Pulvermenge für eine Pulverlage in einer Vorheizkammer 19 selektiv vorgewärmt werden und optional durch einen entsprechenden Distributor 22 in die Prozesskammer 31 eingebracht werden, so dass es dort mittels des Wischers 25 als Pulverlage in die Prozesskammer 31 eingebracht werden kann. Distributor 22 und Vorheizkämmer 19 können auch zusammen als eine Baugruppe ausgebildet sein.
Die Prozesskammer kann das bereits vorhandene Pulverbett 7 optional ebenfalls auf verschiedene Art und Weise erwärmen, insbesondere bei metallischen Pulvern eignet sich eine induktive Erwärmung.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung,
die (1) zumindest aufweist:
eine bewegbare Plattform (4),
auf der (4) ein Pulverbett (7) durch sukzessiv
hinzugefügtes Pulver (28) für Pulverlagen sukzessive erzeugt werden kann,
in dem (7) ein herzustellendes Bauteil (10) schrittweise hergestellt wird,
wobei das Pulverbett (7) selektiv durch einen Energiestrahl (13) ,
insbesondere durch einen Laserstrahl (13) ,
innerhalb einer Prozesskammer (31) verdichtet werden kann, ein Pulverreservoir (16),
aus dem lagenweise Pulver (28) für eine neue Pulverlage des Pulverbetts (7) aufgetragen werden kann,
dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel (19) vorhanden sind,
die das aufzutragende Pulver (28) für eine neue Pulverlage vorwärmen .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
bei dem das Pulver aus dem Pulverreservoir (16) selektiv in einer Vorheizkammer (19) vorgewärmt wird und optional über einen Verteiler (22) in die Prozesskammer (31) eingebracht wird,
so dass das erwärmte Pulver (28) als Pulverlage über das bereits vorhandene Pulverbett (7) verteilt werden kann.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
bei der eine weitere Heizvorrichtung für das bereits vorhandene Pulverbett (7) in der Vorrichtung (1) vorhanden ist .
4. Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (10) in einer Vorrichtung zur additiven Fertigung,
insbesondere mittels einer Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3 ,
bei dem ein Pulver (28) ,
das für eine zuzuführende Pulverlage benötigt wird,
vorgeheizt wird und
dann selektiv mittels eines Energiestrahls (13) verdichtet wird .
5. Verfahren nach Anspruch 4 ,
bei dem das bereits vorhandene Pulverbett (7) erwärmt wird.
EP16770698.5A 2015-10-07 2016-09-09 Vorrichtung und verfahren zu einer additiven fertigung Withdrawn EP3359319A1 (de)

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