EP3624965A1

EP3624965A1 - Anlage zum pulverbettbasierten additiven herstellen eines werkstücks mit mehreren dosiervorrichtungen für verschiedene pulverarten und verfahren zu deren betreiben

Info

Publication number: EP3624965A1
Application number: EP18739785.6A
Authority: EP
Inventors: Oliver Hofacker; Ursus KRÜGER
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2020-03-25
Also published as: DE102017213087A1; WO2019020317A1; US20200223011A1; CN110958923A

Abstract

Anlage zum pulverbettbasierten additiven Herstellen eines Werkstücks mit mehreren Dosiervorrichtungen für verschiedene Pulverarten und Verfahren zu deren Betreiben Die Erfindung betrifft Anlage zum prüferbettbasierten additiven Herstellen eines Werkstücks (11) beispielsweise durch selektives Laserschmelzen. Für das Pulverbett (13) ist eine Aufnahmevorrichtung (12) vorgesehen, wobei das Pulverbett durch mehrere Dosiervorrichtungen (von denen nur eine dargestellt ist) aufgebracht werden kann. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass jede der Dosiervorrichtungen (23a) einen Dosierschlitz (28a) aufweist, durch den eine bestimmte Pulverart (25) auf das Pulverbett (13) aufgebracht werden kann. Die Aufnahmevorrichtung (12) und die Dosiervorrichtungen (23a) sind erfindungsgemäß relativ zueinander beweglich, so dass mit Hilfe des Dosierschlitzes die gesamte Oberfläche (22) des Pulverbetts (13) mit Pulver beaufschlagt werden kann. Vorteilhaft ist das Dosieren unterschiedlicher Pulverarten auf demselben Pulverbett (13) bei gleichzeitig geringer Baugröße der Anlage möglich. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb der beschriebenen Anlage.

Description

Beschreibung

Anlage zum pulverbettbasierten additiven Herstellen eines Werkstücks mit mehreren Dosiervorrichtungen für verschiedene Pulverarten und Verfahren zu deren Betreiben

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum pulverbettbasierten additiven Herstellen eines Werkstücks mit einer Prozesskammer, in der eine Aufnahmevorrichtung für ein Pulverbett vor- gesehen ist. Um diese mit Pulver befüllen zu können, sind in der Anlage mehrere Dosiervorrichtungen für verschiedene Pul^¬ verarten vorgesehen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Anlage. Als pulverbettbasierte additive Fertigungsverfahren im Sinne dieser Anmeldung sollen Verfahren verstanden werden, bei denen das Material, aus dem ein Bauteil hergestellt werden soll, dem Bauteil während der Entstehung hinzugefügt wird. Dabei entsteht das Bauteil bereits in seiner endgültigen Ge- stalt oder zumindest annähernd in dieser Gestalt. Das Bauma^¬ terial ist pulverförmig, wobei durch das additive Fertigungs^¬ verfahren das Material zur Herstellung des Bauteils Lage für Lage durch einen Energiestrahl verfestigt wird. Um das Bauteil herstellen zu können, werden das Bauteil be^¬ schreibende Daten (CAD-Modell) für das gewählte additive Fer^¬ tigungsverfahren aufbereitet. Die Daten werden zur Erstellung von Anweisungen für die Fertigungsanlage in an das Ferti^¬ gungsverfahren angepasste Daten eines herzustellenden Werk- Stücks umgewandelt, damit in der Fertigungsanlage die geeig^¬ neten Prozessschritte zur sukzessiven Herstellung dieses Werkstücks ablaufen können. Die Daten werden dafür so aufbereitet, dass die geometrischen Daten für die jeweils herzu^¬ stellenden Lagen (Slices) des Werkstücks zur Verfügung ste- hen, was auch als Slicen bezeichnet wird. Das Werkstück kann eine vom Bauteil abweichende Gestalt haben. Beispielsweise kann ein herstellungsbedingter Bauteilverzug berücksichtigt werden, der durch eine abweichende Werkstückgeometrie kompen- siert wird. Auch weist das Werkstück gewöhnlich Stützstruktu^¬ ren auf, die bei einer Nachbearbeitung des Bauteils wieder entfernt werden müssen. Als Beispiele für das additive Fertigen können das selektive Lasersintern (auch SLS für Selective Laser Sintering) , das Selektive Laserschmelzen (auch SLM für Slective Laser

Melting) und das Elektronenstrahlschmelzen (auch EBM für Electron Beam Melting) genannt werden. Diese Verfahren eignen sich insbesondere zur Verarbeitung von metallischen Werkstoffen in Form von Pulvern, mit denen Konstruktionsbauteile hergestellt werden können.

Beim SLM, SLS und EBM werden die Bauteile lagenweise in einem Pulverbett hergestellt. Es wird jeweils eine Lage des Pulvers in dem Pulverbett erzeugt, die durch die Energiequelle (Laser oder Elektronenstrahl) anschließend in denjenigen Bereichen lokal aufgeschmolzen oder gesintert wird, in denen das Bau^¬ teil entstehen soll. So wird das Bauteil sukzessive lagenwei- se erzeugt und kann nach Fertigstellung dem Pulverbett ent^¬ nommen werden.

Eine Anlage der eingangs beschriebenen Art bzw. ein Verfahren zu deren Betrieb ist beispielsweise in der US 2015/0352784 AI beschrieben. Um ein Werkstück aus mehreren Materialien durch ein pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren Lage für Lage herstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass rund um eine Aufnahmevorrichtung für ein zu erzeugendes Pulverbett herum mehrere Vorratsbehälter für unterschiedliche Pulverar- ten angeordnet werden können. Die Vorratsbehälter stellen eine Oberfläche der jeweiligen Pulverart zur Verfügung, die sich auf einem Niveau mit der Oberfläche des zu erzeugenden Pulverbetts befindet. Mittels Schiebern kann dann jeweils ei^¬ ne definierte Menge an Pulver von dem Pulvervorrat in das Pulverbett verschoben werden. Dadurch, dass die Vorratsbehäl^¬ ter mit ihrer Oberfläche auf derselben Ebene wie das Pulver^¬ bett angeordnet werden müssen, damit die Dosierung mittels der Schieben funktioniert, weist eine solche Anlage zum addi- tiven Fertigen einen bedeutend größeren Bauraum auf, als eine Anlage, in der nur eine Pulverart verarbeitet werden muss.

Aus der DE 10 2014 221 885 AI ist es bekannt, dass eine Anla- ge zum pulverbettbasierten additiven Herstellen mehrere

Dosiervorrichtungen aufweisen kann, die radial zu einer senkrecht stehenden und durch die Aufnahmevorrichtung verlaufenden Mittelachse ausgerichtet sind. Diese Dosiereinrichtungen können um die Mittelachse gedreht werden und dabei das Pulver auf ein Pulverbett dosieren, welches eine kreisförmige Ober^¬ fläche aufweist. Dadurch ist es möglich, bei einer Umdrehung mehrmals Pulver zu dosieren, welches durch jeweils zwischen den Dosiereinrichtungen angeordnete Laser jeweils verfestigt wird .

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Anlage zum pulverbettbasierten additiven Fertigen von Werkstücken anzugeben, welche die Möglichkeit einer Verarbeitung mehrerer Pulverarten in einem Pulverbett mit einer kompakten Bauform verbindet.

Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Anlage erfin^¬ dungsgemäß dadurch gelöst, dass die Dosiervorrichtungen je eine Kavität mit je einem Dosierschlitz aufweisen, wobei die Kavitäten mit je einer Pulverart (und damit unterschiedlichen Pulverarten) beaufschlagbar sind. Außerdem sind die

Dosierschlitze der Dosiervorrichtungen radial zu einer senkrecht stehenden, durch die Aufnahmevorrichtung verlaufenden Mittelachse angeordnet, die vorzugsweise im zentralen Bereich des zu erzeugenden Pulverbetts liegt. Mit anderen Worten verläuft die Mittelachse durch die Aufnahmevorrichtung, in der das Pulverbett erzeugt werden soll. Die Aufnahmevorrichtung und die Dosiervorrichtungen sind nämlich um die Mittelachse relativ zueinander drehbar, so dass durch diese relative Drehbewegung zueinander eine Erreichbarkeit der gesamten Oberfläche des zu erzeugenden Pulverbetts durch die

Dosierschlitze gewährleistet ist. Die Relativbewegung ist da^¬ bei mit dem Umlauf von Uhrzeigern um ein Zifferblatt zu ver- gleichen (wobei statt der Zeiger alternativ auch das Zifferblatt gedreht werden kann) . Die Relativbewegung kann somit auch durch Drehung der Aufnahmevorrichtung um die Mittelachse erzeugt werden.

Weiterhin muss das Pulverbett auch absenkbar oder alternativ die Dosiervorrichtungen anhebbar ausgestaltet sein. Dadurch wird gewährleistet, dass das Pulverbett Lage für Lage erzeugt werden kann, ohne dass es zu Kollisionen zwischen den

Dosiervorrichtungen und der Oberfläche des Pulverbetts kommt.

Vorzugsweise ist die Aufnahmevorrichtung mit einem zylindrischen Aufnahmeraum für das Pulverbett ausgestattet. Die Mit^¬ telachse ist dann vorzugsweise mit der Symmetrieachse des zy- lindrischen Aufnahmeraums identisch. Hierdurch ist vorteilhaft eine besonders kompakte Bauform der Anlage möglich. Au^¬ ßerdem können die Dosiervorrichtungen dann optimal an die Geometrie der Aufnahmevorrichtung angepasst werden, da eine Umrandung für das Pulverbett dann immer den gleichen Abstand von der Mittelachse aufweist. Selbstverständlich kann die

Aufnahmevorrichtung auch einen anders gestalteten Aufnahmeraum aufweisen, der beispielsweise eine quadratische Oberflä^¬ che des zu erzeugenden Pulverbetts zur Verfügung stellt. Auch andere Oberflächen, z. B. die eines regelmäßigen Sechsecks oder eines anderen Polygons sind denkbar.

Dadurch, dass die Dosiervorrichtungen radial zur Mittelachse angeordnet sind, können diese vorteilhaft auf engem Raum oberhalb des Pulverbetts angeordnet werden. Eine Dosierung des Pulvers erfolgt dabei direkt durch die Dosierschlitze der Dosiervorrichtungen, weswegen die raumsparende Anordnung oberhalb der Aufnahmevorrichtung für das Pulverbett erst mög^¬ lich wird. Durch die Beaufschlagung der Dosiervorrichtungen mit unterschiedlichen Pulverarten wird eine Mehrmaterialver- arbeitung möglich, indem das Pulverbett mit unterschiedlichen Pulverarten aufgebaut wird. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Aufnahmevorrichtung eine innere Umrandung für das Pulverbett aufweist, welche einen um die Mittel^¬ achse liegenden Bereich vom auszubildenden Pulverbett ab- trennt. Dies bedeutet, dass im Bereich der Mittelachse kein Pulverbett erzeugt wird, da die innere Umrandung die Erzeu^¬ gung des Pulverbetts in diesem Bereich verhindert. In diesem Bereich ist eine Dosierung von Pulver wegen der drehenden Relativbewegung und dem geringeren Abstand zur Mittelachse nur erschwert möglich, so dass innerhalb der inneren Umrandung auf die Erzeugung des Pulverbetts verzichtet wird. Dies spart Pulvermaterial und verringert somit die Fertigungskosten für additiv herzustellende Werkstücke. Die innere Umrandung kann beispielsweise durch einen zylindrischen Dom gebildet werden, dessen flache Oberseite genau auf der Höhe der Oberfläche des Pulverbetts liegt. Dieser nimmt dann genau das Volumen ein, welches im Pulverbett ausgespart werden soll.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgese- hen werden, dass ein Schieber zur Glättung einer Oberfläche des zu erzeugenden Pulverbetts vorgesehen ist. Dieser Schieber ist ebenso wie die Dosiervorrichtungen radial zur Mittel^¬ achse ausgerichtet und um die Mittelachse relativ zur Aufnah^¬ mevorrichtung drehbar. Der Schieber ist derart auf Höhe der Oberfläche des zu erzeugenden Pulverbetts angeordnet, dass dessen Verschiebung zur Glättung des Pulverbetts führt. Insbesondere kann überschüssiges Pulvermaterial von der Oberflä^¬ che des Pulverbetts entfernt werden. Es ist auch denkbar, dass mehrere Schieber zum Einsatz kommen, insbesondere pro Pulverförderer ein Schieber. Es kann jedoch auch nur ein

Schieber angeordnet werden, der durch eine genügend große Re^¬ lativdrehung zwischen Schieber und Aufnahmevorrichtung das durch jede Dosiervorrichtung zugeführte Pulver erreichen kann. Der Schieber trägt damit vorteilhaft zu einer verbes- serten Qualität der Oberfläche des Pulverbetts bei.

Eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage sieht vor, dass die Aufnahmevorrichtung eine an eine äußere Umran- dung für das Pulverbett grenzende Öffnung für überschüssiges Pulver aufweist, die in einen Auffangbehälter führt. Wird überschüssiges Pulver durch den Schieber auf der Oberfläche des zu erzeugenden Pulverbetts abgetragen, so kann dies vor- teilhaft über die äußere Umrandung sicher in den Auffangbe^¬ hälter gelangen und dort gespeichert werden. Dies ermöglicht vorteilhaft eine zuverlässige Entsorgung oder Wiederverwen^¬ dung des Pulvers. Die Öffnung kann vorteilhaft die äußere Um^¬ randung vollständig umgeben. Auf diese Weise kann alles Pul- ver, welches durch den Schieber nach radial außen getragen wird, über die Öffnung in den Auffangbehälter gelangen. Die Öffnung ist vorzugsweise als ringförmiger Schlitz ausgebil^¬ det, der die äußere Umrandung umgibt. Alternativ ist es gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung auch möglich, dass die Aufnahmevorrichtung eine an die innere Umrandung für das Pulverbett grenzende Öffnung für überschüssiges Pulver aufweist, die in einen Auffangbehälter mündet. Dies ermöglicht die Aufnahme von überschüssigem Pul- ver, welches über die zentrale Öffnung in den Auffanggehälter gelangen kann. Die hiermit verbundenen Vorteile sind bereits erläutert worden. Außerdem ist diese Ausführung der Erfindung besonders platzsparend, weil der Bereich der inneren Umran^¬ dung, der nicht durch das Pulverbett eingenommen werden soll, ansonsten ungenutzt bleiben würde.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, die an die Nutzung der Auffangbehälter angepasst ist, kann vorgesehen werden, dass der Schieber in einer Aufsicht von oben einen gekrümmten Verlauf aufweist. Dabei ist der Schieber als Ganzes mit sei^¬ nem gekrümmten Verlauf radial zur Mittelachse angeordnet, wo^¬ bei die Ausrichtung der Schieberkante sich im radialen Verlauf des Schiebers ändert. Je nach Krümmung wird dadurch überschüssiges Pulver an der Schieberkante nach außen oder nach innen getragen, so dass eine Entsorgung dieses überschüssigen Pulvers in den Auffangbehältern vereinfacht wird. Streicht der Schieber mit seiner konvexen Seite voran über das Pulverbett, so wird das Pulver während es Betriebs des Schiebers radial nach innen getragen und kann über die innere Umrandung der Aufnahmevorrichtung über die Öffnung in den Auffangbehälter gelangen. Streicht der Schieber mit seiner konkaven Seite voran über das Pulverbett, so wird überschüs^¬ siges Pulver nach außen über die äußere Umrandung der Aufnahmevorrichtung geschoben und kann in die vorzugsweise ringförmige Öffnung fallen, um auf diesem Weg in den Auffangbehälter zu gelangen. Vorteilhaft wird dabei verhindert, dass die Men^¬ ge an überschüssigem Pulver vor dem Schieber so groß wird, dass diese über die obere Kante des Schiebers hinweg auf das bereits geglättete Pulverbett fällt.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dosiervorrichtungen mit je einem Vorratsbehälter ausgestattet sind, der jeweils mit der Kavität der Dosiervorrichtung in Verbindung steht. Die Vorratsbehälter nehmen eine bestimmte Menge der jeweils zu verarbeitenden Pulverart auf, welche über die Verbindung der Kavität der Dosiervorrichtung zugeführt werden kann. Die Kavität dient dann zur Verteilung des Pulvers über die Schlitzlänge hinweg, so dass dieses gleichmäßig auf dem Pulverbett verteilt werden kann. In der Kavität können zu diesem Zweck auch Trennwände vorgesehen sein, die den Fluss des Pulvers teilen und so verschiedenen Abschnitten des Dosierschlitzes zuführen. Dies führt vorteilhaft zu einer Vergleichmäßigung des Pulverauf^¬ trags über die Schlitzlänge hinweg. Dabei kann auch berück^¬ sichtigt werden, dass in radial innenliegenden Abschnitten des Dosierschlitzes pro Zeiteinheit eine geringere Pulvermen^¬ ge zugeführt werden muss, als in radial äußeren Abschnitten des Dosierschlitzes, da der Dosierschlitz außen pro Umdrehung eine weitere Strecke zurücklegt, als innen. Gemäß einer weiterführenden Ausgestaltung der Anlage mit Vorratsbehältern kann vorgesehen werden, dass die Vorratsbehälter in der Prozesskammer angeordnet sind und für jeden Vorratsbehälter eine Füllvorrichtung vorgesehen ist, die außer- halb der Prozesskammer mit der betreffenden Pulverart

beschickbar ist. Diese Variante ist besonders vorteilhaft, wenn zur Erzeugung des Pulverbetts die Dosiervorrichtungen gedreht werden. Die Vorratsbehälter können während der Bewe- gung der Dosiervorrichtungen genügend Pulver aufnehmen, damit dieses über die Dosierschlitze auf dem Pulverbett verteilt werden kann. Wenn die Vorratsbehälter leer sind, kann die betreffende Dosiervorrichtung an die Füllvorrichtung herangefahren werden, so dass von außerhalb der Prozesskammer die entsprechende Pulverart nachgefüllt werden kann. Dabei braucht die Prozesskammer vorteilhaft nicht geöffnet zu wer^¬ den, so dass eine Kontamination der Prozesskammer aufgrund von Umwelteinflüssen verhindert werden kann. Außerdem wird vorteilhaft verhindert, dass Pulver aus der Prozesskammer nach außen gelangt. Zuletzt lassen sich vorteilhaft die mit der Nachfüllung der Vorratsbehälter verbundenen

Stillstandszeiten der Anlage minimieren.

Weiterhin wird die oben stehende Aufgabe mit dem eingangs an- gegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Dosiervorrichtungen je eine Kavität mit je einem

Dosierschlitz aufweisen, wobei die Kavitäten mit je einer Pulverart beaufschlagt werden. Wie bereits erwähnt, sind die Dosierschlitze radial zu einer senkrecht stehenden, durch die Aufnahmevorrichtung verlaufenden Mittelachse ausgerichtet.

Die Aufnahmevorrichtung und die Dosiervorrichtungen werden um die Mittelachse relativ zueinander gedreht, während mindes^¬ tens eine der Pulverarten durch den zugehörigen Dosierschlitz auf dem Pulverbett verteilt wird. Dabei kann die bei dem Ver- fahren verwendete Anlage die oben stehend bereits näher er^¬ läuterten Eigenschaften aufweisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhaft unter^¬ schiedliche Betriebsarten, mit denen die Gestaltungsmöglich- keiten bei den additiv hergestellten Werkstücken vorteilhaft vergrößert werden, wie im Folgenden näher erläutert werden soll . Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen werden, dass zum Erzeugen ein und derselben Lage des Pulverbetts mindestens zwei Pulverarten durch die zugehörigen Dosierschlitze auf dem Pulverbett verteilt wer- den, wobei sich die Pulverarten mischen. Auf diese Weise ist eine Herstellung von Lagen des Werkstücks möglich, die nicht nur aus einer Pulverart bestehen. Beispielsweise lässt sich durch das Mischen metallischer Pulver die Herstellung von Metalllegierungen erreichen, wobei diese während des Aufschmel- zens oder Sinterns des Pulvers durch Diffusionsvorgänge ent^¬ stehen. Vorteilhaft kann die Legierungsbildung erreicht werden, indem Pulver aus den Legierungsbestandteilen (Pulverarten) in dem richtigen Mischungsverhältnis miteinander gemischt werden. Das Vorhalten von Legierungspulvern ist daher vorteilhaft nicht notwendig, was die mit der Lagerhaltung von Rohstoffen verbundenen Kosten verringert.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Mischungsverhältnis der Pulverarten durch die Drehgeschwindigkeit zwischen den Dosiervorrichtungen und der Aufnahmevorrichtung eingestellt wird. So kann z. B. eine Pulverart, die in einer höheren Konzentration vorliegen soll, durch eine geringere Drehgeschwindigkeit verteilt werden, so dass der Umlauf der Dosiervorrichtung auf dem Pulverbett län- ger dauert und auf diesem Weg mehr Pulver durch den

Dosierschlitz rieselt. Die Pulverart, die in geringerer Konzentration dosiert werden soll, wird dementsprechend mit ei^¬ ner höheren Drehgeschwindigkeit auf das Pulverbett aufgetra^¬ gen. Hierdurch wird vorteilhaft ein größerer Gestaltungs- Spielraum für das Mischen von Pulvern ausgeschöpft. Eine noch weiterführende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Drehgeschwindigkeit während der Do^¬ sierung der jeweiligen Pulverart variiert wird. Hierdurch ist es möglich, das Mischungsverhältnis der Pulverarten in der gerade herzustellenden Lage des Pulverbetts lokal zu variie^¬ ren. Insbesondere ist es auch möglich, einen Konzentrations^¬ gradienten einer Pulverart in einer Lage zu erzeugen, wobei der Konzentrationsgradient in Umfangsrichtung in dem Pulverbett ausgerichtet ist.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Wechsel der Benutzung der Dosiervorrichtungen zwischen dem

Aufbringen zweier benachbarter Lagen erfolgt. Auch auf diesem Wege ist bei metallischen Pulverarten eine Legierungsbildung möglich, indem die benachbarten Lagen durch den Energiestrahl genügend erwärmt, insbesondere aufgeschmolzen werden, damit eine Diffusion des Pulvermaterials in dem sich ausbildenden Werkstück ermöglich wird.

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.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen han- delt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiter- bilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.

Es zeigen:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage, auf der ein Ausführungsbeispiel des erfindungs- gemäßen Verfahrens durchgeführt wird, schematisch im Schnitt, Figur 2 eine Aufsicht auf die Aufnahmevorrichtung und die Dosiervorrichtung der Anlage gemäß Figur 1 von oben, wobei die Schnittebene I-I gemäß Figur 1 ein^¬ gezeichnet ist,

Figur 3 eine Aufteilung des Pulverbetts zur Durchführung des Verfahrens gemäß Figur 1,

Figur 4 ein alternatives Ausführungsbeispiel der erfin- dungsgemäßen Anlage mit aufgeschnittenem Gehäuse und Aufsicht auf die Aufnahmevorrichtung sowie die Dosiervorrichtung .

Eine Anlage zum additiven Fertigen von Werkstücken 11 gemäß Figur 1 ist als Anlage zum selektiven Laserschmelzen ausgeführt. Diese weist eine Aufnahmevorrichtung 12 für ein Pulverbett 13 auf, wobei diese Aufnahmevorrichtung eine äußere Umrandung 14 besitzt, die durch eine zylinderförmige Wand ausgebildet ist. Außerdem ist eine innere Umrandung 15 für das Pulverbett vorgesehen, die ebenfalls durch einen Zylinder gebildet ist. Das Pulverbett 13 weist daher die Form eines Kreisrings auf. Die Aufnahmevorrichtung 12 ist außerdem mit einer Bauplattform 16 ausgestattet, auf der die Werkstücke 11 lagenweise hergestellt werden. Die Bauplattform 12 lässt sich zu diesem Zweck um die jeweilige Dicke der Lage absenken, wo^¬ bei dies über einen nicht näher dargestellten Antrieb erfolgt .

Die Werkstücke 11 werden mittels eines Energiestrahls 17 (hier ein Laserstrahl) hergestellt, welcher durch einen Laser 18 erzeugt wird. Angedeutet ist eine Umlenkoptik 19 für den Energiestrahl 17, der diesen durch ein Fenster 20 in eine Prozesskammer 21 leitet, in der die Aufnahmevorrichtung 12 mit dem Pulverbett 13 vorgesehen ist. Der Laser 18 befindet sich außerhalb der Prozesskammer 21, ebenso wie die Umlenkop^¬ tik 19. Über die Umlenkoptik 19 sowie nicht dargestellte wei^¬ tere optische Elemente (beispielsweise eine Fokussieroptik) wird der Energiestrahl auf einer Oberfläche 22 des Pulver- betts 13 derart geführt, dass das Pulver zur Herstellung des Werkstücks 11 verfestigt, insbesondere aufgeschmolzen wird.

Zur Erzeugung des Pulverbetts 13 sind in der Prozesskammer 21 mehrere Dosiervorrichtungen 23a, 23b, 23c (vgl. Figur 2) angeordnet, von denen in Figur 1 nur die Dosiervorrichtung 23a geschnitten dargestellt ist. Diese ist genauso aufgebaut, wie die nicht dargestellten Dosiervorrichtungen 23b, 23c und weist einen Vorratsbehälter 24a auf, in dem Pulver 25 einer bestimmten Pulverart gelagert werden kann. Durch Öffnen von Dosierklappen 26a kann das Pulver durch eine Kavität 27a zu einem Dosierschlitz 28a gelangen, durch den das Pulver 25 gleichmäßig auf der Oberfläche 22 des Pulverbetts 13 verteilt wird .

Um das Pulver gleichmäßig über die Länge des Dosierschlitzes 28 zu verteilen, kann im Inneren der Kavität 27a eine Trennwand 29a angeordnet werden, mit der der Strom der Pulverart, angedeutet durch Pfeile 30, geteilt wird. Um die Pulverart des Pulvers 25 gleichmäßig über den Umfang des kreisringför^¬ migen Pulverbetts 13 zu verteilen, ist weiterhin eine relati^¬ ve Drehbewegung zwischen der Aufnahmevorrichtung 12 und der Dosiervorrichtung 23a erforderlich. Diese wird dadurch erzeugt, dass die Dosiervorrichtung 23a um eine Mittelachse 31, die senkrecht auf der Oberfläche 22 des Pulverbetts 13 steht, rotiert. Zu diesem Zweck ist die Dosiervorrichtung 23a an einer Haltestange 32 angebracht, die in der Mittelachse 31 an^¬ geordnet ist und durch einen Antrieb 33 gedreht werden kann. Dabei überstreicht der Dosierschlitz 28a die gesamte Oberflä- che 22 des Pulverbetts 13.

Überschüssiges Pulver kann während der Dosierung durch einen Schieber 34 (dargestellt in Figur 2) von der Oberfläche 22 des Pulverbetts 13 entfernt werden. Um dieses Pulver aufzu- fangen, steht in der Anlage gemäß Figur 1 ein Auffangbehälter 35 zur Verfügung, der ringförmig um die Aufnahmevorrichtung 12 herum angeordnet ist und eine schlitzförmige Öffnung 36 aufweist, die sich außen an die äußeren Umrandung 14 für das Pulverbett anschließt. Da die Bauplattform 16 Lage für Lage abgesenkt wird, befindet sich die äußere Umrandung 14 immer auf Höhe der Oberfläche 22 des Pulverbetts 13, so dass das überschüssige Pulver mittels des Schiebers 34 über die äußere Umrandung 14 hinweg in die Öffnung 36 transportiert werden kann. Ein aufgesammelter Pulverrest 37 kann je nach Einsatzfall verworfen oder wieder verwendet werden.

In der in Figur 1 dargestellten Stellung der

Dosiervorrichtung 23a ist es möglich, den Vorratsbehälter 24a über eine Füllvorrichtung 38a mit dem Pulver 25 der gewünschten Pulverart nachzufüllen. Hierzu wird ein außerhalb der Prozesskammer 21 angeordneter und in Figur 1 nicht dargestellter Pulvervorrat verwendet. Dadurch ist es möglich, dass ein Nachfüllen von Pulver 25 erfolgen kann, ohne die Prozesskammer zu öffnen. Das Nachfüllen von Pulver erfolgt durch Öffnen einer Füllklappe 39a und kann beispielsweise erfolgen, während der Energiestrahl 17 an einer zugänglichen Stelle des Pulverbetts das Werkstück 11 erzeugt.

In Figur 2 lässt sich die Aufnahmevorrichtung 12 mit dem Pulverbett 13 als Aufsicht erkennen. Oberhalb des Pulverbetts sind die Dosiervorrichtungen 23a, 23b, 23c angeordnet, die an der Haltestange 32 befestigt sind. Mit der Haltestange 32 werden die Dosiervorrichtungen zusammen mit dem Schieber 34 in Richtung des Pfeils (Drehrichtung 40) gedreht. Dadurch gelingt eine Dosierung verschiedener Pulverarten aus den Vorratsbehältern 24a, 24b, 24c auf dem Pulverbett 13. Die Pul^¬ vervorräte sind in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst , wobei Trennwände zwischen den Pulvervorräten gestrichelt an^¬ gedeutet sind. In Drehrichtung 40 gesehen hinter den

Dosiervorrichtungen 23a, 23b, 23c läuft der Schieber 34 über das Pulverbett 13. Dieser ist gekrümmt ausgeführt, wobei sich überschüssiges Pulver an der konkaven Seite 41 sammelt und aufgrund der Krümmung des Schiebers während der Drehung in Drehrichtung 40 nach radial außen transportiert wird. Nach Überwindung der äußeren Umrandung 14 fällt das überschüssige Pulver in die Öffnung 36, die einen ringförmigen Schlitz um die äußere Umrandung 14 bildet.

Die Pulverdosierer 23a, 23b, 23c können zur Dosierung von Pulver einzeln oder gleichzeitig geöffnet werden. Bei einer gleichzeitigen Öffnung ist die Mischung mehrerer Pulverarten auf dem Pulverbett 13 innerhalb einer hergestellten Lage des Pulverbetts möglich. Werden die Dosiervorrichtungen einzeln verwendet, ist es möglich, dass nacheinander Lagen unter- schiedlicher Pulverart auf das Pulverbett 13 aufgetragen wer^¬ den .

In Figur 3 ist schematisch dargestellt, wie das Pulverbett 13 gemäß Figur 2 in mehrere Kreissektoren 42 eingeteilt werden kann. In jedem dieser Kreissektoren kann ein anderes Werkstück 11 hergestellt werden, wobei die Werkstücke 11 unter^¬ schiedliche Geometrien und Zusammensetzungen aufweisen können. Um einen Pulverwechsel für jedes Bauteil planen zu kön^¬ nen, kann ein Wechsel zwischen aufgetragenen Pulverarten in- dividuell für jeden Kreissektor 42 erfolgen. Damit ist es möglich, in einer Herstellungscharge der Anlage gemäß Figur 1 Werkstücke 11 mit unterschiedlicher Materialzusammensetzung herzustellen. Außerdem ist zu erkennen, dass die Werkstücke 11 alle in einem radialen Bereich 43 (angedeutet durch eine gestrichelte Linie) hergestellt werden, der nur einen Teilbe^¬ reich der gesamten radialen Abmessungen des Pulverbetts 13 beinhaltet. In diesem Bereich 43 kann die kreisförmige Bewe^¬ gung der Dosiervorrichtungen 23a, 23b, 23c näherungsweise als linear angesehen werden, so dass es möglich ist, einen in der Ebene des Pulverbetts 13 ausgerichteten Konzentrationsgradi^¬ enten zu erzeugen, der im Wesentlichen linear von einer Bauteilseite zur anderen verläuft.

Gemäß Figur 4 ist eine Anlage zum additiven Fertigen von Werkstücken zu erkennen, bei der die Aufnahmevorrichtung 12 in Richtung eines Pfeils (Drehrichtung 44) drehbar angeordnet ist, während die Dosiervorrichtungen 23a, 23b, 23c, 23d orts^¬ fest in der Prozesskammer 21 angeordnet sind. Der Aufbau die- ser Dosiervorrichtungen kann im Wesentlichen dem zu Figur 1 beschriebenen gleichen, mit dem Unterschied, dass die Vorratsbehälter 24a, 24b, 24c, 24d außerhalb des Gehäuses ange^¬ ordnet sind und über die Füllvorrichtungen 38a, 38b, 38c, 38d die Dosiervorrichtungen 23a, 23b, 23c, 23d direkt mit der je^¬ weiligen Pulverart versorgen. Dies wird dadurch möglich, dass die Dosiervorrichtungen fest in der Prozesskammer 21 installiert werden können, da die relative Drehbewegung durch die Aufnahmevorrichtung ausgeführt wird.

Ein weiterer Unterschied der Aufnahmevorrichtung 12 im Vergleich zu Figur 1 liegt darin, dass die Öffnung 36 zur Aufnahme überschüssigen Pulvers innerhalb der inneren Umrandung 15 des Pulverbetts liegt. Dementsprechend ist der gekrümmte Schieber 34 derart angeordnet, dass überschüssiges Pulver an dessen konkaver Seite 45 gesammelt wird. Durch die Drehbewe^¬ gung des Pulverbetts 13 in Drehrichtung 44 unterhalb des Schiebers 34 wird das überschüssige Pulver daher nach radial innen getragen, überwindet die innere Umrandung 15 und fällt in die Öffnung 36. Unterhalb dieser Öffnung ist ein nicht nä^¬ her dargestellter Auffangbehälter angeordnet. Die äußere Umrandung 14 der Aufnahmevorrichtung 12 ist mit einer Dichtlippe 46 versehen, damit an der äußeren Umrandung 14 kein überschüssiges Pulver verloren gehen kann.

Natürlich könnte auch die Anlage gemäß Figur 4 auch mit einem ringförmigen Auffangbehälter 35 gemäß Figur 1 ausgestattet werden, wobei statt der Dichtlippe 46 dann eine Öffnung vor^¬ gesehen wäre. Auch ist es möglich, dass sowohl die äußere Um- randung 14 als auch die innere Umrandung 15 Öffnungen 36 zum Auffangen überschüssigen Pulvers aufweisen (sowohl bei der Anlage gemäß Figur 4 als auch bei der Anlage gemäß Figur 1) . Auch kann bei der Anlage gemäß Figur 1 nur eine Öffnung an der inneren Umrandung 15 vorgesehen werden. Auch das Prinzip zur Erzeugung der Relativbewegung kann bei den Anlagen gemäß Figur 1 und Figur 4 ausgetauscht werden, d. h., dass die Auf^¬ nahmevorrichtung 12 gemäß Figur 1 drehbar und die

Dosiervorrichtung 23a ortsfest ausgebildet ist und gemäß Fi- gur 4 die Dosiervorrichtungen 23a, 23b, 23c, 23d drehbar wie in Figur 1 ausgeführt sind und dafür die Aufnahmevorrichtung 12 ortsfest.

Claims

Patentansprüche

1. Anlage zum pulverbettbasierten additiven Herstellen eines Werkstücks (11), mit einer Prozesskammer (21), in der

· eine Aufnahmevorrichtung (12) für ein Pulverbett (13) vorgesehen ist,

• mehrere Dosiervorrichtungen (23a, 23b, 23c, 23d) für

verschiedene Pulverarten vorgesehen sind,

wobei

· die Dosiervorrichtungen (23a, 23b, 23c, 23d) je eine Ka- vität (27a) mit je einem Dosierschlitz (28a) aufweisen, wobei die Kavitäten (27a) mit je einer Pulverart

beaufschlagbar sind,

• die Dosierschlitze (28a) radial zu einer senkrecht ste- henden, durch die Aufnahmevorrichtung verlaufenden Mittelachse (31) ausgerichtet sind,

• die Aufnahmevorrichtung (12) und die Dosiervorrichtungen (23a, 23b, 23c, 23d) um die Mittelachse (31) relativ zu^¬ einander drehbar sind,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Dosiervorrichtungen (23a, 23b, 23c, 23d) mit je ei^¬ nem Vorratsbehälter (24a, 24b, 24c, 24d) ausgestattet sind, der jeweils mit der Kavität (27a) der Dosiervorrichtung (23a, 23b, 23c, 23d) in Verbindung steht.

2. Anlage 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 die Aufnahmevorrichtung (12) eine innere Umrandung (15) für das Pulverbett aufweist, welche einen um die Mittelachse (31) liegenden Bereich von dem auszubildenden Pulverbett abtrennt .

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass

• ein Schieber (34) zur Glättung einer Oberfläche des zu erzeugenden Pulverbettes vorgesehen ist, • der Schieber (34) radial zu der Mittelachse (31) ausge^¬ richtet ist,

• die Aufnahmevorrichtung (12) und der Schieber (34) um die Mittelachse (31) relativ zueinander drehbar sind.

4. Anlage nach Anspruch 3,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Aufnahmevorrichtung (12) eine an eine äußere Umrandung (14) für das Pulverbett (13) grenzende Öffnung (36) für überschüssiges Pulver aufweist, die in einen Auffangbehälter (35) führt.

5. Anlage nach Anspruch 4,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Öffnung (36) die äußere Umrandung (14) vollständig umgibt .

6. Anlage nach Anspruch 3,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Aufnahmevorrichtung (12) eine an eine innere Umrandung (15) für das Pulverbett (13) grenzende Öffnung (36) für überschüssiges Pulver aufweist, die in einen Auffangbehälter (35) führt.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass der Schieber (34) in einer Aufsicht von oben einen gekrümmten Verlauf aufweist.

8. Anlage 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 Vorratsbehälter (24a, 24b, 24c, 24d) in der Prozess^¬ kammer (21) angeordnet sind und für jeden Vorratsbehälter (24a, 24b, 24c, 24d) eine Füllvorrichtung (38a, 38b, 38c, 38d) vorgesehen ist, die außerhalb der Prozesskammer (21) mit der Pulverart beschickbar ist.

9. Verfahren zum Betreiben einer Anlage zum pulverbettbasier- ten additiven Herstellen eines Werkstücks (11), mit einer Prozesskammer (21), in der

• eine Aufnahmevorrichtung (12) für ein Pulverbett (13) vorgesehen ist,

• mehrere Dosiervorrichtungen (23a, 23b, 23c, 23d) für

verschiedene Pulverarten vorgesehen sind, mit denen das Pulverbett (13) in der Aufnahmevorrichtung Lage für Lage hergestellt wird,

wobei

• die Dosierschlitze (28a) radial zu einer senkrecht ste^¬ henden, durch die Aufnahmevorrichtung verlaufenden Mittelachse (31) ausgerichtet sind,

• die Aufnahmevorrichtung (12) und die Dosiervorrichtungen (23a, 23b, 23c, 23d) um die Mittelachse (31) relativ zu^¬ einander gedreht werden, während mindestens eine der Pulverarten durch den zugehörigen Dosierschlitz (28a) auf dem Pulverbett verteilt wird,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass

• die Dosiervorrichtungen (23a, 23b, 23c, 23d) mit je ei^¬ nen Vorratsbehälter (24a, 24b, 24c, 24d) ausgestattet sind, der jeweils mit der Kavität (27a) der

Dosiervorrichtung (23a, 23b, 23c, 23d) in Verbindung steht,

• die Dosiervorrichtungen (23a, 23b, 23c, 23d) je eine Ka^¬ vität (27a) mit je einem Dosierschlitz (28a) aufweisen, wobei die Kavitäten (27a) mit je einer Pulverart aus dem jeweiligen Pulverbehälter beaufschlagt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 19,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass zum Erzeugen ein und derselben Lage des Pulverbettes (13) mindestens zwei Pulverarten durch die zugehörigen

Dosierschlitze (28a) auf dem Pulverbett verteilt werden, wo^¬ bei sich die Pulverarten mischen.

11. Verfahren 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 das Mischungsverhältnis der Pulverarten durch die Dreh^¬ geschwindigkeit zwischen den Dosiervorrichtungen (23a, 23b, 23c, 23d) und der Aufnahmevorrichtung (12) eingestellt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Drehgeschwindigkeit während der Dosierung der jewei^¬ ligen Pulverart variiert wird.

13. Verfahren 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 ein Wechsel der Benutzung der Dosiervorrichtungen (23a, 23b, 23c, 23d) zwischen dem Aufbringen zweier benachbarter Lagen erfolgt.