EP3984331A1 - Kompaktes induktionsheizsystem mit bewegbarer spule - Google Patents

Kompaktes induktionsheizsystem mit bewegbarer spule

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Publication number
EP3984331A1
EP3984331A1 EP20771484.1A EP20771484A EP3984331A1 EP 3984331 A1 EP3984331 A1 EP 3984331A1 EP 20771484 A EP20771484 A EP 20771484A EP 3984331 A1 EP3984331 A1 EP 3984331A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heating system
induction
induction coil
induction heating
displacement unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20771484.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Goldammer
Hubert Mooshofer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP3984331A1 publication Critical patent/EP3984331A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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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 induction heating system for heating a component and a device for the generative production of a component with such an induction heating system.
  • Inductive heating is a method of heating electrically conductive bodies by eddy current losses generated in them.
  • An induction heating system uses a coil through which alternating current flows, which is also referred to as an induction coil or inductor.
  • the coil generates an alternating magnetic field that induces eddy currents in the material.
  • Inductive heating is used, for example, in annealing, soldering, welding, melting, shrink fitting or in material testing.
  • a powder or wire-shaped metallic material for example, which is applied in layers to a platform, is preheated before melting.
  • the melted material can also be inductively heated after melting. In both cases, given suitable process parameters, an improvement in the material quality of the additively manufactured component can be expected.
  • the heating power of the inductor is usually only effective in a small area, usually within a few centimeters, around the coil.
  • a displaceable (in other words: displaceable) primary heating device for example a laser beam source, is equipped with the induction coil so that it is also relative to the component can be moved.
  • the rest of the induction heating system can be used as before.
  • an induction heating system has a series resonant circuit which is formed by a capacitor and the induction coil and is supplied with alternating voltage by an alternating voltage supply device.
  • a high current is usually given in the resonant circuit. This is achieved, for example, with the help of an induction generator, which generates high voltages of up to a few kilovolts, and a transformer, which transforms this high AC input voltage into a low AC output voltage, but a high current.
  • an induction generator which generates high voltages of up to a few kilovolts
  • a transformer which transforms this high AC input voltage into a low AC output voltage, but a high current.
  • a challenge is that the electrical lines of the induction heating system have both high voltage and high currents flowing through them. Above all, the high currents cause heat that has to be dissipated.
  • the high voltage represents a risk that a voltage flashover can occur, which can lead to a failure of the system or, in the worst case, to a risk to the operating personnel of the system.
  • Cooling for example with water
  • water-cooled electrical cables are not suitable for frequent bending, as occurs in an induction heating system with a moving coil.
  • water-cooled copper bars are used, for example.
  • the displaceability of the induction coil can in this case with a carriage that is displaceable on the rail and by means of a sliding contact is electrically connected to the rail.
  • Water-cooled copper bars and sliding contacts are able to conduct the current in the range of several 100 A, but a high voltage of several 100 V is also present. Therefore, in addition to current resistance, voltage security must also be ensured.
  • the regulation of the induction generator is able to react to changes in inductivity or line resistance, surges can lead to system failures. Therefore, the operational safety of this solution is low and can lead to failures. As a countermeasure, the maximum output must be limited.
  • the object is therefore to provide an induction heating system with a displaceable induction coil, which is improved compared to the prior art, and an improved device for the additive manufacturing of a construction part with such an induction heating system, which is improved compared to the prior art.
  • the invention comprises an induction heating system for heating a component, the induction heating system having an alternating voltage supply device, a capacitor, a displacement unit and an induction coil.
  • the Wech sellaysmakerss beautifully supplies a series resonant circuit, which is formed by the capacitor and the induction coil, with AC voltage.
  • the displacement unit enables the induction coil to be displaced laterally in at least one direction relative to the component.
  • the capacitor is arranged between the displacement unit and the induction coil.
  • the invention is based on the idea of placing the capacitor as close as possible to the induction coil in order to locally restrict the resonant circuit in which the high reactive voltages are present. Since the reactive voltages are only If there are some electrical lines (also referred to as "supply lines” in the context of this application) that run between the capacitor and the coil, only these lines or only these corresponding areas are exposed to the risk of voltage flashovers. In particular, the area on the displacement unit , which is traditionally particularly prone to voltage flashovers, is due to the placement of the capacitor "behind" the displacement unit (from the point of view of a current direction that runs from the alternating voltage supply device to the induction coil) this is no longer the comparatively high reactive voltage, but only the comparative exposed to low effective AC voltage.
  • the AC voltage supply device comprises an induction generator for generating an AC input voltage and a transformer for converting the AC input voltage into an AC output voltage.
  • the induction generator generates, for example, an alternating voltage with a frequency between a few kilohertz and a few megahertz and a voltage of up to 2,000 volts.
  • This voltage can be led to a transformer by means of a cable, which transforms this high voltage as AC input voltage into a lower AC output voltage.
  • a relatively low input current is transformed into a high output current that is available to the induction coil.
  • the displacement unit is able to move the induction coil sideways (in other words: laterally) at least in one direction (in other words: to displace or move).
  • the lateral displacement relates to a lateral displacement with respect to the component.
  • the displacement unit is implemented by at least one rail and at least one slide.
  • the slide is designed to move on the rail.
  • the rail therefore specifies the direction in which the carriage, and thus also the induction coil, can move.
  • the displacement unit can also have two rails arranged in parallel, that is to say a so-called pair of rails, in which case the slide can then be pushed on the pair of rails.
  • the displacement unit is preferably designed such that it enables the induction coil to be moved in more than one direction, in particular in two mutually perpendicular directions. Above all, those directions are relevant here that allow the induction coil to be shifted laterally to the component.
  • the displacement unit is advantageously designed in such a way that the induction coil can be displaced over the entire surface of the component when viewed from above. As a result, the entire surface of the component opposite the induction coil can be heated successively.
  • the electrical contact between the rail and the slide of the displacement unit can be implemented, for example, by means of a sliding contact (also: sliding contact).
  • the rail can be designed, for example, as a (water-cooled) copper rail and the carriage can have a current collector that travels along the copper rail. Over time, a certain amount of material abrasion in the rail and / or pantograph is likely, which increases the likelihood of charge flashovers. Since the inventive design of the induction heating system, however, the voltage at the sliding contacts can be selected to be low, the probability of charge flashovers can be greatly reduced.
  • the specific placement of the capacitor depends on the individual case.
  • One possibility is to place the capacitor so close to the induction coil that the capacitor and induction coil form a so-called induction module and this is also structurally characterized, for example by a common housing.
  • the common housing is advantageous because the electrical lines between the capacitor and induction coil are very sensitive to touch due to the high reactive voltages.
  • the capacitor is usually relatively bulky in order to be able to absorb the high voltages induced by the induction coil. In this respect, it can be attractive or necessary to provide a further capacitor which is located between the AC voltage supply device and the displacement unit and which, together with the capacitor between the displacement unit and induction coil, forms the capacitive resistance of the series resonant circuit.
  • a further aspect of the invention is a A device for the additive manufacturing of a component, which has the following components: a platform which is provided in order to apply a powder-like or wire-like metallic material to it in layers; a pri märbind Surprise which is designed to melt a powder or wire-like metallic material applied to the platform; and an induction heating system.
  • the induction coil of the induction heating system can be moved above the platform and is designed to heat the powdery or wire-like metallic material applied to the platform.
  • a laser beam source or an electron beam source can be used as the primary heating device.
  • an advantageous embodiment consists in arranging a laser beam or electron beam from the laser or electron beam source so that it can pass through a window (or: opening) that defines the induction coil and thus apply it to the platform NEN powder or wire-like metallic material can men.
  • the window of the induction coil can also be referred to as the interior of the coil.
  • the pictures show:
  • Fig. 2 an electrical circuit diagram of the Indu irritationscreamsys system of Fig. 1; and Fig. 3: an electrical circuit diagram of a conventional induction heating system.
  • Figure 1 shows a device for the generative manufacture of a component 1 with an induction heating system according to the invention.
  • the device comprises a platform which is provided in order to apply a powder or wire-like metallic material to it in layers and a primary heating device which is designed to melt a powder or wire-like metallic material applied to the platform.
  • These components of the device are standard components of a system for additive component manufacturing (also: additive manufacturing or 3D printing) and are shown in Fig.
  • the device also has an induction heating system for heating the material. Both the preheating of the not yet melted material and the post-treatment of the already melted material are possible with the induction heating system. In principle, inductive heating of the metallic material during melting by means of a laser beam or electron beam source, for example, is also possible.
  • the induction heating system has an alternating voltage supply device 10, which consists of an induction generator 11 and a transformer 12.
  • the induction generator consists of an induction generator 11 and a transformer 12.
  • the induction generator 11 is a transformer mator 12 connected.
  • the transformer 12 converts the high voltage of the induction generator 11 into a lower voltage, which directly results in an increase in the current intensity in the circuit at the output of the transformer 12.
  • the circuit at the input of the transformer 12 is also referred to as the "generator circuit”; the circuit at the output of the transformer 12 is referred to as the "working circuit”.
  • the AC voltage supply device 10 is connected to a displacement unit 30 by means of electrical lines, which are also referred to as supply lines 50 in the context of this application.
  • the purpose of the displacement unit 30 is to make the induction coil 40 adjoining it displaceable with respect to a stationary component 1.
  • a first slide 32 and a second slide 35 can each be controlled by means of a control device.
  • the control device for the displacement unit 30 is not shown in Fig. 1 for the sake of clarity, and this description is not discussed in more detail either, since it does not relate to the essence of this invention.
  • the first slide 32 is located on a first pair of rails 31 by means of two first sliding contacts 33.
  • the sliding contacts 33 are, for example, made of a highly electrically conductive metal, as are the two rails of the first pair of rails 31.
  • a suitable material for the sliding contacts 33 and the pair of rails 31 is to name for example copper.
  • the first sliding contacts 33 are in turn connected to a second pair of rails 34 by means of electrical conductors 50.
  • the second pair of rails 34 forms the support surface for the second slide 35, the second sliding contacts 36 of which are electrically connected to the rails of the second pair of rails 34.
  • the second sliding contacts 36 are connected to the induction coil 40 by means of leads 50 a related party.
  • the first carriage 32 can be moved back and forth along a first displacement direction 37 (here corresponding to the x direction); the second slide 35 can be moved back and forth along a second displacement direction 38 (here corresponding to the y-direction). It follows for the induction coil 40 that it can be displaced in an area (or: surface) defined by the displacement unit 30.
  • the induction coil 40 is not drawn to scale in Fig. 1 (as well as, for example, the alternating voltage supply device 10) compared to the other components. In most real cases it will be significantly smaller. For the sake of clarity, however, it is drawn in Fig. 1 as a large, double-wound coil.
  • the induction coil defines a window 43 through its coil interior through which a laser beam can advantageously pass onto the material to be processed.
  • An essential component of an induction heating system is a capacitor which, together with the induction coil, forms a series resonant circuit, also known as a series resonant circuit or RCL resonant circuit. Due to the high currents that flow through the induction coil, the inductance of the coil is high and the capacitance of the capacitor must be selected accordingly large. This results in a certain structural size and weight of the capacitor. As a result, in conventional induction heating systems, the capacitor (s) were installed in the AC voltage supply device, since the AC voltage supply device with induction generator and transformer took up a lot of space and weight anyway. Often the induction generator and transformer are also surrounded by a common housing, so that the capacitor could also be well accommodated and protected here.
  • a stationary induction coil i.e. an induction coil that is immobile relative to the AC voltage supply device
  • well-insulated, possibly water-cooled electrical lines can be used as electrical lines between the capacitor located on the AC voltage supply device and the induction coil. Electric cables are used so that there are no voltage flashovers in the supply lines.
  • water-cooled electrical cables may not be used because they are not suitable for frequently occurring movements.
  • contact rails and sliding contacts are used, the problem of potential voltage flashovers occurs, so that, for example, the maximum power in the resonant circuit must be limited.
  • the idea of the present invention is not to place the capacitor 20 near the AC voltage supply device 10, as is conventional, but between the displacement unit 30 and the induction coil 40.
  • One possible position is shown schematically in FIG.
  • FIG. 1 also shows a second capacitor, which is referred to below as an additional capacitor 21.
  • This essentially serves as an additional capacitor in order to have more flexibility to adjust the capacitance of the resonant circuit.
  • FIG. 2 shows an electrical circuit diagram of the induction heating system from FIG. 1.
  • the generator circuit is formed by the induction generator 11 and one coil of the transformer 12.
  • the working circuit is formed by the second coil of the transformer 12, the capacitor 20, the additional capacitor 21 and the induction coil 40.
  • both the ohmic resistance 41 and the inductive resistance 42 are shown in FIG.
  • the supply lines 50 also have an ohmic resistance and associated ohmic losses occur (which are for the most part absorbed and carried away by the water cooling of the supply lines 50). These ohmic losses are not shown in FIG. 2, since they do not constitute the core of the invention.
  • the displacement unit 30 is also symbolized by the hatched rectangle.
  • FIG. 3 shows an electrical circuit diagram of a conventional induction heating system in which the capacitor 20 and the additional capacitor 21 are arranged "in front of" the displacement unit 30, that is, between the AC voltage supply device 10 and the displacement unit 30. All other components in FIG. 3 correspond to the components of FIG. 2, so that these are not repeated for reasons of brevity.
  • Tension measuring device 13 which is placed on the displacement unit 30, can be detected. Given a correspondingly high inductivity of the coil 41, the capacitance of the capacitors 20, 21 and the current intensity applied, a reactive voltage can be generated which is in a range at which charge flashovers are likely.
  • the present invention allows due to a clever arrangement of its components Indukti onscreamsystem that allows a high level of operational reliability even with a movable induction coil, without having to compromise on the maximum heating power.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine InduktionsheizSystem zur Erwärmung eines Bauteils (1), wobei die InduktionsheizSystem eine WechselspannungsVersorgungseinrichtung (10), einen Kondensator (20), eine Verschiebeeinheit (30) und eine Induktionsspule (40) aufweist. Die WechselspannungsVersorgungseinrichtung (10) versorgt einen Reihenschwingkreis, der von dem Kondensator (20) und der Induktionsspule (40) gebildet wird, mit Wechselspannung. Die Verschiebeeinheit (30) ermöglicht eine Verschiebung der Induktionsspule (40) lateral in mindestens einer Richtung (37, 38) relativ zu dem Bauteil (1). Der Kondensator (20) ist zwischen der Verschiebeeinheit (30) und der Induktionsspule (40) angeordnet. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Bauteils (1) mit einer solchen InduktionsheizSystem.

Description

Beschreibung
Kompaktes Induktionsheizsystem mit bewegbarer Spule
Die Erfindung betrifft ein Induktionsheizsystem zur Erwärmung eines Bauteils sowie eine Vorrichtung zur generativen Ferti gung eines Bauteils mit einer solchen Induktionsheizsystem.
Induktives Erwärmen ist ein Verfahren, um elektrisch leitfä hige Körper durch in ihnen erzeugte Wirbelstromverluste zu erwärmen. Ein Induktionsheizsystem verwendet hierfür eine von Wechselstrom durchflossene Spule, die auch als Induktionsspu le oder Induktor bezeichnet wird. Die Spule erzeugt ein mag netisches Wechselfeld, das im Material Wirbelströme indu ziert. Induktives Erwärmen findet zum Beispiel Anwendung beim Glühen, Löten, Schweißen, Schmelzen, Aufschrumpfen oder bei der Materialprüfung.
Vor nicht allzu langer Zeit kam die Idee auf, induktives Er wärmen auch bei der generativen Fertigung eines Bauteils ein zusetzen. Hierfür wird zum Beispiel ein pulver- oder draht förmiger metallischer Werkstoff, der schichtweise auf eine Plattform aufgetragen wird, vor dem Aufschmelzen vorgewärmt. Alternativ kann der aufgeschmolzene Werkstoff auch nach dem Aufschmelzen induktiv erwärmt werden. In beiden Fällen kann bei geeigneten Prozessparametern eine Verbesserung der Mate rialqualität des generativ gefertigten Bauteils erwartet wer den.
Die Heizleistung des Induktors wirkt in der Regel nur in ei nem kleinen Bereich, üblicherweise innerhalb weniger Zentime ter, um die Spule. Bei der generativen Fertigung eines Bau teils, beispielsweise mittels selektiven Laserschmelzens, ist jedoch eine im Vergleich dazu große Fläche zu erwärmen. Folg lich wird eine verschiebbare (in anderen Worten: verfahrbare) Primärheizeinrichtung, z.B. eine Laserstrahlquelle, mit der Induktionsspule ausgestattet, so dass diese auch relativ zu dem Bauteil verschiebbar ist. Der Rest des Induktionsheizsys tems kann wie bisher verwendet werden.
Ein Induktionsheizsystem weist bekanntermaßen einen Reihen schwingkreis auf, der von einem Kondensator und der Indukti onsspule gebildet wird und von einer Wechselspannungsversor gungseinrichtung mit Wechselspannung versorgt wird. Um eine hohe Heizleistung des Induktionsheizsystems zu erreichen, wird üblicherweise ein hoher Strom im Schwingkreis vorgege ben. Dies wird beispielsweise mithilfe eines Induktionsgene rators, der hohe Spannungen bis zu einigen Kilovolt erzeugt, und eines Transformators erreicht, der diese hohe Eingangs wechselspannung in eine niedrige Ausgangswechselspannung, aber einen hohen Strom transformiert. Im Reihenschwingkreis liegt effektiv eine niedrige Spannung an, es existiert jedoch eine hohe Blindwechselspannung.
Folglich besteht eine Herausforderung darin, dass an den elektrischen Leitungen des Induktionsheizsystems sowohl eine hohe Spannung anliegt als auch hohe Ströme durchfließen. Die hohen Ströme verursachen vor allem Wärme, die abgeführt wer den muss. Die hohe Spannung stellt ein Risiko dar, dass es zu einem Spannungsüberschlag kommen kann, welches zu einem Aus fall der Anlage oder im schlimmsten Fall zu einer Gefährdung des Bedienpersonals der Anlage führen kann.
Es ergibt sich somit das Problem, dass die Zuleitungen der verfahrbaren Spule sowohl vor Überhitzung als auch gegen Spannungsüberschläge geschützt werden müssen.
Gegen eine Überhitzung der Leitungen ist eine Kühlung, z.B. mit Wasser, bekannt. Wassergekühlte elektrische Kabel eignen sich in der Regel jedoch nicht für häufige Verbiegungen, wie sie bei einem Induktionsheizsystem mit bewegter Spule auftre- ten. Aus diesem Grund werden zum Beispiel wassergekühlte Kup ferschienen verwendet. Die Verschiebbarkeit der Induktions spule kann in diesem Fall mit einem Schlitten, der auf der Schiene verschiebbar ist und mittels eines Schleifkontakts elektrisch mit der Schiene verbunden ist, realisiert werden. Wassergekühlte Kupferschienen und Schleifkontakte sind in der Lage den Strom im Bereich von mehreren 100 A zu leiten, al lerdings liegt auch eine hohe Spannung von mehreren 100 V an. Daher muss zusätzlich zur Stromfestigkeit auch die Spannungs sicherheit sichergestellt werden. Während die Regelung des Induktionsgenerators in der Lage ist, auf Änderungen in In duktivität oder Leitungswiderstand zu reagieren, können Über schläge zu Systemausfällen führen. Daher ist die Betriebssi cherheit dieser Lösung gering und kann zu Ausfällen führen. Als Gegenmaßnahme muss die Maximalleistung begrenzt werden.
Es besteht daher die Aufgabe, ein im Vergleich zum Stand der Technik verbessertes Induktionsheizsystem mit verschiebbarer Induktionsspule sowie eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Bau teils mit einem solchen Induktionsheizsystem bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen spezifiziert.
Die Erfindung umfasst ein Induktionsheizsystem zur Erwärmung eines Bauteils, wobei das Induktionsheizsystem eine Wechsel spannungsversorgungseinrichtung, einen Kondensator, eine Ver schiebeeinheit und eine Induktionsspule aufweist. Die Wech selspannungsversorgungseinrichtung versorgt einen Reihen schwingkreis, der von dem Kondensator und der Induktionsspule gebildet wird, mit Wechselspannung. Die Verschiebeeinheit er möglicht eine Verschiebung der Induktionsspule lateral in mindestens einer Richtung relativ zu dem Bauteil. Der Konden sator ist zwischen der Verschiebeeinheit und der Induktions spule angeordnet.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Kondensator mög lichst nahe an der Induktionsspule zu platzieren, um den Rei henschwingkreis, in dem die hohen Blindspannungen vorliegen, örtlich zu beschränken. Da die Blindspannungen nur in denje- nigen elektrischen Leitungen (im Rahmen dieser Anmeldung auch als „Zuleitungen" bezeichnet) vorliegen, die zwischen dem Kondensator und der Spule verlaufen, sind auch nur diese Lei tungen bzw. nur diese entsprechenden Gebiete der Gefahr von Spannungsüberschlägen ausgesetzt. Insbesondere der Bereich an der Verschiebeeinheit, der herkömmlicherweise besonders an fällig für Spannungsüberschläge ist, ist durch die Platzie rung des Kondensators „hinter" der Verschiebeeinheit (aus Sicht einer Stromrichtung, die von der Wechselspannungsver sorgungseinrichtung zur Induktionsspule verläuft) diese nicht mehr der vergleichsweise hohen Blindspannung, sondern nur noch der vergleichsweise niedrigen effektiv anliegenden Wech selspannung ausgesetzt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Wechselspannungsversorgungseinrichtung einen Induktions generator zur Erzeugung einer Eingangswechselspannung und ei nen Transformator zur Umwandlung der Eingangswechselspannung in eine Ausgangswechselspannung.
Der Induktionsgenerator erzeugt beispielsweise eine Wechsel spannung mit einer Frequenz zwischen wenigen Kilohertz und einigen Megahertz sowie einer Spannung bis zu 2.000 Volt. Diese Spannung kann mittels eines Kabels zu einem Transforma tor geführt werden, der diese hohe Spannung als Eingangswech selspannung in eine niedrigere Ausgangswechselspannung trans formiert. Damit einhergehend wird jedoch eine relativ niedri ge Eingangsstromstärke in eine hohe Ausgangsstromstärke transformiert, die der Induktionsspule zur Verfügung steht.
Die Verschiebeeinheit ist dazu imstande, die Induktionsspule zumindest in einer Richtung seitwärts (in anderen Worten: la teral) zu verschieben (in anderen Worten: zu verfahren oder zu bewegen). Die laterale Verschiebung bezieht sich dabei auf eine seitliche Verschiebung bezüglich des Bauteils. Es ist also insbesondere keine Verschiebung senkrecht zur Oberfläche des Bauteils, also zu diesem hin oder von diesem weg, ge meint. Diese Verschiebung ist nötig, da der Zweck des Induk- tionsheizsystems die Erwärmung des Bauteils ist, aber eine Induktionsspule immer nur einen kleinen Bereich um den Leiter der Spule erwärmen kann. Unter der Annahme eines Bauteils, dessen flächige Ausdehnung groß gegenüber der Induktionsspule ist und das zumindest nacheinander an mehreren oder sogar al len Bereichen erwärmt werden soll, muss sich die Induktions spule relativ zu dem Bauteil bewegen.
Konkret ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung die Verschiebeeinheit durch mindestens eine Schiene und mindestens einen Schlitten realisiert. Hierbei ist der Schlitten dafür ausgelegt, sich auf der Schiene zu bewegen. Die Schiene gibt also die Richtung vor, entlang derer sich der Schlitten, und damit auch die Induktionsspule, bewegen können.
In der Praxis kann die Verschiebeeinheit auch zwei parallel angeordnete Schienen, also ein sogenanntes Schienenpaar, auf weisen, wobei dann auf dem Schienenpaar der Schlitten ver schiebbar ist.
Vorzugsweise ist die Verschiebeeinheit so ausgestaltet, dass sie eine Bewegbarkeit der Induktionsspule in mehr als einer Richtung ermöglicht, insbesondere in zwei zueinander senk recht stehenden Richtungen. Hierbei sind vor allem diejenigen Richtungen relevant, die eine Verschiebung der Induktionsspu le lateral zu dem Bauteil ermöglichen. Die Verschiebeeinheit ist vorteilhafterweise so ausgestaltet, dass die Induktions spule über die gesamte Fläche des Bauteils in der Draufsicht verschiebbar ist. Dies hat zur Folge, dass damit die gesamte der Induktionsspule entgegenstehende Oberfläche des Bauteils sukzessive erwärmt werden kann.
Der elektrische Kontakt zwischen der Schiene und dem Schlit ten der Verschiebeeinheit kann beispielsweise mittels eines Schleifkontakts (auch: Gleitkontakt) realisiert sein. In dem vorliegenden Induktionsheizsystem kann die Schiene beispielsweise als (wassergekühlte) Kupferschiene ausgebildet sein und der Schlitten einen Stromabnehmer aufweisen, der auf der Kupferschiene entlangfährt. Mit der Zeit ist ein gewisser Materialabrieb bei Schiene und/oder Stromabnehmer wahrschein lich, was die Wahrscheinlichkeit von Ladungsüberschlägen er höht. Da durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Induk tionsheizsystems die Spannung an den Schleifkontakten jedoch gering gewählt werden kann, kann die Wahrscheinlichkeit von Ladungsüberschlägen stark reduziert werden.
Die konkrete Platzierung des Kondensators hängt vom jeweili gen Einzelfall ab. Eine Möglichkeit ist, den Kondensator so nah an die Induktionsspule zu platzieren, dass Kondensator und Induktionsspule ein sogenanntes Induktionsmodul bilden und dies auch baulich, etwa durch ein gemeinsames Gehäuse, gekennzeichnet ist. Das gemeinsame Gehäuse ist allein schon deswegen vorteilhaft, da die elektrischen Leitungen zwischen Kondensator und Induktionsspule aufgrund der hohen Blindspan nungen sehr berührempfindlich sind.
Der Kondensator ist in der Regel relativ voluminös, um die hohen Spannungen, die von der Induktionsspule induziert wer den, aufnehmen zu können. Insofern kann es attraktiv bzw. notwendig sein, einen weiteren Kondensator bereitzustellen, der sich zwischen der Wechselspannungsversorgungseinrichtung und der Verschiebeeinheit befindet und der, zusammen mit dem Kondensator zwischen Verschiebeeinheit und Induktionsspule, den kapazitiven Widerstand des Reihenschwingkreises bildet. Durch die Aufteilung der Gesamtkapazität vor und nach der Verschiebeeinheit kann eine anwendungsspezifische Anpassung der Spannung über der Verschiebeeinheit und damit ein belie biger Kompromiss zwischen Baugröße und Überschlagssicherheit erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Induktionsheizsystem lässt sich beson ders vorteilhaft bei der generativen Fertigung eines Bauteils einsetzen. Insofern ist ein weiterer Aspekt der Erfindung ei- ne Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Bauteils, die die folgenden Komponenten aufweist: eine Plattform, die dazu vorgesehen ist, um darauf einen pulver- oder drahtförmigen metallischen Werkstoff schichtweise aufzutragen; eine Pri märheizeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen auf die Plattform aufgetragenen pulver- oder drahtförmigen metalli schen Werkstoff aufzuschmelzen; und eine Induktionsheizsys tem. Die Induktionsspule des Induktionsheizsystems ist dabei oberhalb der Plattform verfahrbar und ist ausgebildet, den auf die Plattform aufgetragenen pulver- oder drahtförmigen metallischen Werkstoff zu erwärmen.
Als Primärheizeinrichtung kommen beispielsweise eine Laser strahlquelle oder eine Elektronenstrahlquelle infrage. In diesem Fall besteht eine vorteilhafte Ausführungsform darin, einen Laserstrahl bzw. Elektronenstrahl der Laser- bzw. Elektronenstrahlquelle so anzuordnen, dass er durch ein Fens ter (oder: Öffnung), das die Induktionsspule definiert, hin durchtreten kann und damit den auf die Plattform aufgetrage nen pulver- oder drahtförmigen metallischen Werkstoff erwär men kann. Das Fenster der Induktionsspule kann auch als Spu leninneres bezeichnet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Abbil dungen veranschaulicht. Die Abbildungen zeigen beispielhaft und schematisch ausgewählte Ausführungsformen ohne Beschrän kung des beanspruchten Schutzumfangs.
Die Abbildungen zeigen:
Fig. 1: eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines
Bauteils mit einem erfindungsgemäßen Induktions heizSystem;
Fig. 2: ein elektrisches Schaltbild des Induktionsheizsys tem der Fig. 1; und Fig. 3: ein elektrisches Schaltbild eines herkömmlichen In duktionsheizSystem.
Die Abbildung 1 (auch als Fig. 1 bezeichnet) zeigt eine Vor richtung zur generativen Fertigung eines Bauteils 1 mit einem erfindungsgemäßen Induktionsheizsystem. Die Vorrichtung um fasst eine Plattform, die dazu vorgesehen ist, um darauf ei nen pulver- oder drahtförmigen metallischen Werkstoff schichtweise aufzutragen sowie eine Primärheizeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen auf die Plattform aufgetrage nen pulver- oder drahtförmigen metallischen Werkstoff aufzu schmelzen. Diese Bestandteile der Vorrichtung sind Standard bestandteile einer Anlage zur generativen Bauteilfertigung (auch: additive Fertigung oder 3D-Druck) und sind in der Fig.
I aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Ihre Aus gestaltung und Verbindung zueinander sind dem Fachmann auf dem Gebiet der generativen Fertigung, insbesondere des selek tiven Laserschmelzens, wohlbekannt.
Die Vorrichtung weist ferner ein Induktionsheizsystem zum Er wärmen des Werkstoffes auf. Sowohl das Vorwärmen des noch nicht aufgeschmolzenen Werkstoffes als auch das Nachbehandeln des bereits aufgeschmolzenen Werkstoffes sind mit dem Induk tionsheizsystem möglich. Prinzipiell ist auch ein induktives Erwärmen des metallischen Werkstoffes während des Aufschmel- zens mittels beispielsweise einer Laserstrahl- oder Elektro nenstrahlquelle möglich.
Das Induktionsheizsystem weist eine Wechselspannungsversor gungseinrichtung 10 auf, die aus einem Induktionsgenerator 11 und einem Transformator 12 besteht. Der Induktionsgenerator
II erzeugt Wechselspannung mit einer effektiven Spannung von mehreren Hundert Volt bis zu einigen Kilovolt. Die Stromstär ke ist dabei moderat und beträgt beispielsweise zwischen 10 A und 100 A. Um eine hohe Heizleistung durch die Induktionsspu le zu erreichen, muss diese von einer hohen Stromstärke, die insbesondere höher als 100 A ist, durchflossen werden. Aus diesem Grund ist an den Induktionsgenerator 11 ein Transfor- mator 12 angeschlossen. Der Transformator 12 wandelt die hohe Spannung des Induktionsgenerators 11 in eine niedrigere Span nung um, was direkt einen Anstieg der Stromstärke in dem Stromkreis am Ausgang des Transformators 12 zur Folge hat.
Der Stromkreis am Eingang des Transformators 12 wird auch als „Generatorkreis" bezeichnet; der Stromkreis am Ausgang des Transformators 12 als „Arbeitskreis".
Die Wechselspannungsversorgungseinrichtung 10 ist mittels elektrischer Leitungen, die im Rahmen dieser Anmeldung auch als Zuleitungen 50 bezeichnet werden, mit einer Verschiebe einheit 30 verbunden. Die Verschiebeeinheit 30 hat den Zweck, die sich an sie anschließende Induktionsspule 40 verschiebbar bezüglich einem ruhenden Bauteil 1 zu gestalten. Hierfür sind ein erster Schlitten 32 und ein zweiter Schlitten 35 jeweils mittels einer Steuereinrichtung ansteuerbar. Die Steuerein richtung für die Verschiebeeinheit 30 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in Fig. 1 gezeigt und auch in dieser Beschreibung wird darauf nicht näher eingegangen, da sie nicht den Kern dieser Erfindung betrifft.
Der erste Schlitten 32 befindet sich mittels zweier erster Schleifkontakte 33 auf einem ersten Schienenpaar 31. Die Schleifkontakte 33 sind beispielsweise aus einem elektrisch hochleitfähigen Metall, ebenso die beiden Schienen des ersten Schienenpaars 31. Als geeignetes Material für die Schleifkon takte 33 und das Schienenpaar 31 ist zum Beispiel Kupfer zu nennen. Die ersten Schleifkontakte 33 sind ihrerseits wiede rum mittels elektrischer Leiter 50 mit einem zweiten Schie nenpaar 34 verbunden. Das zweite Schienenpaar 34 bildet die Auflagefläche für den zweiten Schlitten 35, dessen zweite Schleifkontakte 36 mit den Schienen des zweiten Schienenpaars 34 elektrisch verbunden sind. Die zweiten Schleifkontakte 36 sind mittels Zuleitungen 50 mit der Induktionsspule 40 ver bunden. Der erste Schlitten 32 ist entlang einer ersten Ver schiebungsrichtung 37 hin und her bewegbar (hier entsprechend der x-Richtung); der zweite Schlitten 35 ist entlang einer zweiten Verschiebungsrichtung 38 hin und her bewegbar (hier entsprechend der y-Richtung). Für die Induktionsspule 40 folgt daraus, dass diese in einem durch die Verschiebeeinheit 30 definierten Bereich (oder: Fläche) verschiebbar ist.
Die Induktionsspule 40 ist in Fig. 1 (wie auch z.B. die Wech selspannungsversorgungseinrichtung 10) nicht maßstäblich ge genüber den übrigen Komponenten gezeichnet. Sie wird in den meisten realen Fällen deutlich kleiner sein. Der Übersicht lichkeit halber ist sie aber in Fig. 1 als große, doppelt ge wundene Spule gezeichnet. Die Induktionsspule definiert dabei durch ihr Spuleninneres ein Fenster 43, durch das vorteilhaf terweise ein Laserstrahl auf den zu bearbeitenden Werkstoff hindurchtreten kann.
Ein wesentlicher Bestandteil eines Induktionsheizsystems ist ein Kondensator, der zusammen mit der Induktionsspule einen Reihenschwingkreis, auch als Serienschwingkreis oder RCL- Schwingkreis bezeichnet, bildet. Aufgrund der hohen Ströme, die durch die Induktionsspule fließen, ist die Induktivität der Spule hoch und die Kapazität des Kondensators muss ent sprechend groß gewählt werden. Daraus folgen eine gewisse bauliche Größe und Gewicht des Kondensators. Dies hat zur Folge, dass in herkömmlichen Induktionsheizsystemen der (oder die) Kondensator(en) in die Wechselspannungsversorgungsein richtung mit verbaut wurden, da die Wechselspannungsversor gungseinrichtung mit Induktionsgenerator und Transformator ohnehin viel Platz und auch Gewicht beanspruchten. Oftmals sind der Induktionsgenerator und Transformator auch von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben, so dass der Kondensator hierin auch gut untergebracht und geschützt werden konnte.
Im Fall einer stationären Induktionsspule, das heißt einer Induktionsspule, die relativ zu der Wechselspannungsversor gungseinrichtung unbeweglich ist, können als elektrische Lei tungen zwischen dem an der Wechselspannungsversorgungsein richtung befindlichen Kondensator und der Induktionsspule zum Beispiel gut isolierte, gegebenenfalls wassergekühlte elekt- rische Kabel verwendet werden, so dass es zu keinen Span nungsüberschlägen in den Zuleitungen kommt.
Im Fall einer bewegbaren Induktionsspule, also einer Indukti onsspule, die relativ zu der Wechselspannungsversorgungsein richtung beweglich ist, können unter Umständen wassergekühlte elektrische Kabel nicht verwendet werden, da diese für häufig auftretende Bewegungen nicht geeignet sind. Werden aber Kon taktschienen und Gleitkontakte verwendet, kommt es zu dem Problem potenzieller Spannungsüberschläge, so dass z.B. die Maximalleistung im Schwingkreis begrenzt werden muss.
Die Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Kon densator 20 nicht, wie herkömmlich, nahe der Wechselspan nungsversorgungseinrichtung 10 zu platzieren, sondern zwi schen der Verschiebeeinheit 30 und der Induktionsspule 40. Eine mögliche Position ist in Fig. 1 schematisch gezeigt.
Die Fig. 1 zeigt ferner einen zweiten Kondensator, der im Folgenden als Zusatzkondensator 21 bezeichnet wird. Dieser dient im Wesentlichen als zusätzlicher Kondensator, um mehr Flexibilität zu haben, um die Kapazität des Schwingkreises einzustellen .
Es muss im Einzelfall entschieden werden, ob genügend Platz vorhanden ist oder bereitgestellt werden kann, um den Konden sator 20 und gegebenenfalls den Zusatzkondensator 21 zwischen der Verschiebeeinheit 30 und der Induktionsspule 40 zu plat zieren. Sollte dies schwierig sein, kann ein attraktiver Kom promiss zwischen den baulichen Zwängen einerseits und dem Be dürfnis andererseits, das Risiko von Spannungsüberschlägen zu reduzieren, darin bestehen, den Kondensator 20 nur gerade so groß wie möglich auszulegen und dafür einen weiteren Konden sator wie herkömmlich nahe der Wechselstromversorgungsein richtung 10 zu platzieren. Die gesamte Kapazität des Reihen schwingkreises wird dann von dem Kondensator 20 nahe der In duktionsspule und dem weiteren Kondensator nahe der Wechsel stromversorgungseinrichtung 10 gebildet. Die Abbildung 2 (auch als Fig. 2 bezeichnet) zeigt ein elekt risches Schaltbild der Induktionsheizsystem aus Fig. 1. Der Generatorkreis wird von dem Induktionsgenerator 11 und der einen Spule des Transformators 12 gebildet. Der Arbeitskreis wird von der zweiten Spule des Transformators 12, dem Konden sator 20, dem Zusatzkondensator 21 und der Induktionsspule 40 gebildet. Für die Induktionsspule 40 ist sowohl der ohmsche Widerstand 41 als auch der induktive Widerstand 42 in Fig. 2 eingezeichnet. Auch die Zuleitungen 50 haben einen ohmschen Widerstand und es treten damit einhergehend ohmsche Verluste auf (die größtenteils von der Wasserkühlung der Zuleitungen 50 aufgenommen und abgeführt werden). Diese ohmschen Verluste sind in Fig. 2 nicht eingezeichnet, da sie nicht den Kern der Erfindung ausmachen. In Fig. 2 ist die Verschiebeeinheit 30 ferner durch das schraffierte Rechteck symbolisiert.
Aufgrund der Platzierung des Kondensators 20 und des Zusatz kondensators 21 zwischen der Verschiebeeinheit 30 und der In duktionsspule 40 wird an einem Spannungsmessgerät 13 an der Verschiebeeinheit 30 - also beispielsweise an den Schleifkon takten, die besonders anfällig und kritisch für Spannungs überschläge sind - nur die relativ niedrige Ausgangswechsel spannung des Transformators 12 gemessen. Eingedenk der Tatsa che, dass in trockener Luft als ganz grobe Daumenregel für ein Millimeter voneinander entfernte, offen liegende Kontakte ab ca. 1.000 Volt die Wahrscheinlichkeit für eine Spannungs überschlag signifikant erhöht ist, ist das Risiko für einen Spannungsüberschlag bei einem Aufbau wie in Fig. 1 bzw. 2 ge zeigt vernachlässigbar.
Für einen Aufbau wie in Abbildung 3 (auch als Fig. 3 bezeich net) gezeigt, gilt dies jedoch nicht. Die Fig. 3 zeigt ein elektrisches Schaltbild einer herkömmlichen Induktions heizsystem, in der der Kondensator 20 und der Zusatzkondensa tor 21 „vor" der Verschiebeeinheit 30, also zwischen der Wechselspannungsversorgungseinrichtung 10 und der Verschiebe einheit 30 angeordnet sind. Alle anderen Komponenten in Fig. 3 entsprechen den Komponenten der Fig. 2, so dass diese aus Gründen der Knappheit nicht wiederholt werden.
Als Folge der unterschiedlichen Platzierung des Kondensators 20 und des Zusatzkondensators 21 werden in herkömmlichen Sys temen auch in den Zuleitungen 50 an der Verschiebeeinheit 30, also beispielsweise auch an den Schleifkontakten 33, 36, hohe Spannungen aufgrund der Blindspannung im Reihenschwingkreis gemessen. Da dies keine virtuellen Spannungen, sondern real anliegende Spannungen sind, können sie auch mittels eines
Spannungsmessgeräts 13, das an der Verschiebeeinheit 30 plat ziert ist, nachgewiesen werden. Bei entsprechend hoher Induk tivität der Spule 41, Kapazität der Kondensatoren 20, 21 und anliegenden Stromstärke kann eine Blindspannung erzeugt wer- den, die in einem Bereich liegt, an dem Ladungsüberschläge wahrscheinlich werden.
Zusammenfassend ermöglicht die vorliegende Erfindung aufgrund einer geschickten Anordnung seiner Komponenten ein Indukti onsheizsystem, das auch bei einer bewegbaren Induktionsspule ein hohes Maß an Betriebssicherheit ermöglicht, ohne Kompro misse bei der maximalen Heizleistung machen zu müssen.

Claims

Patentansprüche
1. Induktionsheizsystem zur Erwärmung eines Bauteils (1), das Induktionsheizsystem umfassend eine Wechselspannungsversor gungseinrichtung (10), einen Kondensator (20), eine Verschie beeinheit (30) und eine Induktionsspule (40), wobei
- die Wechselspannungsversorgungseinrichtung (10) einen Rei henschwingkreis, der von dem Kondensator (20) und der Induk tionsspule (40) gebildet wird, mit Wechselspannung versorgt,
- die Verschiebeeinheit (30) eine Verschiebung der Indukti onsspule lateral in mindestens einer Richtung relativ zu dem Bauteil (1) ermöglicht, und
- der Kondensator (20) zwischen der Verschiebeeinheit (30) und der Induktionsspule (40) angeordnet ist.
2. Induktionsheizsystem nach Anspruch 1, wobei die Wechselspannungsversorgungseinrichtung (10) einen Induktionsgenerator (11) zur Erzeugung einer Eingangswechsel spannung und einen Transformator (12) zur Umwandlung der Ein gangswechselspannung in eine Ausgangswechselspannung auf weist.
3. Induktionsheizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei die Verschiebeeinheit (30) eine Schiene (31, 34) und einen Schlitten (32, 35) aufweist, wobei der Schlitten (32,
35) dafür ausgelegt ist, sich auf der Schiene (31, 34) zu be wegen und wobei die Schiene (31, 34) die Richtung (37, 38) definiert, entlang derer sich die Induktionsspule (40) be wegt.
4. Induktionsheizsystem nach Anspruch 3, wobei der elektrische Kontakt zwischen der Schiene (31, 34) und dem Schlitten (32, 35) mittels eines Schleifkontakts (33,
36) realisiert ist.
5. Induktionsheizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei die Verschiebeeinheit (30) eine Verschiebung der Induk tionsspule (40) lateral in zwei Richtungen (37, 38) relativ zu dem Bauteil (1) ermöglicht, wobei die zwei Richtungen (37, 38) insbesondere senkrecht aufeinander stehen.
6. Induktionsheizsystem nach Anspruch 5, wobei die Verschiebeeinheit (30) eine Verschiebung der Induk tionsspule (40) über die gesamte Fläche des Bauteils (1) in der Draufsicht ermöglicht.
7. Induktionsheizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei die Induktionsspule (40) und der Kondensator (20) ein mittels der Verschiebeeinheit (30) verschiebbares Induktions modul bilden und von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben sind.
8. Induktionsheizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei der Reihenschwingkreis zumindest teilweise, insbesonde re größtenteils, flüssigkeitsgekühlte elektrische Leitungen (50) aufweist.
9. Induktionsheizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei das Induktionsheizsystem einen weiteren Kondensator aufweist, der sich zwischen der Wechselspannungsversorgungs einrichtung (10) und der Verschiebeeinheit (30) befindet und, zusammen mit dem Kondensator (20) zwischen Verschiebeeinheit (30) und Induktionsspule (40), den kapazitiven Widerstand des Reihenschwingkreises bildet.
10. Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Bauteils (1) mit einer Plattform, die dazu vorgesehen ist, um darauf einen pulver- oder drahtförmigen metallischen Werkstoff schichtwei se aufzutragen, einer Primärheizeinrichtung, insbesondere ei ne Laserstrahlquelle oder Elektronenstrahlquelle, die dazu ausgebildet ist, einen auf die Plattform aufgetragenen pul ver- oder drahtförmigen metallischen Werkstoff aufzuschmel- zen, und einem Induktionsheizsystem nach einem der vorherge henden Ansprüchen, wobei die Induktionsspule (40) oberhalb der Plattform verfahrbar ist und ausgebildet ist, den auf die Plattform aufgetragenen pulver- oder drahtförmigen metalli- sehen Werkstoff zu erwärmen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Primärheizeinrichtung als Laser- oder Elektronen strahlquelle ausgebildet ist und die Induktionsspule (40) ein Fenster (43) definiert, durch das ein Laser- bzw. Elektronen strahl der Laser- bzw. Elektronenstrahlquelle hindurchtreten und den auf die Plattform aufgetragenen pulver- oder draht förmigen metallischen Werkstoff erwärmen kann.
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