EP4244005A1 - Method and system for the additive manufacturing of a workpiece - Google Patents

Method and system for the additive manufacturing of a workpiece

Info

Publication number
EP4244005A1
EP4244005A1 EP21810006.3A EP21810006A EP4244005A1 EP 4244005 A1 EP4244005 A1 EP 4244005A1 EP 21810006 A EP21810006 A EP 21810006A EP 4244005 A1 EP4244005 A1 EP 4244005A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling structure
workpiece
powder bed
cooling
powdered material
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.)
Pending
Application number
EP21810006.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thorsten Löwer
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.)
Pro Beam GmbH and Co KG
Original Assignee
Pro Beam 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 Pro Beam GmbH and Co KG filed Critical Pro Beam GmbH and Co KG
Publication of EP4244005A1 publication Critical patent/EP4244005A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/40Structures for supporting workpieces or articles during manufacture and removed afterwards
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20Direct sintering or melting
    • B22F10/28Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/60Treatment of workpieces or articles after build-up
    • B22F10/64Treatment of workpieces or articles after build-up by thermal means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00Apparatus 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
    • B22F12/20Cooling means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00Apparatus 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
    • B22F12/40Radiation means
    • B22F12/41Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00Processes of additive manufacturing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/20Post-treatment, e.g. curing, coating or polishing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2201/00Treatment under specific atmosphere
    • B22F2201/20Use of vacuum
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10Processes characterised by the sequence of their steps
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for additively manufacturing a workpiece from a powdered material.
  • the invention also relates to a system for carrying out such a method.
  • Additive manufacturing processes are characterized by the joining of volume elements to form a three-dimensional structure, in particular by a layered structure.
  • methods are used in which individual powder particles of a powdery material in a powder bed are selectively connected point by point with an energy beam, thus creating a dimensionally stable workpiece with a 3D structure layer by layer.
  • the material can be solidified into a workpiece by sintering the powder particles or by completely melting the powder particles and then allowing the material to solidify by means of an energy beam, in particular a laser beam or electron beam.
  • an energy beam in particular a laser beam or electron beam.
  • Materials are also known in which chaining reactions, adhesion processes or the like are activated or stimulated by the energy beam.
  • selective melting for the sake of simplicity, all types and degrees of melting/sintering/gluing/activation of the material and thus for each type of connection and each type of powdered material will only be referred to as selective melting, especially since this is also common among experts shortened, only selective melting is spoken of.
  • SEBM selective electron beam melting
  • the finished workpiece must be cooled to a certain maximum temperature before it can be removed from the process chamber.
  • the cooling of the workpiece in the process chamber in the vacuum takes several hours to several days, depending on the material, the nature of the powder bed and the construction volume. Because in a vacuum, the heat exchange is very low due to the lack of convection, so that the cooling rates are very low and the cooling times are very long.
  • One way to speed up the cooling process is to introduce an inert gas such as helium.
  • the inert gas makes it possible to transport heat away more quickly via convection and to avoid reactions with the metal surface.
  • noble gases are generally expensive and increase the process costs.
  • DE 10 2020 104 381.3 discloses an electron beam system in which a heat sink is produced in a powder bed during the manufacture of a workpiece using the 3D printing process.
  • the heat sink is preferably contacted with a lifting surface on which the powder bed is arranged.
  • a method for selective laser sintering is known from DE 10 2012 216 515 A1, in which tubular heat sinks are produced in the powder bed during 3D printing, through which a cooling fluid can be conducted.
  • the object of the invention is therefore to specify a method for additively manufacturing a workpiece which is improved with regard to the long cooling times described.
  • the object of the invention is also to specify a device and a system with which the cooling times in the additive manufacturing of a workpiece can be improved.
  • a method for additively manufacturing a workpiece from a powdered material which comprises the following steps: a) providing a device for receiving a powder bed made from the powdered material, in particular in a vacuum process chamber, and a beam generator for this purpose is set up to direct an energy beam to laterally different locations of the powder bed; b) Layered application of the powdered material to the powder bed; c) Layer-by-layer production of the workpiece in the powder bed by selectively connecting the powdery material with the energy beam; wherein d) during the production of the workpiece, in addition to the workpiece, a cooling structure is produced in the powder bed by selectively connecting the powdered material to the energy beam, wherein the cooling structure is set up to dissipate heat, and wherein e) the cooling structure is designed in such a way that between the Cooling structure and the device for receiving a powder bed of powdered material remains and the cooling structure extends at the end of the production of the workpiece up to a
  • Powder is generally a very poor conductor of heat and stores the heat locally in the powder bed.
  • Additive manufacturing processes are often carried out in a vacuum, which means that the heat transport to the environment is limited to heat radiation.
  • the method according to the invention solves the described problem of insufficient heat dissipation after the end of the manufacturing process and, as a result, long cooling times, in that an additional cooling structure is produced simultaneously during the additive manufacturing of the workpiece in the powder bed with the energy beam.
  • a cooling structure is solidified in the powder bed, through which the heat can be dissipated in a targeted manner by conduction.
  • the simultaneous manufacture of the cooling structures with the workpiece in the same powder bed made of the same material eliminates the risk of contamination from the subsequent introduction of coolants. Due to the fact that powdered material remains between the cooling structure and the device for receiving a powder bed, the heat can be prevented from being given off to components of the system in the process chamber.
  • the cooling structure is therefore preferably formed only after a certain number of loose powder layers above a construction platform.
  • the cooling structure extends to the uppermost final layer of the powder bed when the production of the workpiece is completed, the heat can instead be dissipated at the top, in particular only after the production process.
  • the cooling structure is only indirectly thermally coupled to the construction platform via powder lying in between, i.e. with a lower thermal conductivity, so that the entire system heats up less. This in turn is advantageous for the cooling times, particularly in series production.
  • the last layer of powder applied in the process is considered to be the final layer.
  • the structures preferably become thicker towards the top, with the cross-sectional area being greatest in the top layer.
  • the design of the cooling structure is therefore based on how the heat generated during the additive manufacturing of the workpiece has to be dissipated.
  • Corresponding software modeling of the heat conduction can be used to specify the cooling structure depending on the shape of the workpiece.
  • the cooling structure is created primarily for the purpose of improving heat conduction.
  • the cooling structure is basically not recycled like a workpiece but is systematically disposed of.
  • the cooling structure is melted down together with a residue of the powder bed that is still in powder form to form raw material and ground again into powder.
  • the workpiece on the other hand, is exploited, for example through sale.
  • Systematically means that the cooling structures are usually disposed of, with the retention of individual cooling structures, for example for training or advertising purposes, being harmless for this purpose.
  • cooling structure is not directly connected to other components in the powder bed, so that at least a certain volume between the fixed structures is filled with powder. Since the cooling structure is not connected to the workpiece to be manufactured, there are no additional post-processing steps on the workpiece that are otherwise required when removing permanently connected structures.
  • the cooling structure can be designed in several parts and adapted to the shape of the construction container and the workpiece to be produced. Large connected volumes of powder can thus be avoided.
  • the transverse area of the cooling structure is made as large as possible in order to form the largest possible heat radiation area.
  • the final layer preferably consists entirely of solidified segments, which are connected downwards to the elongated cooling structures and are separated from one another by powder channels in order to facilitate unpacking of the finished construction container.
  • the segments are designed in such a way that the largest possible area is available for heat radiation. The distance between the segments can vary.
  • the top layer of the powder bed can be contacted with a cooling plate.
  • the attached body draws additional heat from the cooling structures.
  • the cooling of the cooling plate as well as the cooling of the cooling structure can take place actively or passively. Cooling ribs or fins can be additively manufactured on the cooling structures.
  • the cooling structure comprises one or more branches.
  • Branches in the structure increase the effect of local heat dissipation.
  • the volume reached by the cooling can thus be distributed as constantly as possible over the installation space and thus enable a more homogeneous temperature field in the installation space.
  • the branches of the cooling structure can be designed in the form of fins or branched.
  • the cooling structures always dissipate the heat passively, resulting in better thermal conductivity along the cooling structure compared to the usual loose powder bed.
  • active cooling via the cooling structure can also be provided in order to increase the heat dissipation.
  • the cooling elements can be hollow. In this process, only the outline of the structure is melted, which then ends up in a hollow, powder-filled mold. After completion of construction, this cavity can be filled with a cooling fluid, for example a coolant, and/or can flow through it, so that the cooling structure is actively cooled. The coolant can then be connected to a heat exchanger, for example.
  • the cooling structure has at least one cavity through which a fluid can be conducted in order to be actively cooled.
  • the object according to the invention is achieved by a cooling structure for dissipating heat from a powder bed during the additive manufacturing of a workpiece, characterized in that the structure is not connected to the workpiece with the workpiece.
  • the cooling structure is preferably not connected to a construction platform or a base plate, but is separated from other components of the system by a certain number of loose powder layers. This can prevent the heat from being given off to components of the system in the process chamber.
  • the cooling structure is preferably not connected to the workpiece. As a result, the workpiece does not have to be reworked in order to remove residues of the cooling structure on the material surface.
  • Workpieces that are manufactured using the method according to the invention and the system according to the invention can be found, inter alia, in the aerospace industry as turbine blades, impellers and transmission mounts in helicopters; in the automotive industry as turbocharger wheels and wheel spokes; in medical technology as orthopedic implants and prostheses; as a heat exchanger and in tool and mold making.
  • the powdered material can include all electrically conductive materials suitable for the electron beam process.
  • Preferred examples are metallic or ceramic materials, in particular titanium, copper, nickel, aluminum and alloys thereof, such as Ti-6AI-4V, an alloy of titanium, 6 wt% aluminum and 4 wt% vanadium, Al-SilOMg and titanium aluminides (TiAl).
  • NiCr19NbMo nickel-based alloys
  • iron and iron alloys in particular steels such as tool steel and stainless steel, copper and alloys thereof, refractory metals, in particular niobium, molybdenum, tungsten and alloys thereof, precious metals, in particular gold, magnesium and alloys thereof, Cobalt-based alloys such as CoCrMo, high-entropy alloys such as AICo-CrFeNi and CoCrFeNiTi, and shape memory alloys.
  • the powdery material used preferably has an average grain size D50 of 10 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • the object of the invention is achieved by a system for the additive manufacture of a workpiece from a powdered material, with a) a device for receiving a powder bed made of the powdered material to be processed and b) a beam generator which is set up to emit an energy beam to straighten laterally different locations of the powder bed; wherein c) the plant is designed to carry out one of the methods described above.
  • the heat dissipation element can in turn conduct the heat to other components of the system.
  • the contacting can be done by lowering onto the cooling structure, such as opening it up, or sliding it on to the side, for example a metal block.
  • the heat dissipation element can comprise a material with high thermal conductivity, in particular greater than 100 Wm' 1 K' 1 , such as copper.
  • cooling fluid for example a gas or water
  • active cooling can thus be brought about.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a system according to the invention with a powder container
  • FIG. 2 shows a side view of the powder bed during additive manufacturing of workpieces and cooling structures
  • FIG. 3 shows a side view of the powder bed after the production of workpieces and cooling structures has been completed
  • Figure 4 is a side view of the powder bed after completion of fabrication of work pieces and cooling structures with branches
  • FIG. 5 shows a side view of the powder bed after completion of the production of workpieces and cooling structures with an increased cross-sectional area in the final layer
  • FIG. 6 embodiments of the cooling structure
  • FIG. 7 shows a side view of the powder bed after the production of workpieces and cooling structures has been completed, the final layer being contacted by a cooling plate.
  • FIG. 1 shows an electron beam system 10 with a process chamber 11 in which an electron beam generator 12 for generating an electron beam 13 is arranged.
  • the electron beam generator 12 with an optional deflection device 14, for example a magnetic optics unit is arranged above a lifting table 15 with a lifting plate and with a receiving frame, which serves as a spatially limited powder container which receives a powder bed 20 made of a powdery material to be processed.
  • the powder application device 16 has a container (not shown) for the powdered material 20, from which the material can be applied to the powder bed 21 as the uppermost loose layer 21 by a displacement movement.
  • the movement of the electron beam 13 relative to the powder bed 20 to laterally different locations in the powder bed 20 can take place by deflecting the electron beam in the deflection device 14 or by laterally displacing the lifting table 15.
  • a base plate 17 located in the powder bed 20 is a base plate 17 on which the workpiece 22 is formed layer by layer.
  • a control unit 23 is connected via one or more signal transmission lines 24 to the essential components of the electron beam system 10, in particular to the electron beam generator 12 and the magneto-optical unit 14, in order to control the entire production process.
  • 2 shows the powder bed 20 during the additive manufacturing process of the workpiece 22. It can also be seen from FIG.
  • the workpieces 22 can be arranged not only next to each other but also one above the other in the powder bed 20 .
  • the additive manufacturing process begins with the application of layers of powder to the base plate 17.
  • the base plate 17 is located in the construction container over a certain volume of powdered material.
  • the powdered material in the powder bed 20 is then selectively connected, in particular fused, here at specific lateral locations of the powder bed 20 with the electron beam 13 to form a dimensionally stable cross-sectional structure.
  • the workpiece 22 is then created layer by layer as a 3D structure.
  • cross sections of support structures can be melted from the first powder layers.
  • the support structures are usually connected to the base plate 17 and the workpiece 22 and stabilize the subsequent workpiece during manufacture.
  • the construction of the workpiece can also start directly on a large number of loose powder layers without support structures.
  • cooling structures 30 can start in the same layer of powder as the workpiece 22, in later layers during the build-up or directly on the base plate.
  • Figure 3 shows the powder bed 20 after construction is complete. To make the display clearer, both the powder and the build container are not visible.
  • Cooling structures 30 are distributed over the installation space in order to avoid large, poorly thermally conductive powder volumes between the components.
  • the cooling structures 30 are positioned as close as possible to the workpieces 22, but without touching them.
  • a cooling structure 30 is essentially rod-shaped, with the diameter of the rod increasing towards the end of construction, ie towards the top in the construction space.
  • the cooling structure 30 reaches its greatest diameter in the final layer.
  • the final layer is the last layer of powder applied and possibly partially fused.
  • the cooling structures 30 can also be formed one below the other in a construction space in many different forms.
  • FIG. 4 shows a finished construction with a branched cooling structure 30.
  • the powder nor the construction container are visible.
  • the individual cooling structure 30 can, for example, have one or more, in particular horizontal, crossbeams on a vertical structure 36, so that branches 32 arise.
  • the cooling structures 30 can be connected to the vertical structures 36 of other cooling structures 30 .
  • the crossbars can be of different lengths in order to be positioned as close as possible to the contour of the workpieces 22 without making direct contact with them.
  • the length of the vertical structures 36 can also vary.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment in which the cooling structures 30 are each terminated by square terminating segments 34 .
  • the terminating layer is formed almost completely from the terminating segments 34 of the cooling structures 30 .
  • Each end segment 34 is connected to at least one vertical cooling structure 30 and is directly fused.
  • the thickness of the finishing segment 34 depends on the geometry of the workpieces 22 and the material and consists of at least one layer of the fused powder, preferably several, in order to obtain a stable plate.
  • the final layer is not melted flat, as this would lead to problems when unpacking.
  • the individual segments 34 are therefore separated by channels of unfused powder.
  • the last layer of powder applied is referred to as the final layer.
  • the shape of the end segments 34 is not limited to squares and, as shown in FIG. 3, can also be round or of any shape.
  • Figure 6 shows a selection of embodiments of the cooling structures 30 that does not restrict the idea of the invention.
  • FIGS. 6a) and 6b) show a rod-shaped cooling structure 30 with a round cross-section, which becomes larger towards the top and is terminated by a round segment.
  • the round segment can be used as an end segment, or an additional end segment can be attached.
  • Figures 6c) and 6d) show a cooling structure 30 with a rectangular cross section and branches 32.
  • the cooling structure 30 shown in FIGS. 6e) and 6f) is designed in the shape of a cone or a truncated cone.
  • a cooling structure 30 can also be formed helically around the workpieces 22 .
  • cooling structures 30 which, like tree roots, combine from different parts of the powder bed 20 to form a thicker strand.
  • One or more cooling structures 30 can be bounded by end segments 34 .
  • FIG. 7 shows a side view of the powder bed 20 after the production of workpieces 22 and cooling structures 30 has been completed, with the closing segments 34 being contacted by a cooling plate 38 as a heat dissipation element.
  • the cooling plate 38 can have passive cooling elements such as cooling fins and/or cooling channels, which are actively cooled by a coolant, in particular a cooling fluid.
  • a coolant in particular a cooling fluid.
  • the cooling plate 38 can be connected to a coolant circuit by coolant lines.
  • the cooling plate can be made of a material with high thermal conductivity, in particular greater than 200 Wm" 1 K" 1 , such as copper.
  • the cooling plate 38 can be introduced into the evacuated process chamber and placed on the closing segments 34 .
  • the cooling plate 38 may already be in the chamber and lowered or slid onto the powder bed 20 after the build is complete.
  • the cooling plate 38 or the end segments 34 can be additionally cooled with gas that is introduced into the process chamber. Due to the better thermal conductivity compared to vacuum, the heat transport can be improved.
  • the gas is preferably an inert gas in order to avoid reactions with the powdered material.
  • the gas can be in a circuit and cooled outside the plant.
  • the cooling structures 30 are generated by a control unit before or during construction.
  • the shape and position depends on a model for a desired heat distribution that is as optimal as possible and the associated temperature distribution during and/or after the production of the workpiece 22.
  • the exact structure of the cooling structure 30 can even be adjusted in real time during the manufacturing process, for example based on continuously measured temperatures. reference sign

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

A method for the additive manufacturing of a workpiece (22) from a powdered material comprises the following steps: a) providing - a device (15, 17) for receiving a powder bed (20) of the powdered material, in particular in a vacuum process chamber (11), and - a beam generator (12), which is designed to direct an energy beam (13) onto laterally different locations of the powder bed (20); b) applying the powdered material in layers to the powder bed (20); c) creating the workpiece (22) layer by layer in the powder bed (20) by selectively fusing the powdered material with the energy beam (13); d) while creating the workpiece (22), creating in addition to the workpiece (22) a cooling structure (30) in the powder bed (20) by selectively fusing the powdered material with the energy beam (13), wherein the cooling structure (30) is designed to dissipate heat.

Description

Verfahren und Anlage zur additiven Herstellung eines Werkstücks Process and system for the additive manufacturing of a workpiece
HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION
1. Gebiet der Erfindung 1. Field of the Invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks aus einem pulverförmigen Werkstoff. The invention relates to a method for additively manufacturing a workpiece from a powdered material.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens. The invention also relates to a system for carrying out such a method.
2. Beschreibung des Standes der Technik 2. Description of the Prior Art
Additive Fertigungsverfahren charakterisieren sich durch Aneinanderfügen von Volumenelementen zu einer dreidimensionalen Struktur, insbesondere durch einen schichtweisen Aufbau. Dabei kommen unter anderem Verfahren zur Anwendung, bei welchen einzelne Pulverpartikel eines pulverförmigen Werkstoffs in einem Pulverbett mit einem Energiestrahl Punkt für Punkt selektiv verbunden werden und so Schicht für Schicht ein formfestes Werkstück mit einer 3D-Struktur erzeugt wird. Additive manufacturing processes are characterized by the joining of volume elements to form a three-dimensional structure, in particular by a layered structure. Among other things, methods are used in which individual powder particles of a powdery material in a powder bed are selectively connected point by point with an energy beam, thus creating a dimensionally stable workpiece with a 3D structure layer by layer.
Das Verfestigen des Werkstoffs zu einem Werkstück kann durch Versintern der Pulverpartikel oder vollständigem Aufschmelzen der Pulverpartikel und anschließendem Erstarren lassen des Werkstoffes mittels eines Energiestrahls, insbesondere eines Laserstrahls oder Elektronenstrahls, erfolgen. Auch sind Werkstoffe bekannt, bei welchen Verkettungsreaktionen, Klebevorgänge oder ähnliches durch den Energiestrahl aktiviert oder angeregt werden. Im Folgenden wird der Einfachheit halber für sämtliche Arten und Grade des Schmel- zens/Versinterns/Verkleben/Aktivierens des Werkstoffs und damit für jede Art des Verbindens und jede Art von pulverförmigem Werkstoff nur noch von selektiven Schmelzen gesprochen, insbesondere da auch unter den Fachleuten häufig verkürzt nur von selektivem Schmelzen gesprochen wird. The material can be solidified into a workpiece by sintering the powder particles or by completely melting the powder particles and then allowing the material to solidify by means of an energy beam, in particular a laser beam or electron beam. Materials are also known in which chaining reactions, adhesion processes or the like are activated or stimulated by the energy beam. In the following, for the sake of simplicity, all types and degrees of melting/sintering/gluing/activation of the material and thus for each type of connection and each type of powdered material will only be referred to as selective melting, especially since this is also common among experts shortened, only selective melting is spoken of.
Vor allem die Verarbeitung von Metallpulver durch selektives Elektronenstrahlschmelzen (selective electron beam melting; SEBM) erlaubt die Fertigung metallischer Strukturen mit komplexen Geometrien bei gleichzeitig schneller und präziser Manipulierbarkeit und hohem Grad an Automatisierung. In particular, the processing of metal powder by selective electron beam melting (SEBM) allows the production of metallic structures complex geometries while at the same time being able to be manipulated quickly and precisely and with a high degree of automation.
Das Schmelzen des Werkstoffs mit einem Elektronenstrahl findet im Gegensatz zum Laserstrahlschmelzen unter Vakuum statt, da die Kollision der Elektronen mit Luftmolekülen zu großen Energieverlusten und Streuung führen würde. Prozesskammern von Elektronenstrahlanlagen werden daher üblicherweise vor dem Betrieb evakuiert und mit Drücken von 10’5 bis 10’2 mbar betrieben. In contrast to laser beam melting, the melting of the material with an electron beam takes place in a vacuum, since the collision of the electrons with air molecules would lead to large energy losses and scattering. Process chambers of electron beam systems are therefore usually evacuated before operation and operated at pressures of 10′ 5 to 10′ 2 mbar.
Bei der Herstellung des Werkstücks werden durch den Energieeintrag des Elektronenstrahls und optionaler zusätzlicher Heizung des Pulverbetts an der Werkstoffoberfläche Temperaturen von über 1000 °C erreicht. Daher muss das fertige Werkstück auf eine gewisse Höchsttemperatur abgekühlt sein, bevor es aus der Prozesskammer entnommen werden kann. During the production of the workpiece, temperatures of over 1000 °C are reached on the material surface due to the energy input of the electron beam and optional additional heating of the powder bed. Therefore, the finished workpiece must be cooled to a certain maximum temperature before it can be removed from the process chamber.
Allerdings dauert das Abkühlen des Werkstücks in der Prozesskammer im Vakuum, abhängig von Material, Beschaffenheit des Pulverbetts und Bauvolumen, mehrere Stunden bis hin zu mehreren Tagen. Denn im Vakuum ist der Wärmeaustausch mangels Konvektion sehr gering, sodass es zu sehr niedrigen Abkühlraten und somit zu sehr langen Abkühlzeiten kommt. However, the cooling of the workpiece in the process chamber in the vacuum takes several hours to several days, depending on the material, the nature of the powder bed and the construction volume. Because in a vacuum, the heat exchange is very low due to the lack of convection, so that the cooling rates are very low and the cooling times are very long.
Ein frühzeitiges Fluten der Prozesskammer mit Luft zur Verkürzung der Abkühlzeit ist aus verschiedenen Gründen nachteilig. Die heiße Oberfläche des Werkstücks reagiert mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff. Die Folge davon können unkontrollierte Veränderungen im Gefüge des Werkstücks z.B. durch Oxidation des Metalls sein. Flooding the process chamber with air early to shorten the cooling time is disadvantageous for various reasons. The hot surface of the workpiece reacts with the oxygen contained in the air. The consequences of this can be uncontrolled changes in the structure of the workpiece, e.g. due to oxidation of the metal.
Eine Möglichkeit, den Abkühlprozess zu beschleunigen, ist das Einleiten eines Edelgases, wie z.B. Helium. Durch das inerte Gas ist es möglich, Wärme über Konvektion schneller abzutransportieren und Reaktionen mit der Metalloberfläche zu vermeiden. Edelgase sind jedoch generell teuer und erhöhen die Prozess kosten. One way to speed up the cooling process is to introduce an inert gas such as helium. The inert gas makes it possible to transport heat away more quickly via convection and to avoid reactions with the metal surface. However, noble gases are generally expensive and increase the process costs.
Alternativ kann das Problem der langen Abkühlzeiten durch Adaption der Anlage und Parallelisierung von Abkühl- und Fertigungsprozess gelöst werden. Ein effizientes Verfahren sowie eine Anlage dafür sind in der DE 10 2020 104 381.3 offenbart. Aus der DE 10 2017 110 651 A1 ist ferner eine Elektronenstrahlanlage bekannt, bei der während der Herstellung eines Werkstücks im 3D-Druckverfahren einen Kühlkörper in einem Pulverbett erzeugt wird. Der Kühlkörper wird dabei bevorzugt mit einer Hubfläche kontaktiert, auf welcher das Pulverbett angeordnet ist. Alternatively, the problem of long cooling times can be solved by adapting the system and running the cooling and manufacturing processes in parallel. An efficient method and a system for it are disclosed in DE 10 2020 104 381.3. DE 10 2017 110 651 A1 also discloses an electron beam system in which a heat sink is produced in a powder bed during the manufacture of a workpiece using the 3D printing process. The heat sink is preferably contacted with a lifting surface on which the powder bed is arranged.
Aus der DE 10 2012 216 515 A1 ist ein Verfahren zum Selektiven Laser-Sintern (SLS) bekannt, bei welchem während des 3D-Drucks rohrförmige Kühlkörper im Pulverbett erzeugt werden, durch welche ein Kühlfluid geleitet werden kann. A method for selective laser sintering (SLS) is known from DE 10 2012 216 515 A1, in which tubular heat sinks are produced in the powder bed during 3D printing, through which a cooling fluid can be conducted.
Ein ähnliches Verfahren ist aus DE 10 2013 212 620 A1 bekannt, wobei dort detaillierter beschrieben ist, wie in der Hubfläche unter dem Pulverbett eine Funktionsschnittstelle ausgebildet wird, um Kühlmittel durch den rohrförmigen Kühlkörper zu leiten. A similar method is known from DE 10 2013 212 620 A1, which describes in more detail how a functional interface is formed in the lifting surface under the powder bed in order to conduct coolant through the tubular heat sink.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG SUMMARY OF THE INVENTION
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks anzugeben, welches hinsichtlich der beschriebenen langen Abkühlzeiten verbessert ist. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine Vorrichtung und eine Anlage anzugeben, mit welchen sich die Abkühlzeiten bei der additiven Herstellung eines Werkstücks verbessern lassen. The object of the invention is therefore to specify a method for additively manufacturing a workpiece which is improved with regard to the long cooling times described. The object of the invention is also to specify a device and a system with which the cooling times in the additive manufacturing of a workpiece can be improved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks aus einem pulverförmigen Werkstoff, das folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer Vorrichtung zur Aufnahme eines Pulverbetts aus dem pulverförmigen Werkstoff, insbesondere in einer Vakuum-Prozesskammer, und eines Strahlerzeugers, der dazu eingerichtet ist, einen Energiestrahl auf lateral unterschiedliche Orte des Pulverbetts zu richten; b) Schichtförmiges Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffes auf das Pulverbett; c) Schichtweises Erzeugen des Werkstücks im Pulverbett durch selektives Verbinden des pulverförmigen Werkstoffs mit dem Energiestrahl; wobei d) während dem Erzeugen des Werkstücks zusätzlich zum Werkstück eine Kühlstruktur im Pulverbett durch selektives Verbinden des pulverförmigen Werkstoffs mit dem Energiestrahl erzeugt wird, wobei die Kühlstruktur dazu eingerichtet ist, Wärme abzuleiten, und wobei e) die Kühlstruktur derart ausgestaltet ist, dass zwischen der Kühlstruktur und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Pulverbetts pulverförmiger Werkstoff verbleibt und die Kühlstruktur sich bei Beendigung der Herstellung des Werkstücks bis zu einer obersten Abschlussschicht des Pulverbetts erstreckt. This object is achieved according to the invention by a method for additively manufacturing a workpiece from a powdered material, which comprises the following steps: a) providing a device for receiving a powder bed made from the powdered material, in particular in a vacuum process chamber, and a beam generator for this purpose is set up to direct an energy beam to laterally different locations of the powder bed; b) Layered application of the powdered material to the powder bed; c) Layer-by-layer production of the workpiece in the powder bed by selectively connecting the powdery material with the energy beam; wherein d) during the production of the workpiece, in addition to the workpiece, a cooling structure is produced in the powder bed by selectively connecting the powdered material to the energy beam, wherein the cooling structure is set up to dissipate heat, and wherein e) the cooling structure is designed in such a way that between the Cooling structure and the device for receiving a powder bed of powdered material remains and the cooling structure extends at the end of the production of the workpiece up to a top final layer of the powder bed.
Wie bereits erläutert, wird beim Bearbeiten eines pulverförmigen Werkstoffs mit einem Energiestrahl eine bestimmte Menge an Energie in das Pulverbett eingebracht, die nach dem Wiederverfestigen des Werkstoffs abtransportiert werden muss. Pulver ist generell ein sehr schlechter Wärmeleiter und speichert die Wärme lokal im Pulverbett. Oft werden additive Herstellungsverfahren im Vakuum durchgeführt, dadurch ist der Wärmetransport an die Umgebung auf Wärmestrahlung begrenzt. As already explained, when processing a powdery material with an energy beam, a certain amount of energy is introduced into the powder bed, which has to be transported away after the material has solidified again. Powder is generally a very poor conductor of heat and stores the heat locally in the powder bed. Additive manufacturing processes are often carried out in a vacuum, which means that the heat transport to the environment is limited to heat radiation.
Das erfindungsgemäße Verfahren löst das beschriebene Problem des ungenügenden Wärmeabtransports nach Beendigung des Herstellungsprozesses, und aus Folge daraus lange Abkühlzeiten, dahingehend, dass zeitgleich während der additiven Herstellung des Werkstücks im Pulverbett mit dem Energiestrahl eine zusätzliche Kühlstruktur additiv hergestellt wird. D.h. im Pulverbett wird eine Kühlstrukturen verfestigt, durch welche die Wärme gezielt per Konduktion abgeleitet werden kann. The method according to the invention solves the described problem of insufficient heat dissipation after the end of the manufacturing process and, as a result, long cooling times, in that an additional cooling structure is produced simultaneously during the additive manufacturing of the workpiece in the powder bed with the energy beam. This means that a cooling structure is solidified in the powder bed, through which the heat can be dissipated in a targeted manner by conduction.
Auf diese Weise lässt sich der mangelnde Wärmetransport aufgrund mangelnder Konvektion und schlecht wärmeleitendem pulverförmigem Werkstoff kompensieren. In this way, the lack of heat transport due to a lack of convection and poorly thermally conductive powdered material can be compensated.
Durch die zeitgleiche Fertigung der Kühlstrukturen mit dem Werkstück im selben Pulverbett aus dem gleichen Werkstoff, entfällt das Risiko von Verunreinigungen durch das nachträgliche Einbringen von Kühlmitteln. Aufgrund dessen, dass zwischen der Kühlstruktur und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Pulverbetts pulverförmiger Werkstoff verbleibt, kann verhindert werden, dass die Wärme auf Komponenten der Anlage in der Prozesskammer abgegeben wird. Vorzugsweise wird also die Kühlstruktur erst nach einer bestimmten Anzahl an losen Pulverschichten oberhalb einer Bauplattform gebildet. The simultaneous manufacture of the cooling structures with the workpiece in the same powder bed made of the same material eliminates the risk of contamination from the subsequent introduction of coolants. Due to the fact that powdered material remains between the cooling structure and the device for receiving a powder bed, the heat can be prevented from being given off to components of the system in the process chamber. The cooling structure is therefore preferably formed only after a certain number of loose powder layers above a construction platform.
Da erfindungsgemäß die Kühlstruktur sich bei Beendigung der Herstellung des Werkstücks bis zur obersten Abschlussschicht des Pulverbetts erstreckt, kann die Wärme stattdessen oben, insbesondere erst nach dem Herstellungsprozess, abgeleitet werden. Since, according to the invention, the cooling structure extends to the uppermost final layer of the powder bed when the production of the workpiece is completed, the heat can instead be dissipated at the top, in particular only after the production process.
Vorteilhaft wird somit die Kühlstruktur nur mittelbar über dazwischen liegendes Pulver thermisch an die Bauplattform gekoppelt, d.h. mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit, sodass sich die gesamte Anlage weniger erhitzt. Dies ist wiederum vorteilhaft für die Abkühlzeiten insbesondere bei einer Serienfertigung. Advantageously, the cooling structure is only indirectly thermally coupled to the construction platform via powder lying in between, i.e. with a lower thermal conductivity, so that the entire system heats up less. This in turn is advantageous for the cooling times, particularly in series production.
Als Abschlussschicht wird die letzte im Verfahren aufgetragene Pulverschicht betrachtet. The last layer of powder applied in the process is considered to be the final layer.
Bevorzugt werden die Strukturen nach oben hin dicker, wobei die Querschnittsfläche in der Abschlussschicht am größten ist. The structures preferably become thicker towards the top, with the cross-sectional area being greatest in the top layer.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kühlstruktur abhängig von einer gewünschten Wärmeverteilung vorgegeben wird. Provision is preferably made for the cooling structure to be specified as a function of a desired heat distribution.
Die Ausgestaltung der Kühlstruktur orientiert sich also daran, wie die Wärme, die bei der additiven Herstellung des Werkstücks entsteht, abgeleitet werden muss. Entsprechende Softwaremodellierungen der Wärmeleitung können dazu verwendet werden, die Kühlstruktur abhängig von der Form des Werkstücks vorzugeben. The design of the cooling structure is therefore based on how the heat generated during the additive manufacturing of the workpiece has to be dissipated. Corresponding software modeling of the heat conduction can be used to specify the cooling structure depending on the shape of the workpiece.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass nach Schritt d) das Werkstück und/oder das Pulverbett, insbesondere im Vakuum der Vakuum-Prozesskammer, abgekühlt werden, indem über die Kühlstruktur Wärme abgeleitet wird. Provision is preferably made for the workpiece and/or the powder bed to be cooled after step d), in particular in the vacuum of the vacuum process chamber, in that heat is dissipated via the cooling structure.
Dadurch lässt sich die Abkühlzeit nach der Fertigung des Werkstücks verkürzen. Dies ist insbesondere in Vakuum-Prozesskammern von besonderer Bedeutung. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass nach Schritt d) das Werkstück von dem Pulverbett und der Kühlstruktur getrennt wird und das Pulverbett und die Kühlstruktur im Gegensatz zum Werkstück einer systematischen Entsorgung zugeführt wird. This shortens the cooling time after the workpiece has been manufactured. This is particularly important in vacuum process chambers. Provision is preferably made for the workpiece to be separated from the powder bed and the cooling structure after step d) and for the powder bed and the cooling structure, in contrast to the workpiece, to be disposed of systematically.
Im Unterschied zu weiteren Werkstücken, welche gemeinsam mit einem ersten Werkstück in einem additiven Herstellungsprozess zeitgleich hergestellt werden, wird die Kühlstruktur vor allem zum Zwecke der Verbesserung der Wärmeleitung erzeugt. D.h. die Kühlstruktur wird grundsätzlich nicht wie ein Werkstück verwertet sondern wird einer systematischen Entsorgung zugeführt. Beispielsweise wird die Kühlstruktur zusammen mit einem noch pulverförmigen Rest des Pulverbetts zu Rohmaterial eingeschmolzen und erneut zu Pulver gemahlen. Das Werkstück wird hingegen verwertet, beispielsweise durch Verkauf. Systematisch soll bedeutet, dass die Kühlstrukturen üblicherweise entsorgt werden, wobei das Beibehalten einzelner Kühlstrukturen, beispielsweise zu Schulungs- oder Werbezwecken, unschädlich hierfür unschädlich sein soll. In contrast to other workpieces, which are produced at the same time as a first workpiece in an additive manufacturing process, the cooling structure is created primarily for the purpose of improving heat conduction. This means that the cooling structure is basically not recycled like a workpiece but is systematically disposed of. For example, the cooling structure is melted down together with a residue of the powder bed that is still in powder form to form raw material and ground again into powder. The workpiece, on the other hand, is exploited, for example through sale. Systematically means that the cooling structures are usually disposed of, with the retention of individual cooling structures, for example for training or advertising purposes, being harmless for this purpose.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kühlstruktur derart ausgestaltet ist, dass zwischen der Kühlstruktur und dem Werkstück pulverförmiger Werkstoff verbleibt. Provision is preferably made for the cooling structure to be designed in such a way that powdered material remains between the cooling structure and the workpiece.
D.h. die Kühlstruktur ist nicht direkt mit anderen Komponenten im Pulverbett verbunden, sodass zumindest ein gewisses Volumen zwischen den festen Strukturen mit Pulver befüllt ist. Da die Kühlstruktur nicht mit dem herzustellenden Werkstück verbunden ist, entfallen zusätzliche Nachbehandlungsschritte am Werkstück, die sonst bei der Entfernung von fest verbunden Strukturen anfallen. This means that the cooling structure is not directly connected to other components in the powder bed, so that at least a certain volume between the fixed structures is filled with powder. Since the cooling structure is not connected to the workpiece to be manufactured, there are no additional post-processing steps on the workpiece that are otherwise required when removing permanently connected structures.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kühlstruktur mehrteilig ausgestaltet ist. Provision is preferably made for the cooling structure to be designed in multiple parts.
Die Kühlstruktur kann mehrteilig ausgestaltet sein und an die Form des Baucontainers und des herzustellenden Werkstücks angepasst sein. Große zusammenhängende Volumina an Pulver können so vermieden werden. The cooling structure can be designed in several parts and adapted to the shape of the construction container and the workpiece to be produced. Large connected volumes of powder can thus be avoided.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kühlstruktur eine Querschnittsfläche aufweist, die in der Abschlussschicht am größten ist. In den obersten Schichten vor Beendigung des Baus wird die Querfläche der Kühlstruktur möglichst groß gebildet, um eine möglichst große Fläche zur Wärmeabstrahlung zu bilden. Durch die Einbringung der größten Wärmeabstrahlfläche erst gegen Ende des Herstellungsprozesses wird die Wärme erst nach Fertigstellung des Werkstücks abgeleitet und das Temperaturfeld während des Bauens konstant gehalten. Nach Beendigung des Prozesses kann die Wärme beschleunigt abtransportiert werden und der Abkühlprozess ist verkürzt. Provision is preferably made for the cooling structure to have a cross-sectional area which is largest in the final layer. In the uppermost layers before the completion of the construction, the transverse area of the cooling structure is made as large as possible in order to form the largest possible heat radiation area. By introducing the largest heat dissipation surface towards the end of the manufacturing process, the heat is only dissipated after the workpiece has been completed and the temperature field is kept constant during construction. After the end of the process, the heat can be transported away more quickly and the cooling process is shortened.
Bevorzugt besteht die Abschlussschicht vollständig aus verfestigten Segmenten, welche nach unten mit den länglichen Kühlstrukturen verbunden sind und durch Pulverkanäle voneinander getrennt sind, um das Entpacken des fertigen Baucontainers zu erleichtern. Die Segmente sind derart gestaltet, dass eine möglichst große Fläche zur Wärmeabstrahlung zur Verfügung steht. Der Abstand zwischen den Segmenten kann variieren. The final layer preferably consists entirely of solidified segments, which are connected downwards to the elongated cooling structures and are separated from one another by powder channels in order to facilitate unpacking of the finished construction container. The segments are designed in such a way that the largest possible area is available for heat radiation. The distance between the segments can vary.
Die Abschlussschicht des Pulverbetts kann mit einer Kühlplatte kontaktiert werden. Durch den aufgesetzten Körper wird den Kühlstrukturen zusätzlich Wärme entzogen. Die Kühlung der Kühlplatte als auch die Kühlung der Kühlstruktur kann aktiv oder passiv erfolgen. An den Kühlstrukturen können Kühlrippen oder Finnen additiv gefertigt werden. The top layer of the powder bed can be contacted with a cooling plate. The attached body draws additional heat from the cooling structures. The cooling of the cooling plate as well as the cooling of the cooling structure can take place actively or passively. Cooling ribs or fins can be additively manufactured on the cooling structures.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kühlstruktur ein oder mehrere Verzweigungen umfasst. It is preferably provided that the cooling structure comprises one or more branches.
Verzweigungen der Struktur verstärken den Effekt des lokalen Wärmeabtransports. Das von der Kühlung erreichte Volumen kann so möglichst konstant über Bauraum verteilt werden und somit ein homogeneres Temperaturfeld im Bauraum ermöglichen. Die Verzweigungen der Kühlstruktur können in Form von Finnen oder verästelt ausgebildet sein. Branches in the structure increase the effect of local heat dissipation. The volume reached by the cooling can thus be distributed as constantly as possible over the installation space and thus enable a more homogeneous temperature field in the installation space. The branches of the cooling structure can be designed in the form of fins or branched.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kühlstruktur aktiv gekühlt wird. Provision is preferably made for the cooling structure to be actively cooled.
Grundsätzlich leiten die Kühlstrukturen die Wärme stets passiv ab, wobei sich gegenüber dem üblichen losen Pulverbett eine bessere Wärmeleitfähigkeit entlang der Kühlstruktur ergibt. Es kann aber auch eine aktive Kühlung über die Kühlstruktur vorgesehen sein, um den Wärmeabtransport zu erhöhen. Beispielsweise können nach einer Ausführungsform die Kühlelemente hohl ausführt sein. In diesem Verfahren werden nur die Umrisse der Struktur aufgeschmolzen, die dann in einer hohlen, mit Pulver gefüllten Form enden. Dieser Hohlraum kann nach Beendigung des Baus mit einem Kühlfluid, beispielsweise einem Kühlmittel befüllt und/oder durchflossen werden, sodass die Kühlstruktur aktiv gekühlt wird. Das Kühlmittel kann dann beispielsweise mit einem Wärmetauscher verbunden werden. Basically, the cooling structures always dissipate the heat passively, resulting in better thermal conductivity along the cooling structure compared to the usual loose powder bed. However, active cooling via the cooling structure can also be provided in order to increase the heat dissipation. For example, according to one embodiment, the cooling elements can be hollow. In this process, only the outline of the structure is melted, which then ends up in a hollow, powder-filled mold. After completion of construction, this cavity can be filled with a cooling fluid, for example a coolant, and/or can flow through it, so that the cooling structure is actively cooled. The coolant can then be connected to a heat exchanger, for example.
Daher ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Kühlstruktur mindestens einen Hohlraum aufweist, durch welchen ein Fluid geleitet werden kann, um aktiv gekühlt wird. It is therefore preferably provided that the cooling structure has at least one cavity through which a fluid can be conducted in order to be actively cooled.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Kühlstruktur zur Ableitung von Wärme aus einem Pulverbett während der additiven Herstellung eines Werkstücks gelöst, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur nicht mit dem Werkstück mit dem Werkstück verbunden ist. The object according to the invention is achieved by a cooling structure for dissipating heat from a powder bed during the additive manufacturing of a workpiece, characterized in that the structure is not connected to the workpiece with the workpiece.
Vorzugsweise ist die Kühlstruktur nicht mit einer Bauplattform oder einer Grundplatte verbunden, sondern ist durch eine bestimmte Anzahl an losen Pulverschichten von anderen Komponenten der Anlage getrennt. Dadurch kann verhindert werden, dass die Wärme auf Komponenten der Anlage in der Prozesskammer abgegeben wird. The cooling structure is preferably not connected to a construction platform or a base plate, but is separated from other components of the system by a certain number of loose powder layers. This can prevent the heat from being given off to components of the system in the process chamber.
Die Kühlstruktur ist bevorzugt nicht mit dem Werkstück verbunden. Dadurch muss das Werkstück nicht nachbearbeitet werden, um Reste der Kühlstruktur an der Werkstoffoberfläche zu entfernen. The cooling structure is preferably not connected to the workpiece. As a result, the workpiece does not have to be reworked in order to remove residues of the cooling structure on the material surface.
Werkstücke, die mit den erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Anlage gefertigt werden, finden unter anderem in der Luft- und Raumfahrt als Turbinenschaufeln, Pumpenräder und Getriebehalterungen in Helikoptern; in der Automobilindustrie als Turboladerräder sowie Radspeichen; in der Medizintechnik als orthopädische Implantate und Prothesen; als Wärmetauscher und im Werkzeug- und Formenbau Anwendung. Workpieces that are manufactured using the method according to the invention and the system according to the invention can be found, inter alia, in the aerospace industry as turbine blades, impellers and transmission mounts in helicopters; in the automotive industry as turbocharger wheels and wheel spokes; in medical technology as orthopedic implants and prostheses; as a heat exchanger and in tool and mold making.
Der pulverförmige Werkstoff kann alle elektrisch leitfähigen, für das Elektronenstrahlverfahren geeigneten Materialien umfassen. Bevorzugte Beispiele sind metallische oder keramische Werkstoffe, insbesondere Titan, Kupfer, Nickel, Aluminium und Legierungen davon, wie z.B. Ti-6AI-4V, eine Legierung aus Titan, 6 wt% Aluminium und 4 wt% Vanadium, Al- SilOMg und Titanaluminide (TiAl). The powdered material can include all electrically conductive materials suitable for the electron beam process. Preferred examples are metallic or ceramic materials, in particular titanium, copper, nickel, aluminum and alloys thereof, such as Ti-6AI-4V, an alloy of titanium, 6 wt% aluminum and 4 wt% vanadium, Al-SilOMg and titanium aluminides (TiAl).
Weitere beispielhafte Werkstoffe sind Nickelbasis-Legierungen wie z.B. NiCr19NbMo, Eisen und Eisenlegierungen, insbesondere Stähle wie Werkzeugstahl und rostfreier Stahl, Kupfer und Legierungen davon, Refraktärmetalle, insbesondere Niob, Molybdän, Wolfram und Legierungen davon, Edelmetalle, insbesondere Gold, Magnesium und Legierungen davon, Kobaltbasis-Legierungen wie z.B. CoCrMo, Hochentropielegierungen wie z.B. AICo- CrFeNi und CoCrFeNiTi, sowie Formgedächtnislegierungen. Further exemplary materials are nickel-based alloys such as NiCr19NbMo, iron and iron alloys, in particular steels such as tool steel and stainless steel, copper and alloys thereof, refractory metals, in particular niobium, molybdenum, tungsten and alloys thereof, precious metals, in particular gold, magnesium and alloys thereof, Cobalt-based alloys such as CoCrMo, high-entropy alloys such as AICo-CrFeNi and CoCrFeNiTi, and shape memory alloys.
Vorzugsweise weist der verwendete pulverförmige Werkstoff eine mittlere Korngröße D50 von 10 pm bis 150 pm auf. The powdery material used preferably has an average grain size D50 of 10 μm to 150 μm.
Hinsichtlich der Anlage wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine Anlage zur additiven Herstellung eines Werkstücks aus einem pulverförmigen Werkstoff gelöst, mit a) einer Vorrichtung zur Aufnahme eines Pulverbetts aus dem zu bearbeitenden pulverförmigen Werkstoff und b) einem Strahlerzeuger, der dazu eingerichtet ist, einen Energiestrahl auf lateral unterschiedliche Orte des Pulverbetts zu richten; wobei c) die Anlage dazu ausgelegt ist, eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen. With regard to the system, the object of the invention is achieved by a system for the additive manufacture of a workpiece from a powdered material, with a) a device for receiving a powder bed made of the powdered material to be processed and b) a beam generator which is set up to emit an energy beam to straighten laterally different locations of the powder bed; wherein c) the plant is designed to carry out one of the methods described above.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Anlage ein Wärmeableitelement aufweist, das nach der Herstellung des Werkstücks mit der Kühlstruktur in Kontakt gebracht werden kann. Provision is preferably made for the system to have a heat dissipation element which can be brought into contact with the cooling structure after the workpiece has been produced.
Dies hat den Vorteil, dass die Wärme auch schneller abgeleitet werden kann, da die Wärme dann an das Wärmeableitelement als eine weitere Wärmesenke in der Kette abgegeben wird. Das Wärmeableitelement kann seinerseits die Wärme wiederum an andere Bauteile der Anlage weiterleiten. Das Kontaktieren kann durch ein Absenken auf die Kühlstruktur, wie beispielsweise ein Aufklappen, oder ein seitliches Aufschieben, beispielsweise eines Metallblocks, geschehen. Das Wärmeableitelement kann ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere größer als 100 Wm'1K'1, wie beispielsweise Kupfer umfassen. This has the advantage that the heat can also be dissipated more quickly, since the heat is then given off to the heat dissipation element as a further heat sink in the chain. The heat dissipation element can in turn conduct the heat to other components of the system. The contacting can be done by lowering onto the cooling structure, such as opening it up, or sliding it on to the side, for example a metal block. The heat dissipation element can comprise a material with high thermal conductivity, in particular greater than 100 Wm' 1 K' 1 , such as copper.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Wärmeableitelement einen Fluidanschluss zur Verbindung mit dem Hohlraum der Kühlstruktur aufweist. Provision is preferably made for the heat dissipation element to have a fluid connection for connection to the cavity of the cooling structure.
Dadurch kann Kühlfluid, beispielsweise ein Gas oder Wasser, durch die Kühlstruktur im Pulverbett geleitet werden und somit eine aktive Kühlung bewirkt werden. As a result, cooling fluid, for example a gas or water, can be conducted through the cooling structure in the powder bed and active cooling can thus be brought about.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen: Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. In these show:
Figur 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anlage mit einem Pulverbehältnis; FIG. 1 shows a schematic view of a system according to the invention with a powder container;
Figur 2 eine Seitenansicht des Pulverbetts während einer additiven Herstellung von Werkstücken und Kühlstrukturen FIG. 2 shows a side view of the powder bed during additive manufacturing of workpieces and cooling structures
Figur 3 eine Seitenansicht des Pulverbetts nach Beendigung der Herstellung von Werkstücken und Kühlstrukturen FIG. 3 shows a side view of the powder bed after the production of workpieces and cooling structures has been completed
Figur 4 eine Seitenansicht des Pulverbetts nach Beendigung der Herstellung von Werkstücken und Kühlstrukturen mit Verzweigungen Figure 4 is a side view of the powder bed after completion of fabrication of work pieces and cooling structures with branches
Figur 5 eine Seitenansicht des Pulverbetts nach Beendigung der Herstellung von Werkstücken und Kühlstrukturen mit vergrößerter Querschnittsfläche in der Abschlussschicht FIG. 5 shows a side view of the powder bed after completion of the production of workpieces and cooling structures with an increased cross-sectional area in the final layer
Figur 6 Ausführungsformen der Kühlstruktur Figur 7 eine Seitenansicht des Pulverbetts nach Beendigung der Herstellung von Werkstücken und Kühlstrukturen, wobei die Abschlussschicht von einer Kühlplatte kontaktiert wird. FIG. 6 embodiments of the cooling structure FIG. 7 shows a side view of the powder bed after the production of workpieces and cooling structures has been completed, the final layer being contacted by a cooling plate.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Figur 1 zeigt eine Elektronenstrahlanlage 10 mit einer Prozesskammer 11, in welcher ein Elektronenstrahlerzeuger 12 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 13 angeordnet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Elektronenstrahlerzeuger 12 mit einer optionalen Ablenkvorrichtung 14, beispielsweise einer Magnetoptikeinheit, oberhalb eines Hubtisches 15 mit einer Hubplatte und mit einem Aufnahmerahmen angeordnet, der als räumlich begrenztes Pulverbehältnis dient, welches ein Pulverbett 20 aus einem zu bearbeitenden pulverförmigen Werkstoff aufnimmt. FIG. 1 shows an electron beam system 10 with a process chamber 11 in which an electron beam generator 12 for generating an electron beam 13 is arranged. In the present exemplary embodiment, the electron beam generator 12 with an optional deflection device 14, for example a magnetic optics unit, is arranged above a lifting table 15 with a lifting plate and with a receiving frame, which serves as a spatially limited powder container which receives a powder bed 20 made of a powdery material to be processed.
Oberhalb des Aufnahmerahmens ist eine Pulverauftragvorrichtung 16 mit einer Rakel (nicht gezeigt) angeordnet, die über den Hubtisch 15 bewegt werden kann. Die Pulverauftragvorrichtung 16 weist einen nicht gezeigten Behälter für den pulverförmigen Werkstoff 20 auf, aus welchem durch eine Verfahrbewegung jeweils als oberste lose Schicht 21 der Werkstoff auf dem Pulverbett 21 eben aufgetragen werden kann. A powder application device 16 with a squeegee (not shown), which can be moved over the lifting table 15, is arranged above the receiving frame. The powder application device 16 has a container (not shown) for the powdered material 20, from which the material can be applied to the powder bed 21 as the uppermost loose layer 21 by a displacement movement.
Die relative Bewegung des Elektronenstrahls 13 zum Pulverbett 20 an lateral unterschiedliche Orte im Pulverbett 20 kann durch Ablenkung des Elektronenstrahls in der Ablenkvorrichtung 14 erfolgen oder durch laterales Verschieben des Hubtisches 15. The movement of the electron beam 13 relative to the powder bed 20 to laterally different locations in the powder bed 20 can take place by deflecting the electron beam in the deflection device 14 or by laterally displacing the lifting table 15.
Ferner befindet sich im Pulverbett 20 eine Grundplatte 17, auf welcher Schicht für Schicht das Werkstück 22 ausgebildet wird. Also located in the powder bed 20 is a base plate 17 on which the workpiece 22 is formed layer by layer.
Eine Steuereinheit 23 ist über eine oder mehrere Signalübertragungsleitungen 24 mit den wesentlichen Komponenten der Elektronenstrahlanlage 10, insbesondere mit dem Elektronenstrahlerzeuger 12 und der Magnetoptikeinheit 14 verbunden, um das gesamte Herstellungsverfahren zu steuern. Figur 2 zeigt das Pulverbett 20 während des additiven Herstellungsprozesses des Werkstücks 22. Dabei ist aus Figur 2 auch ersichtlich, dass häufig je nach Größe des zu erzeugenden Werkstücks 22 und Größe des Bauraums zugleich mehrere Werkstücke 22 hergestellt werden. Die Werkstücke 22 können dabei nicht nur nebeneinander sondern auch übereinander im Pulverbett 20 angeordnet sein. A control unit 23 is connected via one or more signal transmission lines 24 to the essential components of the electron beam system 10, in particular to the electron beam generator 12 and the magneto-optical unit 14, in order to control the entire production process. 2 shows the powder bed 20 during the additive manufacturing process of the workpiece 22. It can also be seen from FIG. The workpieces 22 can be arranged not only next to each other but also one above the other in the powder bed 20 .
Der additive Herstellungsprozess beginnt mit der Aufbringung von Pulverschichten auf der Grundplatte 17. Die Grundplatte 17 befindet sich im Baubehälter über einem bestimmten Volumen an pulverförmigen Werkstoff. Sodann wird hier mit dem Elektronenstrahl 13 der pulverförmige Werkstoff im Pulverbett 20 selektiv an bestimmten lateralen Orten des Pulverbetts 20 zu einer formfesten Querschnittsstruktur verbunden, insbesondere verschmolzen. Durch Wiederholen dieser Abfolge entsteht dann Schicht für Schicht das Werkstück 22 als 3D-Struktur. The additive manufacturing process begins with the application of layers of powder to the base plate 17. The base plate 17 is located in the construction container over a certain volume of powdered material. The powdered material in the powder bed 20 is then selectively connected, in particular fused, here at specific lateral locations of the powder bed 20 with the electron beam 13 to form a dimensionally stable cross-sectional structure. By repeating this sequence, the workpiece 22 is then created layer by layer as a 3D structure.
Insbesondere aus den ersten Pulverschichten können dabei Querschnitte von Stützstrukturen geschmolzen werden. Die Stützstrukturen sind üblicherweise mit der Grundplatte 17 und dem Werkstück 22 verbunden und stabilisieren das spätere Werkstück während der Herstellung. Abhängig vom gewählten Verfahren, Betriebsparametern und Werkstoffen kann der Bau des Werkstücks auch ohne Stützstrukturen direkt auf einer Vielzahl an losen Pulverschichten beginnen. In particular, cross sections of support structures can be melted from the first powder layers. The support structures are usually connected to the base plate 17 and the workpiece 22 and stabilize the subsequent workpiece during manufacture. Depending on the selected process, operating parameters and materials, the construction of the workpiece can also start directly on a large number of loose powder layers without support structures.
Zeitgleich mit der Erzeugung des Werkstücks 22 wird jedoch nicht nur der Querschnitt des Werkstücks 22 geschmolzen, sondern auch der Querschnitt einer oder mehrerer Kühlstrukturen 30. Die Kühlstrukturen 30 können in der gleichen Pulverschicht wie das Werkstück 22 beginnen, in späteren Schichten im Laufe des Aufbaus oder direkt an der Grundplatte. Simultaneously with the creation of the workpiece 22, however, not only the cross-section of the workpiece 22 is melted, but also the cross-section of one or more cooling structures 30. The cooling structures 30 can start in the same layer of powder as the workpiece 22, in later layers during the build-up or directly on the base plate.
Figur 3 zeigt das Pulverbett 20 nach Beendigung des Baus. Um die Darstellung übersichtlicher zu machen, sind sowohl das Pulver als auch der Baubehälter nicht sichtbar. Figure 3 shows the powder bed 20 after construction is complete. To make the display clearer, both the powder and the build container are not visible.
Über den Bauraum verteilt sind Kühlstrukturen 30 angeordnet, um große, schlechter wärmeleitfähigen Pulvervolumina zwischen den Bauteilen zu vermeiden. Die Kühlstrukturen 30 sind möglichst dicht an den Werkstücken 22 positioniert, jedoch ohne diese zu berühren. In der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist eine Kühlstruktur 30 im Wesentlichen stabförmig ausgebildet, wobei der Durchmesser des Stabes gegen Ende des Baus, d.h. im Bauraum nach oben hin, zunimmt. Den größten Durchmesser erreicht die Kühlstruktur 30 in der Abschlussschicht. Die Abschlussschicht ist die letzte aufgetragene und gegebenenfalls teilweise verschmolzene Pulverschicht. Cooling structures 30 are distributed over the installation space in order to avoid large, poorly thermally conductive powder volumes between the components. The cooling structures 30 are positioned as close as possible to the workpieces 22, but without touching them. In the embodiment of the invention shown in FIG. 3, a cooling structure 30 is essentially rod-shaped, with the diameter of the rod increasing towards the end of construction, ie towards the top in the construction space. The cooling structure 30 reaches its greatest diameter in the final layer. The final layer is the last layer of powder applied and possibly partially fused.
Die Kühlstrukturen 30 können je nach zu fertigendem Werkstück 22 aber auch untereinander in einem Bauraum in vielen verschiedenen Formen ausgebildet sein. Depending on the workpiece 22 to be manufactured, however, the cooling structures 30 can also be formed one below the other in a construction space in many different forms.
Beispielsweise zeigt Figur 4 einen fertigen Bau mit einer verzweigten Kühlstruktur 30. Um die Darstellung auch hier übersichtlicher zu machen, sind sowohl das Pulver als auch der Baubehälter nicht sichtbar. For example, FIG. 4 shows a finished construction with a branched cooling structure 30. In order to make the representation clearer here too, neither the powder nor the construction container are visible.
Die einzelne Kühlstruktur 30 kann hier beispielhaft an einer vertikalen Struktur 36 ein oder mehrere insbesondere waagrechte Querbalken aufweisen, sodass Verzweigungen 32 entstehen. Zudem können die Kühlstrukturen 30 mit den vertikalen Strukturen 36 anderer Kühlstrukturen 30 verbunden sein. Die Querbalken können unterschiedlich lang ausgebildet sein, um möglichst nahe an die Kontur der Werkstücke 22 positioniert zu werden, ohne diese direkt zu kontaktieren. Ebenfalls kann die Länge der vertikalen Strukturen 36 variieren. The individual cooling structure 30 can, for example, have one or more, in particular horizontal, crossbeams on a vertical structure 36, so that branches 32 arise. In addition, the cooling structures 30 can be connected to the vertical structures 36 of other cooling structures 30 . The crossbars can be of different lengths in order to be positioned as close as possible to the contour of the workpieces 22 without making direct contact with them. The length of the vertical structures 36 can also vary.
Figur 5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, in der die Kühlstrukturen 30 jeweils durch quadratische Abschlusssegmente 34 abgeschlossen werden. In Figur 5 ist die Abschlussschicht fast vollständig aus den Abschlusssegmenten 34 der Kühlstrukturen 30 ausgebildet. Jedes Abschlusssegment 34 ist mit mindestens einer vertikalen Kühlstruktur 30 verbunden und wird direkt verschmolzen. FIG. 5 shows an exemplary embodiment in which the cooling structures 30 are each terminated by square terminating segments 34 . In FIG. 5 the terminating layer is formed almost completely from the terminating segments 34 of the cooling structures 30 . Each end segment 34 is connected to at least one vertical cooling structure 30 and is directly fused.
Die Dicke des Abschlusssegments 34 ist abhängig von der Geometrie der Werkstücke 22 und vom Werkstoff und besteht aus mindestens einer Schicht des verschmolzenen Pulvers, bevorzugt mehrere, um eine stabile Platte zu erhalten. Die Abschlussschicht wird nicht flächig aufgeschmolzen, da dies zu Problemen beim Entpacken führen würde. Die einzelnen Segmente 34 sind daher von Kanälen aus unverschmolzenem Pulver getrennt. Als Ab- schlussschicht wird die letzte aufgetragene Pulverschicht bezeichnet. Die Form der Abschlusssegmente 34 ist nicht auf Quadrate beschränkt und kann wie in Figur 3 dargestellt auch rund oder von beliebiger Form sein. The thickness of the finishing segment 34 depends on the geometry of the workpieces 22 and the material and consists of at least one layer of the fused powder, preferably several, in order to obtain a stable plate. The final layer is not melted flat, as this would lead to problems when unpacking. The individual segments 34 are therefore separated by channels of unfused powder. As a The last layer of powder applied is referred to as the final layer. The shape of the end segments 34 is not limited to squares and, as shown in FIG. 3, can also be round or of any shape.
Figur 6 zeigt eine den Erfindungsgedanken nicht einschränkende Auswahl an Ausführungsformen der Kühlstrukturen 30. Figure 6 shows a selection of embodiments of the cooling structures 30 that does not restrict the idea of the invention.
Die Figuren 6a) und 6b) zeigen eine stabförmige Kühlstruktur 30 mit rundem Durchschnitt, der nach oben hin größer wird und von einem runden Segment abgeschlossen wird. Das runde Segment kann als Abschlusssegment verwendet werden, oder es kann noch zusätzlich ein Abschlusssegment aufgesetzt werden. FIGS. 6a) and 6b) show a rod-shaped cooling structure 30 with a round cross-section, which becomes larger towards the top and is terminated by a round segment. The round segment can be used as an end segment, or an additional end segment can be attached.
Die Figuren 6c) und 6d) zeigen eine Kühlstruktur 30 mit rechteckigem Durchschnitt und Verzweigungen 32. Figures 6c) and 6d) show a cooling structure 30 with a rectangular cross section and branches 32.
Die in Figur 6e) und 6f) dargestellte Kühlstruktur 30 ist kegelförmig oder kegelstumpfförmig ausgestaltet. The cooling structure 30 shown in FIGS. 6e) and 6f) is designed in the shape of a cone or a truncated cone.
Die Dicke des Querschnitts und die Länge der einzelnen Strukturen können variieren. Beispielsweise kann eine Kühlstruktur 30 auch helixförmig um die Werkstücke 22 herum gebildet sein. The thickness of the cross section and the length of the individual structures can vary. For example, a cooling structure 30 can also be formed helically around the workpieces 22 .
Geeignet sind auch Kühlstrukturen 30, die sich ähnlich wie Baumwurzeln aus verschiedenen Teilen des Pulverbetts 20 zu einem dickeren Strang zusammenschließen. Also suitable are cooling structures 30 which, like tree roots, combine from different parts of the powder bed 20 to form a thicker strand.
Eine oder mehrere Kühlstrukturen 30 können von Abschlusssegmenten 34 begrenzt werden. One or more cooling structures 30 can be bounded by end segments 34 .
Figur 7 zeigt eine Seitenansicht des Pulverbetts 20 nach Beendigung der Herstellung von Werkstücken 22 und Kühlstrukturen 30, wobei die Abschlusssegmente 34 von einer Kühlplatte 38 als Wärmeableitelement kontaktiert wird. FIG. 7 shows a side view of the powder bed 20 after the production of workpieces 22 and cooling structures 30 has been completed, with the closing segments 34 being contacted by a cooling plate 38 as a heat dissipation element.
Die Kühlplatte 38 kann passive Kühlelemente wie Kühlfinnen aufweisen und/oder Kühlkanäle, welche aktiv durch ein Kühlmittel, insbesondere ein Kühlfluid, gekühlt werden. Dazu kann die Kühlplatte 38 kann durch Kühlmittelleitungen an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen sein. The cooling plate 38 can have passive cooling elements such as cooling fins and/or cooling channels, which are actively cooled by a coolant, in particular a cooling fluid. To The cooling plate 38 can be connected to a coolant circuit by coolant lines.
Die Kühlplatte kann aus einem Material mit großer Wärmeleitfähigkeit, insbesondere größer als 200 Wm“1K“1, wie z.B. Kupfer, gefertigt sein. The cooling plate can be made of a material with high thermal conductivity, in particular greater than 200 Wm" 1 K" 1 , such as copper.
Die Kühlplatte 38 kann nach Beendigung des Baus in die evakuierte Prozesskammer eingeschleust werden und auf die Abschlusssegmente 34 aufgesetzt werden. Alternativ kann sich die Kühlplatte 38 bereits in der Kammer befinden und nach Beendigung des Baus auf das Pulverbett 20 abgesenkt oder auf dieses aufgeschoben werden. After completion of construction, the cooling plate 38 can be introduced into the evacuated process chamber and placed on the closing segments 34 . Alternatively, the cooling plate 38 may already be in the chamber and lowered or slid onto the powder bed 20 after the build is complete.
Alternativ kann die Kühlplatte 38 oder die Abschlusssegmente 34 zusätzlich mit Gas gekühlt werden, das in die Prozesskammer eingeleitet wird. Durch die bessere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zum Vakuum kann so der Wärmetransport verbessert werden. Vorzugsweise ist das Gas ein Edelgas, um Reaktionen mit dem pulverförmigen Werkstoff zu vermeiden. Das Gas kann sich in einem Kreislauf befinden und außerhalb der Anlage gekühlt werden. Alternatively, the cooling plate 38 or the end segments 34 can be additionally cooled with gas that is introduced into the process chamber. Due to the better thermal conductivity compared to vacuum, the heat transport can be improved. The gas is preferably an inert gas in order to avoid reactions with the powdered material. The gas can be in a circuit and cooled outside the plant.
Die Kühlstrukturen 30 werden vor oder während des Baus von einer Steuereinheit generiert. Die Form und Lage ist abhängig von einem Modell für eine gewünschte, möglichst optimale Wärmeverteilung und damit verbundene Temperaturverteilung während und/oder nach der Herstellung des Werkstücks 22. The cooling structures 30 are generated by a control unit before or during construction. The shape and position depends on a model for a desired heat distribution that is as optimal as possible and the associated temperature distribution during and/or after the production of the workpiece 22.
Die genaue Struktur der Kühlstruktur 30 kann sogar in Echtzeit während des Herstellungsprozesses beispielsweise anhand fortlaufend gemessener Temperaturen angepasst werden. Referenzzeichen The exact structure of the cooling structure 30 can even be adjusted in real time during the manufacturing process, for example based on continuously measured temperatures. reference sign
10 Elektronenstrahlanlage 10 electron beam system
11 Prozesskammer 11 process chamber
12 Elektronenstrahlerzeuger 13 Elektronenstrahl 12 Electron gun 13 Electron beam
14 Magnetoptikeinheit 14 Magnetic optics unit
15 Hubtisch 15 lifting table
16 Pulverauftragvorrichtung 16 powder application device
17 Grundplatte, Bauplattform 20 Pulverbett 17 base plate, build platform 20 powder bed
21 Oberste Pulverschicht, Abschlussschicht21 Top powder layer, final layer
22 Werkstück 22 workpiece
23 Steuereinheit 23 control unit
24 Signalübertragungsleitungen 30 Kühlstruktur 24 signal transmission lines 30 cooling structure
32 Verzweigung 32 branch
34 Abschlusssegment 34 final segment
36 Vertikale Struktur 36 Vertical structure
38 Kühlplatte 38 cooling plate

Claims

PATENTANSPRÜCHE Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks (22) aus einem pulverförmigen Werkstoff, das folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer Vorrichtung (15, 17) zur Aufnahme eines Pulverbetts (20) aus dem pulverförmigen Werkstoff, insbesondere in einer Vakuum-Prozesskammer (11), und eines Strahlerzeugers (12), der dazu eingerichtet ist, einen Energiestrahl (13) auf lateral unterschiedliche Orte des Pulverbetts (20) zu richten; b) Schichtförmiges Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffes auf das Pulverbett (20); c) Schichtweises Erzeugen des Werkstücks (22) im Pulverbett (20) durch selektives Verbinden des pulverförmigen Werkstoffs mit dem Energiestrahl (13); wobei d) während dem Erzeugen des Werkstücks (22) zusätzlich zum Werkstück (22) eine Kühlstruktur (30) im Pulverbett (20) durch selektives Verbinden des pulverförmigen Werkstoffs mit dem Energiestrahl (13) erzeugt wird, wobei die Kühlstruktur (30) dazu eingerichtet ist, Wärme abzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass e) die Kühlstruktur (30) derart ausgestaltet ist, dass zwischen der Kühlstruktur (30) und der Vorrichtung (15, 17) zur Aufnahme eines Pulverbetts (20) pulverförmiger Werkstoff verbleibt und die Kühlstruktur (30) sich bei Beendigung der Herstellung des Werkstücks (22) bis zu einer obersten Abschlussschicht des Pulverbetts (20) erstreckt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur (30) abhängig von einer gewünschten Wärmeverteilung vorgegeben wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d) das Werkstück (22) und/oder das Pulverbett (20), insbesondere im Vakuum der Vakuum-Prozesskammer (11), abgekühlt werden, indem über die Kühlstruktur (30) Wärme abgeleitet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d) das Werkstück (22) von dem Pulverbett (20) und der Kühlstruktur (30) getrennt wird und das Pulverbett (20) und die Kühlstruktur (30) im Gegensatz zum Werkstück (22) einer systematischen Entsorgung zugeführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur (30) derart ausgestaltet ist, dass zwischen der Kühlstruktur (30) und dem Werkstück (22) pulverförmiger Werkstoff verbleibt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur (30) mehrteilig ausgestaltet ist. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur (30) eine Querschnittsfläche (34) aufweist, die in der Abschlussschicht am größten ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur (30) ein oder mehrere Verzweigungen (32) umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur (30) aktiv gekühlt wird. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur (30) mindestens einen Hohlraum aufweist, durch welchen zur aktiven Kühlung ein Kühlfluid geleitet werden kann. Anlage (10) zur additiven Herstellung eines Werkstücks (22) aus einem pulverförmigen Werkstoff, mit - 19 - a) einer Vorrichtung (15, 17) zur Aufnahme eines Pulverbetts (20) aus dem zu bearbeitenden pulverförmigen Werkstoff und b) einem Strahlerzeuger (12), der dazu eingerichtet ist, einen Energiestrahl (13) auf lateral unterschiedliche Orte des Pulverbetts (20) zu richten; dadurch gekennzeichnet, dass c) die Anlage (10) dazu ausgelegt ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage ein Wärmeableitelement (38) aufweist, das nach der Herstellung des Werkstücks (22) mit der Kühl- Struktur (30) in Kontakt gebracht werden kann. Anlage nach Anspruch 12 in Verbindung mit Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeableitelement (38) einen Fluidanschluss zur Verbindung mit dem Hohlraum der Kühlstruktur (30) aufweist. PATENT CLAIMS Method for the additive manufacturing of a workpiece (22) from a powdered material, comprising the following steps: a) Providing a device (15, 17) for receiving a powder bed (20) made from the powdered material, in particular in a vacuum process chamber (11 ), and a beam generator (12) which is set up to direct an energy beam (13) onto laterally different locations of the powder bed (20); b) applying the powdered material in layers to the powder bed (20); c) creating the workpiece (22) in layers in the powder bed (20) by selectively connecting the powdery material with the energy beam (13); d) during the production of the workpiece (22), in addition to the workpiece (22), a cooling structure (30) is produced in the powder bed (20) by selectively connecting the powdered material to the energy beam (13), the cooling structure (30) being set up for this purpose is to dissipate heat, characterized in that e) the cooling structure (30) is designed in such a way that powdered material remains between the cooling structure (30) and the device (15, 17) for receiving a powder bed (20) and the cooling structure (30 ) at the end of the production of the workpiece (22) extends to an uppermost final layer of the powder bed (20). Method according to Claim 1, characterized in that the cooling structure (30) is specified as a function of a desired heat distribution. Method according to one of the preceding claims, characterized in that after step d) the workpiece (22) and / or the powder bed (20), in particular in the vacuum of the vacuum process chamber (11), are cooled by the cooling structure (30) heat is dissipated. Method according to one of the preceding claims, characterized in that after step d) the workpiece (22) is separated from the powder bed (20) and the cooling structure (30) and the powder bed (20) and the cooling structure (30) in contrast to the workpiece (22) is systematically disposed of. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling structure (30) is designed in such a way that powdery material remains between the cooling structure (30) and the workpiece (22). Method according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling structure (30) is designed in several parts. Method according to Claim 6, characterized in that the cooling structure (30) has a cross-sectional area (34) which is largest in the finishing layer. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling structure (30) comprises one or more branches (32). Method according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling structure (30) is actively cooled. Method according to Claim 9, characterized in that the cooling structure (30) has at least one cavity through which a cooling fluid can be passed for active cooling. System (10) for the additive manufacturing of a workpiece (22) from a powdered material - 19 - a) a device (15, 17) for receiving a powder bed (20) of the powdered material to be processed and b) a beam generator (12) which is set up to project an energy beam (13) onto laterally different locations of the powder bed (20) to judge; characterized in that c) the plant (10) is designed to carry out the method according to any one of claims 1 to 10. Plant according to Claim 11, characterized in that the plant has a heat dissipation element (38) which can be brought into contact with the cooling structure (30) after the production of the workpiece (22). System according to Claim 12 in conjunction with Claim 10, characterized in that the heat dissipation element (38) has a fluid connection for connection to the cavity of the cooling structure (30).
EP21810006.3A 2020-11-13 2021-11-10 Method and system for the additive manufacturing of a workpiece Pending EP4244005A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020129971.0A DE102020129971A1 (en) 2020-11-13 2020-11-13 3D printing - cooling structures
PCT/EP2021/081196 WO2022101246A1 (en) 2020-11-13 2021-11-10 Method and system for the additive manufacturing of a workpiece

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4244005A1 true EP4244005A1 (en) 2023-09-20

Family

ID=78649313

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21810006.3A Pending EP4244005A1 (en) 2020-11-13 2021-11-10 Method and system for the additive manufacturing of a workpiece

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20240009738A1 (en)
EP (1) EP4244005A1 (en)
DE (1) DE102020129971A1 (en)
WO (1) WO2022101246A1 (en)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7521652B2 (en) * 2004-12-07 2009-04-21 3D Systems, Inc. Controlled cooling methods and apparatus for laser sintering part-cake
DE102012216515A1 (en) 2012-09-17 2014-03-20 Evonik Industries Ag Process for the layered production of low-distortion three-dimensional objects by means of cooling elements
DE102013212620A1 (en) * 2013-06-28 2014-12-31 Trumpf Gmbh + Co. Kg Method and machine for generating a three-dimensional component by selective laser melting
DE102017110651B4 (en) 2017-05-16 2021-02-18 Ald Vacuum Technologies Gmbh Process for additive manufacturing of workpieces
US20210060922A1 (en) * 2019-08-27 2021-03-04 Delavan Inc. Temperature control for additive manufacturing
DE102020104381A1 (en) 2020-02-19 2021-08-19 Pro-Beam Gmbh & Co. Kgaa Electron beam system and process for additive manufacturing of a workpiece

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022101246A1 (en) 2022-05-19
US20240009738A1 (en) 2024-01-11
DE102020129971A1 (en) 2022-05-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3013502B1 (en) Method and processing machine for creating a three-dimensional component by selective laser melting
EP2794152B1 (en) Method for manufacturing a compact component, and component that can be produced by means of the method
DE102009034566B4 (en) Method for producing a tank for fuel
EP2886226A2 (en) Exposure in generative production
DE102016208196B4 (en) Method for the generative production of three-dimensional composite components
DE102011101369A1 (en) Method of making, repairing or replacing a component
EP2493643A1 (en) Method and device for producing a component of a turbomachine
CH705662A1 (en) Process for producing articles of a solidified by gamma-prime nickel-base superalloy excretion by selective laser melting (SLM).
EP2384882A1 (en) Method for generative creation of a three dimensional object with spatial elements and method for producing a corresponding data set
WO2002060635A1 (en) Method and device for the selective laser sintering of metallic substances
EP2502730A1 (en) Device and method for manufacturing a component layer by layer
DE102016113246A1 (en) Method and device for producing a metallic material mixture in additive manufacturing
DE102018120015A1 (en) 3D metal printing process and arrangement for such
EP3682988A1 (en) Method for producing rotor blades from ni base alloys and rotor blade produced according to said method
DE102017125597A1 (en) 3D metal printing method and arrangement for such
EP4106939A1 (en) Electron beam system, and method for the additive manufacture of a workpiece
EP3381593B1 (en) Method for selective beam-based melting or sintering
DE102017110651B4 (en) Process for additive manufacturing of workpieces
EP2952276A1 (en) Method for the heat treatment of a workpiece made from a nickel based alloy
EP4244005A1 (en) Method and system for the additive manufacturing of a workpiece
EP2343143A2 (en) Method for producing components from refractory metals
EP3459656A1 (en) Method and device for additive production of a component
DE102018203877A1 (en) METHOD FOR GENERATIVELY MANUFACTURING COMPONENTS FROM MATERIAL-HARDENED MATERIALS
DE102018206147A1 (en) Additive manufacturing process
EP3423220B1 (en) Method and device for the additive manufacture of workpieces

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20230613

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)