Verfahren zum schnellen Inertisieren einer Kannnner einer Maschine zur additiven
Fertigung von Bauteilen und zugehörige Maschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Inertisieren einer Kammer einer Maschine zur additiven Fertigung von Bauteilen, insbesondere einer LMF(Laser Metal Fusion)- oder SLS(Selective Laser Melting)-Maschine, sowie auch eine zugehörige Maschine zur additiven Fertigung von Bauteilen. Eine derartige Maschine ist bei- spielsweise in EP 3 023 228 A1 beschrieben.
In Maschinen zur additiven Fertigung von Bauteilen werden reaktive Materialien verarbeitet, indem in einer Bau- oder Prozesskammer eine Pulverschicht (Metall, Keramik, Thermoplaste) auf eine Substratplatte aufgebracht und mit einem Laser-
strahl verfestigt wird. Wird die Pulverschicht mit dem Laserstrahl geschmolzen, spricht man von Laser Metal Fusion (LMF) oder Selective Laser Melting (SLM). Wird die Pulverschicht mit dem Laserstrahl nur gesintert, spricht man von
Selective Laser Sintering (SLS). Anschließend wird die Substratplatte um eine Pulverschichtdicke abgesenkt und eine neue Pulverschicht aufgebracht und erneut verfestigt, bis ein 3-dimensionales Bauteil gefertigt wurde.
Bei reaktiven Materialien in Form von leicht oxidierbaren und brennbaren Metallstäuben wird üblicherweise nach dem Schließen der Maschine ein unter Über- druck stehendes Inertgas, z.B. Stickstoff oder Argon, durch die Prozesskammer geleitet („Inertisierung"), so dass aufgrund des Überdrucks keine Verunreinigungen von außen in die Prozesskammer eindringen können. Der Sauerstoffgehalt und ggfs. auch der Anteil anderer Verunreinigungen (Wasser, organische Reste) in der Prozesskammer wird durch Verdrängung allmählich soweit„verdünnt", bis mit dem Laserstrahl gefahrlos mit dem Aufschmelzen begonnen werden kann, ohne dass es zu unerwünschten Reaktionen des Pulvers, wie z.B. zu einer Explosion oder zu einer Fortpflanzung einer Verbrennung, kommt, was zu einer Störung des Prozesses führen kann, verbunden mit Einbußen in der Bauteilqualität bis hin zum Ausschuss. Dieser Verdünnungsvorgang hat allerdings den Nachteil, dass er sehr lange dauert, da durch das einströmende Inertgas nicht nur reaktives Gas, sondern auch bereits in der Prozesskammer vorhandenes Inertgas verdrängt wird.
Der heutige LMF-Bauprozess erfordert eine definierte Schutzgasatmosphäre (z.B. 02- oder H2O-Gehalt). Die Inertisierung erfolgt heute fast ausschließlich in der Maschinenhauptzeit. Mit zunehmender Forderung nach hoher Schutzgas-Qualität (z.B. Rest-O2-Gehalt < 50 ppm) und größeren Bauräumen erhöht sich die Ma- schinenrüst- bzw. -Stillstandzeit aufgrund der Dauer für die Inertisierung exponen- tiell. Konzeptbedingt werden die Maschinen beim Baujob-Wechsel regelmäßig geöffnet, wodurch sich die Kammern mit Luft füllen. Die Inertisierung erfolgt durch stetige Schutzgaszufuhr und Überwachung der Regelgrößen für die Atmosphäre (z.B. O2-Gehalt), bis der Zielwert in der Kammer erreicht ist. Dabei besteht die Gefahr, dass Bereiche der Maschine (z.B. angedockter Überlaufbehälter) strömungsbedingt nicht ausreichend inertisiert werden und Luftmassen aus "toten"
Zonen ggf. erst im Prozess (durch Verdrängung durch Pulver) in Bewegung geraten und den Bauprozess stören.
Um die Inertisierung der Prozesskammer zu beschleunigen, ist es bekannt, vor der Inertisierung an die Prozesskammer Vakuum anzulegen. Dies hat den Vorteil, dass reaktive Gase sehr schnell aus der Prozesskammer entfernt werden und nach dem anschließenden Befüllen der Prozesskammer mit Inertgas nur noch einen sehr geringen Anteil ausmachen. Dieser Vorgang lässt sich wiederholen, um den Anteil an reaktiven Gasen noch weiter zu verringern. Durch einen leichten Überdruck des Inertgases kann das Eindringen von Verunreinigungen von außen in die inertisierte Prozesskammer verhindert werden. Dies spart Schutzgas und Zeit beim Herstellen der inerten Atmosphäre in der Prozesskammer, hat jedoch den Nachteil, dass die Maschine sowohl für Drücke nahe 0 bar als auch für einen leichten Atmosphärenüberdruck ausgelegt werden muss. Das Vakuumisieren der Prozesskammer ist zwar deutlich effizienter als das bloße Fluten mit Inertgas, aber ggf. immer noch sehr zeitaufwendig.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zum schnellen und gassparenden Inertisieren einer Kammer der Maschine anzugeben, ohne dass die Kammer für größere Unterdrücke ausgelegt werden muss.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Inertisieren einer Kammer einer Maschine zur additiven Fertigung von Bauteilen, insbesonde- re einer LMF- oder SLS-Maschine, mit folgenden Verfahrensschritten:
a. Expandieren eines Expansionskörpers in der Kammer bei einem geöffneten Kammerauslass durch Befüllen des Expansionskörpers mit einem Druckfluid, um das in der Kammer befindliche Gasvolumen zumindest teilweise, insbesondere vollständig, durch den Kammerauslass aus der Kammer zu verdrängen; und
b. anschließend Befüllen der Kammer mit einem Inertgas durch einen geöffneten Kammereinlass bei gleichzeitigem Entleeren (Inflation) des Expansionskörpers.
Anstatt die in der Prozesskammer vorhandene Atmosphäre zeitaufwendig mit Inertgas soweit zu verdünnen, bis ein vorgegebener Sauerstoffgehalt erreicht ist, wird erfindungsgemäß ein flexibler, gasdichter Expansionskörper, wie z.B. ein Ballon oder Balg, in der Kammer aufgeblasen, bis er nahezu das gesamte, in der Kammer vorhandene freie Volumen ausfüllt und so die verunreinigte bzw. oxidie- rende Atmosphäre fast vollständig durch den Kammerauslass aus der Kammer verdrängt hat. Anschließend wird die Kammer mit Inertgas befüllt und der Expansionskörper entleert, so dass nur noch eine geringe Menge reaktiver Gase/ Verunreinigungen in der Kammer vorhanden ist. Wie im Falle von Vakuum kann dieser Vorgang ein- oder mehrmals wiederholt werden, um den Anteil an reaktiven Gasen in der Kammer immer weiter zu reduzieren. Das Expandieren des Expansionskörpers erfolgt am einfachsten durch Befüllen mit Druckluft oder Inertgas. Vorzugsweise sind der Kammereinlass und der Kammerauslass mit Ventilen ausgestattet, die von einer Maschinensteuerung entsprechend angesteuert werden.
Das erfindungsgemäße Inertisierungsverfahren hat gegenüber den herkömmlichen Verfahren insbesondere die folgenden Vorteile:
- kürzere Inertisierungsdauer und dadurch reduzierte Rüst- bzw. Nebenzeiten;
- geringerer Inertgasverbrauch;
- einfaches Monitoring ohne aufwendige O2-Sensorik in der Kammer;
- Inertisierung schlecht zugänglicher Maschinenbereiche (z.B. Überlaufbehälter) effizient und unabhängig von der Füllhöhe des Pulvers in der Kammer.
Bevorzugt erfolgt das Befüllen der Kammer mit dem Inertgas bei geschlossenem Kammerauslass, wobei die Befüllung der Kammer mit Inertgas und die Entleerung des Expansionskörpers entsprechend gegenläufig erfolgen. Aufgrund des geschlossenen Kammerauslasses kann der in der Kammer aufgebaute Inertgas- Überdruck dann während der gesamten Prozessdauer gehalten werden.
Alternativ kann das Befüllen der Kammer mit dem Inertgas auch bei geöffnetem Kammerauslass erfolgen, solange das Inertgas in der Kammer stets unter Überdruck steht.
Insbesondere um den Expansionskörper vor zu hohen Temperaturen in der Kammer zu schützen und die Schutzgasströmung während des Prozesses nicht zu beeinflussen, verbleibt der Expansionskörper nicht dauerhaft in der Kammer, sondern ist in seiner nicht-expandierten Ausgangsstellung vorteilhaft außerhalb der eigentlichen Kammer untergebracht, z.B. in einem zur Kammer hin offenen Verstauraum, der mit einer Abdeckung von der Kammer abgesperrt werden kann. Durch Befüllen mit dem Druckfluid kann der Expansionskörper aus dem Verstauraum in die Kammer hinein expandiert werden. Nachdem die Kammer mit Inertgas gefüllt und der entleerte Expansionskörper durch das einströmende Inertgas oder manuell über Handschuheingriffe wieder im Verstauraum untergebracht worden ist, kann der Verstauraum wieder mit der Abdeckung verschlossen werden. Ohne aufwendiges Monitoring ist die Kammer vollständig inertisiert, wenn der Expansionskörper wieder entleert worden ist. Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Maschine zur additiven Fertigung von Bauteilen, insbesondere LMF- oder SLS-Maschine, mit einer inertierbaren Kammer, die eine Einlassöffnung für Inertgas und eine Auslassöff- nung aufweist, wobei die Maschine erfindungsgemäß einen mit einem Druckfluid befüllbaren, in der Kammer expandierbaren Expansionskörper aufweist, der in einer in der Kammer expandierten Stellung das in der Kammer vorhandene freie Volumen zumindest teilweise, insbesondere vollständig ausfüllt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fign. 1 a-1 c schematisch die Prozesskammer einer LMF-Maschine zur additiven Fertigung von Bauteilen mit einem Expansionskörper, der in
Fig. 1 a in einer nicht-expandierten Ausgangsstellung, in Fig. 1 b in einer expandierten Endstellung und in Fig. 1 c in einer teilexpandierten Zwischenstellung gezeigt ist.
Die in Fign. 1a-1c gezeigte LMF-Maschine 1 dient zur additiven Fertigung von Bauteilen und umfasst eine inertisierbare Prozesskannnner 2 mit einer Einlassöffnung 3 für Inertgas und mit einer Auslassöffnung 4. In der Prozesskammer 2 wird eine Pulverschicht (Metall, Keramik, Thermoplaste) auf eine Substratplatte 5 auf- gebracht und mit einem Laserstrahl (nicht gezeigt) geschmolzen und dadurch verfestigt. Anschließend wird die Substratplatte 5 um eine Pulverschichtdicke abgesenkt und eine neue Pulverschicht aufgebracht und erneut verfestigt, bis ein 3- dimensionales Bauteil gefertigt wurde. Aufgrund der reaktiven Pulvermaterialien in Form von leicht oxidierbaren und brennbaren Metallstäuben muss die Prozesskammer 2 vor dem Schichtaufbau- prozess inertisiert werden, also mit einem unter Überdruck stehenden Inertgas (z.B. Stickstoff oder Argon) gefüllt werden, so dass es zu keinen unerwünschten Reaktionen des Pulvers kommen kann und aufgrund des Überdrucks keine Verun- reinigungen von außen in die Prozesskammer 2 eindringen können. Diese
Inertisierung erfolgt in der Maschinennebenzeit.
Die Einlassöffnung 3 ist über ein Einlassventil 6 an eine Inertgasleitung 7 und die Auslassöffnung 4 über ein Auslassventil 8 an die Atmosphäre 9 angeschlossen. Weiterhin weist die Maschine 1 einen gasdichten Expansionskörper 10 auf, der in Fig. 1 a in seiner nicht-expandierten Ausgangsstellung und in Fig. 1 b in seiner expandierten Endstellung gezeigt ist. Statt wie im gezeigten Ausführungsbeispiel als Ballon kann der Expansionskörper 10 auch als ein Balg ausgeführt sein. Der Expansionskörper 10 kann über ein 3/2-Wege-Umschaltventil 11 entweder an eine Druckluftleitung 12 (bzw. an die Inertgasleitung 7) oder mit der Atmosphäre 9 verbunden werden.
In der Ausgangsstellung ist der nicht-expandierte Expansionskörper 10 außerhalb der Prozesskammer 2 in einem Verstauraum 13 untergebracht, der sich über eine
Kammeröffnung 14 in die Prozesskammer 2 öffnet. In Fig. 1 a ist die Kammeröffnung 14 durch eine Abdeckung 15 verschlossen.
Zum schnellen und gassparenden Inertisieren der Prozesskammer 2 wird wie folgt vorgegangen:
Die Abdeckung 15 wird entfernt, und zwar manuell über Handschuheingriffe oder im Fall einer motorangetriebenen Abdeckung durch Ansteuern des Motors. Bei geschlossenem Einlassventil 6 und bei geöffnetem Auslassventil 8 wird durch Be- tätigen des Umschaltventils 1 1 der Expansionskörper 10 an die Druckluftleitung 12 angeschlossen und mit Druckluft 16 befüllt. Dadurch wird der Expansionskörper 10 durch die Kammeröffnung 14 hindurch in die Prozesskammer 2 hinein expandiert, bis das in der Prozesskammer 2 befindliche Gasvolumen durch den Kam- merauslass 4 aus der Prozesskammer 2 nahezu vollständig verdrängt ist (Fig. 1 b). Bei der Konstruktion der Prozesskammer 2 wird bevorzugt auf scharfe Kanten verzichtet, bspw. am Pulverbeschichter, an der Einlassöffnung 3 und der Auslassöffnung 4 oder am Übergang zum Überlaufbehälter oder zur Substratplatte 5. Dann wird das Auslassventil 8 geschlossen und das Einlassventil 6 geöffnet, wodurch die Prozesskammer 2 an die Inertgasleitung 7 angeschlossen ist und mit Inertgas 17 befüllt wird. Gleichzeitig wird durch Betätigen des Umschaltventils 1 1 der Expansionskörper 10 mit der Atmosphäre 9 verbunden und dadurch entleert (Fig. 1 c). Wenn der Expansionskörper 10 vollständig entleert ist, ist der
Inertisierungsvorgang abgeschlossen, und die Prozesskammer 2 ist vollständig mit dem unter leichtem Überdruck p stehenden Inertgas 17 gefüllt. Durch das ein- geströmte Inertgas 17 oder manuell über Handschuheingriffe (nicht gezeigt) wird der entleerte Expansionskörper 10 wieder im Verstauraum 13 untergebracht. Abschließend wird die Kammeröffnung 14 wieder mit der Abdeckung 15 manuell oder motorisch verschlossen. Die Ansteuerung der einzelnen Ventile 6, 8, 1 1 erfolgt bevorzugt automatisiert mittels einer Maschinensteuerung, kann aber prinzipiell auch manuell erfolgen.