WO2019086379A1 - 3d-metalldruckverfahren und anordnung für ein solches - Google Patents

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Kai BÄR
Andreas Geitner
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a 3D metal printing method for producing a spatial metal product substantially from a metal powder or
  • Metal filaments wherein the metal product is layered by applying starting material layers to a respective pre-formed layer and selectively locally heating predetermined points of the layer over a sintered or non-woven layer
  • additive manufacturing or “3D printing”. These methods are based in part on melting and solidification steps, and then include selective local heating of previously applied layers of material, also referred to herein as “spot-wise” or “point-wise” heating.
  • spot-wise or “point-wise” heating.
  • metal products in particular from relatively high-melting Metals, such as titanium, are usually coordinate-controlled over the
  • Delaying baked powder or filament portions of the finished product also requires effort and often leaves an undesirably uneven product surface.
  • baked starting material can not readily be recovered and used for the production of further products, so that the utilization of the starting material in such processes leaves something to be desired.
  • the finished products must be subjected to a subsequent thermal treatment (tempering, annealing) for de-stressing due to the punctiform thermal stresses that have occurred in the production process.
  • a subsequent thermal treatment titanium, annealing
  • this takes considerable time and thus seriously reduces the productivity of the laser-based processes.
  • Eletron beam method (EBM method) require high expenditure on equipment and are economically used only for products with relatively small dimensions and therefore still not widely used. In them, usually a pre-heating of the uppermost material layer before local melting by means of a "stochastic" scanning of the entire surface with the
  • Electron beam which further increases the apparatus and control effort and also significantly prolongs the production time of the product.
  • the invention is based on the object to provide an improved method of the generic type and an arrangement for its implementation, with which a high productivity, economical use of material and moderate energy consumption and thus overall reduced product costs
  • a further idea of the invention is at least one of the two by the use of a radiation with a relatively low penetration depth, namely of near IR radiation (NIR radiation), in particular with a maximum radiation density in the wavelength range between 0.8 and 1.5 ⁇ to achieve.
  • NIR radiation near IR radiation
  • the metal powder used is an aluminum, stainless steel or titanium powder or also refractory metal powder or powder of alloys with these metals.
  • the process can also be carried out with starting materials of filament form or else as granules.
  • the near IR radiation is sequentially sectioned into sections of the total area of the respective starting material layer
  • the power density of the surface or "migratory" irradiated near IR radiation is above 1 MW / m 2 , and it is as near IR radiation, the radiation at least one in
  • Halogen lamps with a radiator temperature of up to 3200 K, in particular in the range of 2900 K to 3200 K used.
  • selective local heating of predetermined points for sintering and tempering is accomplished by scanning the starting material layer with a
  • Electron or laser beam causes.
  • a preheating temperature selected as a function of the melting temperature and further parameters of the metal or alloy to be processed, in particular in the range between 600 and 1100 ° C., more particularly of 700 and 1000 ° C. and in particular by a time and / or
  • Radiation density control of the surface irradiation of the near IR radiation is regulated.
  • the structure of the overall arrangement largely corresponds to the known SD printer, whose function is based on the sequential local melting of layered metal powders or filaments
  • This device has an NIR irradiation device for irradiation of near IR radiation, in particular with a radiation density maximum in the wavelength range between 0.1 and 1.5 pm, with high power density on a predetermined area in the area of the work table.
  • the IR irradiation device can have a smaller base area than the work table and can also be positioned obliquely above it or even laterally therefrom.
  • the NIR irradiation device When using the present invention in the context of the EBM method, which is carried out in a high vacuum, the NIR irradiation device
  • the NIR irradiation device has at least one linear halogen radiator, in particular a plurality of halogen radiators, with a reflector assigned in such a way that the radiation of the or each infrared radiator is concentrated in the direction of the work table.
  • the IR irradiation device may also be an array of high performance NIR
  • Laser diodes include, and in such an embodiment can be largely dispensed with special reflectors.
  • the plurality of halogen lamps with associated reflector are mounted in a position-controlled manner over the work table in position-controlled manner in at least one axial direction of an XY plane.
  • Execution serves to realize a process control in which the preheating is carried out in each case only for a concrete part surface section of the metal product which is to be processed, and this region "wanders" over the surface to be processed
  • the majority of halogen lamps with associated reflector is mounted stationary or possibly height adjustable on the work table.
  • the means for effecting selective local heating of predetermined points may be a pre-applied one
  • Starting material layer have an electron beam gun or a laser with downstream scanner for pointwise irradiation of near NIR radiation or visible light in the long-wavelength region to the predetermined points.
  • the invention thus provides, at least in certain embodiments, several significant advantages over prior art methods.
  • the heating essentially allows only the last one
  • the invention further provides the advantages of a substantial time and cost savings through the extensive Elimination of such support structures and thus the elimination of post-processing steps to their removal. Equally serious is the time gain and thus resulting productivity advantage by eliminating or at least shortening a total thermal post-processing of the finished product for stress relief.
  • FIG. 1 is a schematic representation, in the manner of a longitudinal sectional view, an arrangement and a method according to an embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation, in the manner of a longitudinal sectional view, an arrangement and a method according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 3 is a schematic representation, in the manner of a longitudinal sectional view, an arrangement and a method according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a sketch of an arrangement 100 for the additive production of a (still incompletely shown here) spatial metal product P, which by means of
  • the arrangement comprises a work table 103, on the layer by layer
  • Metal powder bed 101 applied and the metal product P is formed.
  • the work table 103 is vertically movable to keep the surface of the metal powder bed 101 at the same height level, despite its height increasing with the layer application.
  • Powder application device for supplying metal powder in the actual work area comprises a punch 105 which is vertically movable in the direction of arrow B, ie in the opposite direction to the arrow A, and a powder applicator roll 107 which is movable in the direction of arrow C and on the punch 105 as Stockpiled metal powder 109 each in individual layers predetermined thickness in the work area (ie in the figure to the right in the powder bed 101) moves.
  • an NIR radiation source III which in the example is formed by a single halogen lamp purple and an associated reflector 111b.
  • the NIR radiation source 111 is, as symbolized by the arrows Dl and D2, laterally movable back and forth over the powder bed 101 and used for pre-heating of the respective irradiated portions of the powder bed to a temperature below a sintering or melting temperature of
  • Metal powder optionally, it also serves for thermal aftertreatment
  • the NIR radiation source 111 can also comprise a plurality of halogen lamps with a correspondingly shaped reflector.
  • a commercial processing laser 113 which in view of the
  • this step can be replaced by stationary or "traveling" irradiation of the uppermost material layer with NIR radiation.
  • the metal powder 109 remains in those places where it was not heated above the sintering or melting temperature, in the powder state and after being removed from the worktable, falls off or may be washed out of the metal product P.
  • Fig. 2 shows a largely similar to the arrangement 100 of FIG
  • a stationary NIR irradiation device 111 is provided here with a simple large-area reflector 111b and a row of halogen lamps 1a arranged underneath. It is understood that the relative arrangement of laser 113 and scanner 115 on the one hand and the NIR irradiation device 111 is to be determined in such a way that the radiation from both radiation sources can pass unhindered onto the entire surface of the powder bed 101 to be processed.
  • Fig. 3 shows an arrangement 100 "similar in part to the arrangement of Fig. 1. Again, the parts corresponding to Fig. 1 are designated by the same reference numerals as there.
  • the arrangement 100 is configured as an EBM processing arrangement, i. In place of a processing laser and associated scanner, a cathode ray tube 113 "with associated coordinate-controlled deflection unit 115" occurs here.
  • the deflection unit 115 "directs an electron beam E generated by the electron beam tube 113 to arbitrary, by manufacturing drawings of the
  • the power of the electron beam E and thus the temperature attainable at the point of impact can be controlled almost without inertia Among other things, the precise T-controlled execution of sintering or melting steps on the one hand and subsequent tempering steps of the applied metal layer
  • the NIR radiation source 111 housed, which is associated with a vacuum generator 119 for generating a high vacuum in the vacuum chamber during the manufacturing process of a product.
  • a vacuum generator 119 for generating a high vacuum in the vacuum chamber during the manufacturing process of a product.
  • the NIR radiation source III it is considered advantageous to also place the NIR radiation source III in the vacuum chamber 117;
  • the radiator module could also be arranged outside the vacuum chamber and the NIR radiation could be directed onto the product surface through an NIR-permeable window and, if appropriate, corresponding mirrors.
  • the embodiment of the invention is also in a variety of

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Abstract

3D-Metalldruckverfahren zur Herstellung eines räumlichen Metallprodukts im Wesentlichen aus einem Metallpulver oder Metallfilamenten, wobei das Pulver bzw. die Filamente schichtweise durch Aufbringen von Ausgangsmaterial-Lagen auf eine jeweils vorab erzeugte Schicht und selektive lokale Erhitzung vorgegebener Punkte der Lage über eine Sinter- oder Schmelztemperatur des Pulvers und Versinterung oder Verschmelzung der aufgeschmolzenen Punkte mit der darunterliegenden Schicht und optionales Tempern der Punkte aufgebaut wird/werden bzw. werden, wobei die jeweils neu aufgebrachte Ausgangsmaterial-Lage und optional mindestens eine darunterliegende Schicht durch flächige oder wandernde Einstrahlung von naher IR-Strahlung, insbesondere mit einem Strahlungsdichtemaximum im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 und 1,5 μm, auf eine Temperatur mit vorbestimmter Differenz zur Schmelztemperatur vor-erwärmt und/oder im Anschluss an die lokale Erhitzung vorgegebener Punkte zum thermischen Spannungsausgleich nach-behandelt wird.

Description

3D-Metalldruckverfahren und Anordnung für ein solches
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein 3D-Metalldruckverfahren zur Herstellung eines räumlichen Metallprodukts im Wesentlichen aus einem Metallpulver oder
Metallfilamenten, wobei das Metallprodukt schichtweise durch Aufbringen von Ausgangsmaterial-Lagen auf eine jeweils vorab erzeugte Schicht und selektive lokale Erhitzung vorgegebener Punkte der Lage über eine Sinter- oder
Schmelztemperatur und Versinterung oder Verschmelzung der aufgeschmolzenen Punkte mit der darunterliegenden Schicht und darauffolgendes Tempern
(Annealing) an den entsprechenden Punkten aufgebaut wird und wobei eine VorErwärmung des vorhandenen Teil-Metallproduktes und/oder eine thermische Nachbehandlung vorgenommen wird. Sie betrifft des Weiteren eine Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von Verfahren zum schichtweisen Aufbau räumlicher Metallprodukte entwickelt, die unter den Begriffen„additive Fertigung" oder„3D-Druck" zusammengefasst werden. Diese Verfahren beruhen teilweise auf Schmelz- und Erstarrungsschritten und schließen dann eine selektive lokale Erhitzung von vorher aufgebrachten Material-Lagen ein, die hier auch als „punktweise" oder„punktweise abtastende" Erhitzung bezeichnet wird. Zur Herstellung von Metallprodukten insbesondere aus relativ hochschmelzenden Metallen, wie Titan, wird üblicherweise ein koordinatengesteuert über den
Material-Lagen verfahrbarer Laserstrahl oder Elektronenstrahl eingesetzt.
In der Praxis dominieren Laserstrahl-Verfahren, die sich wegen der erforderlichen hohen Temperaturen zum lokalen Aufschmelzen der obersten Schicht des im Aufbau befindlichen Produkts eines energiereichen Laserstrahls bedienen müssen. Wegen der dabei in der obersten Schicht entstehenden Erweichungen und thermischen Spannungen sind, je nach Produktgeometrie, teilweise komplexe Stützstrukturen erforderlich, die vom fertigen Produkt aufwändig wieder entfernt werden müssen. Die hohen Temperaturen führen zudem zu einem unerwünschten „Verbacken" (Cakes) des Ausgangsmaterial-Pulvers bzw. der Ausgangsmaterial- Filamente außerhalb der Kontur des herzustellenden Produkts. Solche
verbackenen Pulver- bzw. Filament-Portionen vom fertigen Produkt abzulösen, erfordert ebenfalls Aufwand und hinterlässt vielfach eine unerwünscht unebene Produktoberfläche. Verbackenes Ausgangsmaterial kann zudem nicht ohne weiteres zurückgewonnen und zur Herstellung weiterer Produkte genutzt werden, so dass die Ausnutzung des Ausgangsmaterials bei solchen Verfahren zu wünschen übrig lässt.
In der Regel müssen die fertigen Produkte aufgrund der im Herstellungsprozess aufgetretenen punktuellen thermischen Belastungen einer nachfolgenden thermischen Behandlung (Tempern, Annealing) zum Spannungsfrei-Machen unterzogen werden. Dies nimmt, je nach Produktgröße und -geometrie, erhebliche Zeit in Anspruch und verringert damit gravierend die Produktivität der laserbasierten Verfahren.
Eletronenstrahl-Verfahren (EBM-Verfahren) erfordern hohen apparativen Aufwand und sind wirtschaftlich nur für Produkte mit relativ geringen Abmessungen einsetzbar und daher noch wenig verbreitet. Bei ihnen erfolgt üblicherweise eine Vor-Erwärmung der obersten Materiallage vor dem lokalen Aufschmelzen mittels einer„stochastischen" Abrasterung der gesamten Oberfläche mit dem
Elektronenstrahl, was den apparativen und Steuerungs-Aufwand weiter erhöht und im Übrigen auch die Herstellungszeit des Produkts erheblich verlängert.
Andererseits treten hier thermische Spannungen deutlich weniger ausgeprägt auf, und die oben erwähnten Maßnahmen zu deren Beherrschung bzw. Beseitigung ihrer Folgen entfallen weitgehend. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren der gattungsgemäßen Art und eine Anordnung für dessen Durchführung anzugeben, mit denen eine hohe Produktivität, sparsame Materialausnutzung und moderater Energieverbrauch und somit insgesamt verringerte Produktkosten bei
gleichzeitiger Erfüllung hoher Qualitätsanforderungen erreicht werden können.
Diese Aufgabe wird in ihrem Verfahrensaspekt durch ein 3D-Metalldruckverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und in ihrem Vorrichtungsaspekt durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Zweckmäßige
Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
Es ist ein Gedanke der vorliegenden Erfindung, eine Vor-Erwärmung vor dem lokalen,„punktweisen" Aufschmelzen neu aufgetragener Material-Lagen nur in den tatsächlich zu bearbeitenden Bereichen (Schichten) des entstehenden Metallprodukts zu vorzunehmen. Gemäß einem relativ unabhängigen Aspekt der Erfindung wird eine thermische Nachbehandlung unmittelbar nach dem lokalen Aufschmelzen gleichermaßen bereichs- bzw. schichtweise vorgenommen. Ein weiterer Gedanke der Erfindung ist es, mindestens eines von beiden durch den Einsatz einer Strahlung mit relativ geringer Eindringtiefe, nämlich von naher IR- Strahlung (NIR-Strahlung), insbesondere mit einem Strahlungsdichtemaximum im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 und 1,5 μιτι, zu erreichen.
In praktisch bedeutsamen Ausführungen wird als Metallpulver ein Aluminium-, Edelstahl-, oder Titanpulver oder auch Refraktärmetall-Pulver bzw. Pulver aus Legierungen mit diesen Metallen eingesetzt. Grundsätzlich kann das Verfahren aber auch mit Ausgangsmaterialien Filament-Form oder auch als Granulat, ausgeführt werden.
In einer Ausführung wird die nahe IR-Strahlung sequentiell abschnittsweise in Teilabschnitte der Gesamtfläche der jeweiligen Ausgangsmaterial-Lage
eingestrahlt, wobei die selektive lokale Erhitzung über die Sinter- oder
Schmelztemperatur jeweils für vorgegebene Punkte innerhalb eines vorerwärmten Teilabschnittes vorgenommen wird. Die Vor-Erwärmung oder
Spannungsreduzierende flächige Nach-Heizung„wandert" also gewissermaßen vorbereitend und begleitend mit der lokalen Erhitzung über die Sinter- oder Schmelztemperatur über die Oberfläche der jeweils zu behandelnden Material- Lage hinweg.
In zweckmäßigen Ausgestaltungen des Verfahrens liegt die Leistungsdichte der flächig oder„wandernd" eingestrahlten nahen IR-Strahlung oberhalb lMW/m2, und es wird als nahe IR-Strahlung die Strahlung mindestens eines im
wesentlichen linearen Halogenstrahlers, insbesondere einer Mehrzahl von
Halogenstrahlern, mit einer Strahlertemperatur von bis zu 3200 K, insbesondere im Bereich von 2900 K bis 3200 K, genutzt.
Wie bei konventionellen Verfahren, wird in einer weiteren Ausführung die selektive lokale Erhitzung vorgegebener Punkte zum Sintern bzw. Aufschmelzen und zum Tempern durch Abtasten der Ausgangsmaterial-Lage mit einem
Elektronen- oder Laserstrahl bewirkt.
In weiteren Ausführungen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine in Abhängigkeit von der Schmelztemperatur und weiteren Parametern des zu verarbeitenden Metalls bzw. der Legierung gewählte Vorheiztemperatur, insbesondere im Bereich zwischen 600 und 1100 °C, spezieller von 700 und 1000 °C, eingestellt ist und insbesondere durch eine Zeit- und/oder
Strahlungsdichtesteuerung der flächigen Einstrahlung der nahen IR-Strahlung geregelt wird.
Vorteilhafte Ausführungen der vorgeschlagenen Anordnung ergeben sich für den Fachmann weitgehend aufgrund der vorstehend erläuterten Verfahrensaspekte, so dass von ausführlichen Erläuterungen weitgehend Abstand genommen wird. Es wird jedoch auf folgende Vorrichtungsaspekte hingewiesen:
Während der Aufbau der Gesamtanordnung weitgehend dem bekannter SD- Drucker entspricht, deren Funktion auf dem sequentiellen lokalen Aufschmelzen von schichtweise aufgetragenen Metallpulvern oder -filamenten beruht, besteht eine Besonderheit in der Ausgestaltung der Einrichtung zur flächigen Erwärmung der jeweils obersten Ausgangsmaterial-Lage, im Sinne einer Vor-Erwärmung vor dem lokalen Aufschmelzen und/oder einer thermischen Nachbehandlung zum Spannungsausgleich unmittelbar nach dem Aufschmelzen. Diese Einrichtung weist eine NIR-Bestrahlungseinrichtung zur Einstrahlung von naher IR-Strahlung, insbesondere mit einem Strahlungsdichtemaximum im Wellenlängenbereich zwischen 0,1 und 1,5 pm, mit hoher Leistungsdichte auf eine vorbestimmte Fläche im Bereich des Arbeitstisches auf.
Die Formulierung„im Bereich des Arbeitstisches" ist in einem allgemeinen Sinne zu verstehen und bedeutet nicht notwendigerweise, dass die NIR- Bestrahlungseinrichtung senkrecht über dem Arbeitstisch platziert ist, und auch nicht, dass ihre laterale Erstreckung mit derjenigen des Arbeitstisches
übereinstimmt. Bei geeigneter Reflektorgeometrie kann die IR- Bestrahlungseinrichtung eine kleinere Grundfläche als der Arbeitstisch haben und auch schräg über diesem oder sogar seitlich von diesem positioniert sein.
Bei Nutzung der vorliegenden Erfindung im Rahmen des EBM-Verfahrens, welches im Hochvakuum ausgeführt wird, ist die NIR-Bestrahlungseinrichtung
insbesondere in der Vakuumkammer zu platzieren und zu betreiben, und sie muss derart positioniert sein, dass jede Störung der Abrasterung der Produktoberfläche durch den Elektronenstrahl verhindert wird.
In einer praktisch bewährten Ausgestaltung weist die NIR- Bestrahlungseinrichtung mindestens einen linearen Halogenstrahler, insbesondere eine Mehrzahl von Halogenstrahlern, mit derart zugeordnetem Reflektor auf, dass die Strahlung des oder jedes Infrarotstrahlers in Richtung auf den Arbeitstisch konzentriert wird. In anderen Ausgestaltungen kann die IR- Bestrahlungseinrichtung jedoch auch ein Array von Hochleistungs-NIR
Laserdioden umfassen, und bei einer solchen Ausführung kann auch weitgehend auf spezielle Reflektoren verzichtet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Mehrzahl von Halogenstrahlern mit zugeordnetem Reflektor in mindestens einer Achsenrichtung einer XY-Ebene positionsgesteuert verfahrbar über dem Arbeitstisch angebracht. Diese
Ausführung dient der Realisierung einer Verfahrensführung, bei der die VorErwärmung jeweils nur für einen konkret zu bearbeiten Teil-Oberflächenabschnitt des im Entstehen begriffenen Metallprodukts ausgeführt wird und dieser Bereich über die zu bearbeitende Oberfläche„wandert". Alternativ hierzu kann
vorgesehen sein, dass die Mehrzahl von Halogenstrahlern mit zugeordnetem Reflektor stationär oder allenfalls höhenverstellbar über dem Arbeitstisch angebracht ist. In an sich bekannter Weise können die Mittel zum Bewirken einer selektiven lokalen Erhitzung vorgegebener Punkte einer vorab aufgebrachten
Ausgangsmaterial-Lage eine Elektronenstrahlkanone oder einen Laser mit nachgeschaltetem Scanner zur punktweisen Einstrahlung von naher NIR-Strahlung oder sichtbaren Licht im langwelligen Bereich auf die vorgegebenen Punkte aufweisen.
Die Erfindung erbringt hiermit, mindestens in gewissen Ausführungsformen, mehrere erhebliche Vorteile gegenüber Verfahren nach dem Stand der Technik.
Insbesondere ermöglicht die Erwärmung im Wesentlichen nur der letzten
Ausgangsmaterial-Lage unmittelbar vor dem lokalen Versintern bzw.
Verschmelzen die Vermeidung großer Werkstückvolumina und ist somit
grundsätzlich energiesparend und verringert die thermische Belastung der Gesamtvorrichtung.
Weiterhin reduziert das erfindungsgemäße Vorgehen die dauerhafte Einwirkung relativ hoher Temperaturen auf programmgemäß nicht versinterte oder
verschmolzene Bereiche von in früheren Verfahrensschritten bearbeiteten
Ausgangsmaterial-Lagen und somit unbeabsichtigte Erweichungen und
Verschlechterungen des nicht versinterten Pulvers in jenen Lagen, was die
Effizienz der Rückgewinnung von wiederverwertbarem Metallpulver nach der Fertigstellung eines Produkts deutlich verbessern kann.
Da erfindungsgemäß nämlich größere Temperaturdifferenzen zwischen den zu verschmelzenden und den nicht zu verschmelzenden„Punkten" der Pulver- oder Filamentschichten eingestellt werden können, werden solche unerwünschten Erweichungseffekte signifikant reduziert, wenn nicht gar völlig beseitigt. Ist es bei herkömmlichen Verfahren vielfach erforderlich, das fertige Produkt aufwändig von solchen anhaftenden Erweichungs-Bereichen zu säubern, kann auf solche Reinigungsschritte bei Anwendung der Erfindung weitestgehend verzichtet werden. Zudem kann weitgehend auf ein Sieben oder eine sonstige Aufbereitung des aus dem Prozess zurückgeführten Ausgangsmaterials verzichtet werden.
Speziell im Vergleich zu den bekannten laserbasierten Verfahren, bei denen am Produkt Stützstrukturen vorgesehen sind, erbringt die Erfindung weiterhin die Vorteile einer wesentlichen Zeit- und Kosteneinsparung durch den weitgehenden Fortfall derartiger Stützstrukturen und somit auch den Wegfall der Nachbearbeitungs-Schritte zu deren Entfernung. Gleichermaßen gravierend ist der Zeitgewinn und hierdurch entstehende Produktivitätsvorteil durch den Wegfall oder zumindest die Verkürzung einer thermischen Gesamt-Nachbearbeitung des fertigen Produkts zur Spannungsfreimachung.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung, in Art einer Längsschnittdarstellung, einer Anordnung und eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung, in Art einer Längsschnittdarstellung, einer Anordnung und eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung, in Art einer Längsschnittdarstellung, einer Anordnung und eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 zeigt skizzenartig eine Anordnung 100 zur additiven Fertigung eines (hier noch unvollständig gezeigten) räumlichen Metallprodukts P, das mittels
schichtweisem Auftrag von Metallpulver und abtastender lokaler Erhitzung der einzelnen Schichten aus einem Metallpulver-Bett 101 gebildet wird.
Die Anordnung umfasst einen Arbeitstisch 103, auf dem schichtweise das
Metallpulverbett 101 aufgebracht und das Metallprodukt P gebildet wird. Wie durch den Pfeil A symbolisiert, ist der Arbeitstisch 103 vertikal verfahrbar, um die Oberfläche des Metallpulver-Bettes 101 trotz dessen mit dem Schichtauftrag anwachsender Höhe auf gleichem Höhenniveau zu halten. Eine
Pulverauftragsvorrichtung zur Zuführung von Metallpulver in den eigentlichen Arbeitsbereich umfasst einen Stempel 105, der in Richtung des Pfeils B, also in Gegenrichtung zum Pfeil A vertikal verfahrbar ist, und eine Pulverauftragswalze 107, die in Richtung des Pfeils C bewegbar ist und auf dem Stempel 105 als Vorrat aufgenommenes Metallpulver 109 jeweils in einzelnen Lagen vorbestimmter Dicke in den Arbeitsbereich (also in der Figur nach rechts in das Pulverbett 101) verschiebt.
Oberhalb des Arbeitsbereiches ist eine NIR-Strahlungsquelle III, die im Beispiel durch eine einzelne Halogenlampe lila und einen zugehörigen Reflektor 111b gebildet ist, positioniert. Die NIR-Strahlungsquelle 111 ist, wie mit den Pfeilen Dl und D2 symbolisiert, lateral über das Pulverbett 101 hin und her bewegbar und dient zur Vor-Erwärmung der jeweils bestrahlten Abschnitte des Pulverbettes auf eine Temperatur unterhalb einer Sinter- oder Schmelztemperatur des
Metallpulvers. Wahlweise dient sie auch zur thermischen Nachbehandlung
(Annealing) einer unmittelbar vorher lokal aufgeschmolzenen Schicht, was beispielsweise durch ein„Zurückfahren" der NIR-Strahlungsquelle in Richtung des Pfeils D2 erfolgen kann, wenn die Strahlungsquelle zur Vor-Erwärmung in
Richtung des Pfeils Dl über die Oberfläche des Pulverbetts 101 gefahren wurde. Die NIR Strahlungsquelle 111 kann auch mehrere Halogenlampen mit einem dann entsprechend angepasst ausgeformten Reflektor umfassen.
Ein kommerzieller Bearbeitungslaser 113, der im Hinblick auf die
Absorptionseigenschaften des zu verarbeitenden Metallpulvers und natürlich unter Kostenaspekten ausgewählt ist, mit nachgeschaltetem Scanner 115 ist oberhalb des Arbeitsbereiches angeordnet. Der Laser 113 und Scanner 115 sind derart ausgebildet, dass die Oberfläche des Pulverbettes 101 mit einem Laserstrahl L abgerastert werden kann, um das durch die NIR-Strahlung an seiner Oberfläche vor-erwärmte Pulverbett 101 an den gemäß der Produktgeometrie vorbestimmten Auftreff punkten über die Sinter- bzw. Schmelztemperatur zu erhitzen. Hierdurch wird an jenen Stellen ein Versintern mit der jeweils darunter liegenden Schicht bewirkt und somit die nächste Schicht des Metallprodukts P ausgebildet. In einer für den Aufbau bestimmter metallischer Produkte spezifischen Verfahrensführung wird in einem zweiten Abtastungs-Durchlauf mit der bereits für das Versintern bzw. Aufschmelzen verwendeten Laserstrahlung ein Annealing der versinterten bzw. verschmolzenen Bereiche zur Einstellung gewünschter mechanischer
Eigenschaften ausgeführt. Wie weiter oben erwähnt, kann dieser Schritt jedoch erfindungsgemäß durch eine stationäre oder„wandernde" Bestrahlung der obersten Materiallage mit NIR-Strahlung ersetzt sein.
In üblicher Weise verbleibt das Metallpulver 109 an jenen Stellen, an denen es nicht über die Sinter- bzw. Schmelztemperatur erhitzt wurde, im Pulver-Zustand und fällt nach dem Entnehmen vom Arbeitstisch vom Metallprodukt P ab bzw. kann aus diesem ausgewaschen werden.
Fig. 2 zeigt eine weitestgehend der Anordnung 100 nach Fig. 1 ähnliche
Anordnung 100\ bei der die übereinstimmenden Teile mit den gleichen
Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet sind und hier nicht nochmals erläutert werden. Der wesentliche Unterschied zur Anordnung 100 besteht darin, dass anstelle einer lateral verfahrbaren NIR-Bestrahlungseinrichtung hier eine stationäre NIR-Bestrahlungseinrichtung 111' mit einem einfachen großflächigen Reflektor 111b und einer darunter angeordneten Reihe von Halogenlampen li la vorgesehen ist. Es versteht sich, dass die relative Anordnung von Laser 113 und Scanner 115 einerseits und der NIR-Bestrahlungseinrichtung 111 derart zu bestimmen ist, dass die Strahlung beider Strahlungsquellen ungehindert auf die gesamte zu bearbeitende Oberfläche des Pulverbettes 101 gelangen kann.
Auch Fig. 3 zeigt eine teilweise der Anordnung nach Fig. 1 ähnliche Anordnung 100"; Auch hier sind die mit Fig. 1 übereinstimmenden Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie dort bezeichnet. Die Anordnung 100" ist als EBM- Bearbeitungsanordnung konfiguriert, d.h. an die Stelle eines Bearbeitungslasers und zugehörigen Scanners tritt hier eine Elektronenstrahlröhre 113" mit zugehöriger koordinatengesteuerter Ablenkeinheit 115".
Die Ablenkeinheit 115" lenkt einen von der Elektronenstrahlröhre 113" erzeugten Elektronenstrahl E zu beliebigen, durch Fertigungszeichnungen des
Metallprodukts P bezüglich dessen einzelner Schichten vorgegebenen Punkten auf der Oberfläche des Pulverbettes 101. Durch eine (nicht gezeigte) Leistungs- Betriebsstromsteuerung der Elektronenröhre 113" lässt sich zudem nahezu trägheitslos die Leistung des Elektronenstrahls E und somit die am Auftreffort erzielbare Temperatur steuern. Dies ermöglicht unter anderem die präzise T- gesteuerte Ausführung von Versinterungs- bzw. Aufschmelzschritten einerseits und nachfolgenden Temperschritten der aufgebrachten Metallschicht
andererseits.
Zudem ist die gesamte Anordnung hier in einer Vakuumkammer 117
untergebracht, der ein Vakuumgenerator 119 zur Erzeugung eines Hochvakuums in der Vakuumkammer während des Herstellungsprozesses eines Produktes zugeordnet ist. Hinsichtlich des Einsatzes und des konstruktiven Aufbaus der NIR- Strahlungsquelle 111 wird auf die entsprechenden Ausführungen zu Fig. 1 hingewiesen. Derzeit wird es als vorteilhaft angesehen, auch die NIR- Strahlungsquelle III in der Vakuumkammer 117 zu platzieren; grundsätzlich könnte das Strahlermodul aber auch außerhalb der Vakuumkammer angeordnet und die NIR-Strahlung durch ein NIR-durchlässiges Fenster und gegebenenfalls entsprechende Spiegel auf die Produktoberfläche gelenkt werden.
Im Übrigen ist die Ausführung der Erfindung auch in einer Vielzahl von
Abwandlungen der hier gezeigten Beispiele und weiter oben hervorgehobenen Aspekte der Erfindung möglich.

Claims

Ansprüche
1. 3D-Metalldruckverfahren zur Herstellung eines räumlichen Metallprodukts im Wesentlichen aus einem Metallpulver oder Metallfilamenten,
wobei das Pulver bzw. die Filamente schichtweise durch Aufbringen von Ausgangsmaterial-Lagen auf eine jeweils vorab erzeugte Schicht und selektive lokale Erhitzung vorgegebener Punkte der Lage über eine Sinter- oder
Schmelztemperatur des Pulvers und Versinterung oder Verschmelzung der aufgeschmolzenen Punkte mit der darunterliegenden Schicht und optionales Tempern der Punkte aufgebaut wird/werden bzw. werden,
wobei die jeweils neu aufgebrachte Ausgangsmaterial-Lage und optional mindestens eine darunterliegende Schicht durch flächige oder wandernde
Einstrahlung von naher IR-Strahlung, insbesondere mit einem
Strahlungsdichtemaximum im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 und 1,5 pm, auf eine Temperatur mit vorbestimmter Differenz zur Schmelztemperatur vor-erwärmt und/oder im Anschluss an die lokale Erhitzung vorgegebener Punkte zum thermischen Spannungsausgleich nach-behandelt wird.
2. 3D-Metalldruckverfahren nach Anspruch 1, wobei die nahe IR-Strahlung sequentiell abschnittsweise in Teilabschnitte der Gesamtfläche der jeweiligen Ausgangsmaterial-Lage eingestrahlt wird, wobei die selektive lokale Erhitzung über die Sinter- oder Schmelztemperatur jeweils für vorgegebene Punkte innerhalb eines vor-erwärmten Teilabschnittes vorgenommen wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
Leistungsdichte der flächig eingestrahlten nahen IR-Strahlung oberhalb lMW/m2 liegt.
4. 3D-Metalldruckverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als nahe IR-Strahlung die Strahlung mindestens eines Halogenstrahlers, insbesondere einer Mehrzahl von Halogenstrahlern, mit einer Strahlertemperatur insbesondere auch im Bereich von 2900 K bis 3200 K genutzt wird.
5. 3D-Metalldruckverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die selektive lokale Erhitzung vorgegebener Punkte durch Abtasten der
Ausgangsmaterial-Lage mit einem Elektronen- oder Laserstrahl bewirkt wird.
6. 3D-Metalldruckverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vor- Erwärmung auf eine materialspezifisch voreingestellte Temperatur, insbesondere im Bereich zwischen 600 und 1100 °C, spezieller im Bereich zwischen 700 und 1000 °C, erfolgt und insbesondere durch eine Zeit- und/oder Strahlungsdichtesteuerung der Einstrahlung der nahen IR-Strahlung geregelt wird.
7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
vorangehenden Ansprüche, welche aufweist:
einen Arbeitstisch als Unterlage zum schichtweisen Aufbau des räumlichen Metallprodukts,
eine Pulverauftragsvorrichtung zum sequentiellen Auftrag von
Ausgangsmaterial-Lagen eines Metallpulvers bzw. von Ausgangsmaterial
Filamenten im Bereich des Arbeitstisches,
eine Flächen-Erwärmungseinrichtung zur flächigen Erwärmung jeder neuen Ausgangsmaterial-Lage zur Vor-Erwärumung oder thermischen
Nachbehandlung, die eine NIR-Bestrahlungseinrichtung zur Einstrahlung von naher IR-Strahlung, insbesondere mit einem Strahlungsdichtemaximum im
Wellenlängenbereich zwischen 0,8 und 1,5 pm auf eine vorbestimmte Fläche im Bereich des Arbeitstisches aufweist, und
Mittel zum Bewirken einer selektiven lokalen Erhitzung vorgegebener Punkte der neuen Ausgangsmaterial-Lage über eine Sinter- oder
Schmelztemperatur des Metallpulvers.
8. Anordnung nach Anspruch 7, wobei die Mittel zum Bewirken einer selektiven lokalen Erhitzung vorgegebener Punkte einer vorab aufgebrachten Ausgangsmaterial-Lage einen Laser mit nachgeschaltetem Scanner zur
punktweisen Einstrahlung von naher NIR-Strahlung oder sichtbaren Licht im langwelligen Bereich auf die vorgegebenen Punkte aufweisen.
9. Anordnung nach Anspruch 7, wobei die Mittel zum Bewirken einer selektiven lokalen Erhitzung vorgegebener Punkte einer vorab aufgebrachten Ausgangsmaterial-Lage einen Elektronenstrahlerzeuger zur punktweisen Einstrahlung von Elektronenstrahlung auf die vorgegebenen Punkte aufweisen und die Anordnung in einer mit Hochvakuum beaufschlagten Vakuumkammer angeordnet ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 - 9, wobei die NIR- Bestrahlungseinrichtung mindestens einen Halogenstrahler, insbesondere eine Mehrzahl von Halogenstrahlern, mit derart zugeordnetem Reflektor aufweist, dass die Strahlung des oder jedes Infrarotstrahlers in Richtung auf den Arbeitstisch konzentriert wird.
11. Anordnung nach Anspruch 10, wobei der Halogenstrahler oder die
Mehrzahl von Halogenstrahlern mit zugeordnetem Reflektor in mindestens einer Achsenrichtung einer XY-Ebene verfahrbar über dem Arbeitstisch angebracht ist.
12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, wobei der oder die Halogenstrahler zum betrieb mit einer Strahlertemperatur im Bereich von 2900 K bis 3200 K ausgelegt ist/sind.
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