WO2019162190A1 - Verfahren und maschine zum schnellen inertisieren einer prozesskammer zur additiven fertigung von bauteilen - Google Patents

Verfahren und maschine zum schnellen inertisieren einer prozesskammer zur additiven fertigung von bauteilen Download PDF

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Thomas König
Markus Pieger
Björn Ullmann
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for inerting a process chamber of a machine for the production of three-dimensional components by selectively solidifying a layered in the process chamber powder material by means of acting on the powder material energy beam, as well as an associated machine with an inertizable process chamber and at least one process chamber limiting machine component.
  • the energy beam may be, for example, a laser beam or an electron beam.
  • Such a method and such a machine for inerting a process chamber of a machine for the additive production of components in particular an LMF (Laser Metal Fusion) or SLS (Selective Laser Melting) machine, have become known, for example, from EP 3 023 228 A1.
  • reactive materials are processed by applying a powder layer (metal, ceramic, thermoplastics) to a substrate plate in a construction or process chamber and solidifying it with a laser beam.
  • a powder layer metal, ceramic, thermoplastics
  • LMF Laser Metal Fusion
  • SLM Selective Laser Melting
  • SLS Selective Laser Sintering
  • an inert gas under overpressure e.g. Nitrogen or argon
  • an inert gas under overpressure e.g. Nitrogen or argon
  • the oxygen content and, if necessary, the proportion of other impurities (water, organic residues) in the process chamber are gradually "diluted” by displacement until the laser beam can safely begin to melt, without causing unwanted reactions of the powder, e.g. An explosion or reproduction of combustion occurs, which can lead to a disruption of the process, associated with losses in the quality of the components down to the rejects.
  • this dilution process has the disadvantage that it takes a long time, since not only reactive gas, but also already existing in the process chamber inert gas is displaced by the incoming inert gas.
  • high inert gas quality eg residual O 2 content ⁇ 50 ppm
  • the machine set-up or downtime increases exponentially due to the duration of the inertization. Due to the concept, many machines are regularly opened when the job is changed (eg removal of the job job, mounting the substrate plate, cleaning or changing the protective glass, setting up or changing coater media, etc.), which fills the process chamber with air.
  • the inertization is carried out by continuous supply of inert gas and monitoring of the controlled variables for the atmosphere (eg 0 2 content) until the target value in the process chamber has been reached.
  • controlled variables for the atmosphere eg 0 2 content
  • areas of the machine eg docked overflow tank
  • Post-published DE 10 2016 220 949 B3 describes a method which uses an expansion body for inerting the process chamber in order to press air out of the process chamber.
  • the present invention has the object, an alternative method and an associated machine for fast and gas-saving indicate the inerting of the process chamber without having to design the process chamber for greater negative pressure.
  • This object is achieved according to the invention by a method for inerting a process chamber of a machine for producing three-dimensional components by selectively solidifying a powder material applied in layers in the process chamber by means of an energy beam acting on the powder material, with the following process steps:
  • the process chamber volume to be inerted is first reduced by moving the sealed machine component and thereby "emptying" the process chamber with the exhaust valve open by discharging existing air volume. so that only a small amount of reactive gases / impurities in the process chamber is present. Subsequently, when the outlet valve is closed, the process chamber is filled with inert gas via an inlet valve and the process chamber volume is increased again. As in the case of vacuum, this process can be repeated one or more times to further reduce the proportion of reactive gases in the process chamber.
  • the inlet and outlet valves of the process chamber are controlled by a machine control accordingly.
  • the at least one machine component is not an expansion body.
  • the at least one machine component may be closed or open on the process chamber side, wherein in the latter case the machine component is preferably sealed on the process chamber side at the latest in its end position moved into the process chamber.
  • the at least one machine component can either be moved back into the volume-reduced process chamber during or after the introduction of the inert gas.
  • the at least one machine component is a cylinder opening into the process chamber, e.g. a construction or storage cylinder, which is extended in step a) in the process chamber.
  • the cylinder may, for example, be round, in particular circular or elliptical, square, rectangular or square or rectangular with rounded corners.
  • the cylinder can, for example, be closed with a lid before it is extended into the process chamber or closed in an end position extended to an opposite process chamber wall with a lid or sealing seat located on the opposite process chamber wall.
  • the duration for inerting can be significantly reduced by partially or completely displacing the air volume in the process chamber via the construction or storage cylinder and from the machine via an open outlet valve.
  • the storage cylinder which is filled to the brim, can be closed with the lid before it is inserted into the machine or can only be closed with the lid when it is inserted, for example automatically by means of a gripper system or manually via a glovebox.
  • the cylinder can also be extended to an opposite process chamber wall, where it is closed with a cover or sealing seat located on the opposite process chamber wall.
  • the lid prevents powder material from escaping from the storage cylinder during inerting and depositing itself on the process chamber ceiling which is transparent to the laser beam.
  • the at least one machine component can also be a piston, which can be moved in a cylinder which opens out into the process chamber and can even be extended into the process chamber, and in step a) moves inside the cylinder in the direction of the process chamber.
  • the piston can be, for example, the construction platform movable in the construction cylinder.
  • the construction platform may, for example, be round, in particular circular or elliptical, square, rectangular or square or rectangular with rounded corners.
  • the at least one machine component is a movable process chamber wall, which can be moved as a sealed piston in the process chamber, so as to change the process chamber volume.
  • the movable process chamber wall may be, for example, a floor, a ceiling or a side wall of the process chamber.
  • the invention also relates to a machine for producing three-dimensional components by selectively solidifying a layered powder material by means of an energy beam acting on the powder material with an inertizable process chamber and with min. at least one of the process chamber delimiting machine component, which is sealed according to the invention between two end positions movable in which the machine component protrudes to different degrees in the process chamber.
  • the at least one machine component is a cylinder which can be closed by a cover or a sealing seat of an opposite process chamber wall, in particular a construction or storage cylinder which can be introduced into the process chamber through a process chamber opening.
  • the lid may be releasably held to the process chamber ceiling to be received by the extended cylinder and removed from the process chamber ceiling. If the cover is permanently attached to the process chamber ceiling, it forms a sealing seat for the open cylinder end.
  • the at least one machine component is a movable process chamber wall, in particular a bottom, a ceiling or a side wall of the process chamber.
  • the process chamber has a double bottom with a fixed process chamber wall and a movable intermediate chamber wall.
  • FIG. 1 shows schematically the process chamber of an LMF according to the invention
  • FIGS. 2a to 2c a first variant of the method according to the invention for inerting the process chamber by means of height-adjustable construction and storage cylinder;
  • FIGS. 3a to 3c show a modification of the first method variant;
  • Fig. 4 shows a second variant of the method according to the invention for
  • the LMF machine 1 shown in FIG. 1 is used to produce three-dimensional components 2 by selectively solidifying a powder material 4 applied in layers in an inertized process chamber 3 by means of a laser beam 5 acting on the powder material 4.
  • the process chamber 3 has a bottom 6, a ceiling 7 with a transparent window for the laser beam 5 and side walls 8.
  • a vertical cylinder 9 and a vertical storage cylinder 10 each sealed in a bottom opening 11 of the process chamber 3 are guided vertically movable by means of a lifting drive 12.
  • a piston constructed as a construction platform 13 and in the storage cylinder 10 a piston executed as a bottom 14 is sealed in each case and guided in a height-displaceable manner by means of a lifting drive 15.
  • the storage cylinder 10 is filled with the powder material 4 (metal, ceramic, thermoplastics).
  • a powder layer is applied to the construction platform 13 and solidified with the laser beam 5. Subsequently, the construction platform 13 is lowered by a powder layer thickness and a new powder layer is applied and solidified again until a 3-dimensional component has been produced. The amount of powder required in each case for a powder layer is lifted out of the storage cylinder 10 to above the bottom level and pushed with a horizontally movable on the bottom 6 coater 16 in the building cylinder 9 to form a powder layer there.
  • the process chamber 3 must be rendered inert prior to the layer buildup process, ie filled with an inert gas 17 under pressure (eg nitrogen or argon), so that it is not undesirable Reactions of the powder can come and due to the overpressure no impurities can penetrate from the outside into the process chamber 3. This inertization takes place in the machine off-time.
  • an inert gas 17 under pressure eg nitrogen or argon
  • the construction and storage cylinders 9, 10 are inserted into the bottom openings 11 (if a change was previously necessary or these were removed). If not already closed with a lid, the supply cylinder 10, which is possibly filled to the upper edge with the powder material 4, is now closed at its process-chamber-side cylinder end with a cover 18 (FIG. 2a), either automatically by means of a gripper system inside the process chamber or manually by means of a glove box (Glove box). If the storage cylinder 10 is already delivered with the cover 18 closed, a residual volume still present in the cylinder is already filled with inert gas 17.
  • the construction platform 13 in the construction cylinder 9 is lifted by means of the lifting drive 15 into its upper end position, in which the construction platform 13, for example, flush with the cylinder end, and on the other hand, the construction and storage cylinders 9, 10 extended by means of the lifting actuators 12 - beyond their actual working position - maximum far into the process chamber 3 (Fig. 2b).
  • existing air volume is discharged via an open outlet valve 19 from the process chamber 3, so that only a small amount of reactive gases / impurities is present in the volume-reduced process chamber 3.
  • the bottom 14 is raised in synchronism with the storage cylinder 10, while the extension of the construction cylinder 9 and the lifting of the construction platform 13 can be synchronous or offset in time with each other.
  • the exhaust valve 19 is closed and the inerting process is started by introducing inert gas 17 into the process chamber 3 through an open inlet valve 20.
  • the storage cylinder 10 and the construction cylinder 9 and / or the construction platform 13 are lowered in order to reduce the volume of the process Chamber 3 to increase to approximately the same extent as inert gas 17 is introduced so that there is no, the machine 1 injurious overpressure or suppression.
  • This process volume reduction and inert gas filling
  • the outlet valve 19 may remain open and inert gas 17 may be introduced into the reduced volume process chamber 3 through an open inlet valve 20 to dilute the thus reduced amount of reactive gases / contaminants through the inert gas 17 until a predetermined reactive gas content reaches impurities is. It is possible in addition to use the process of volume reduction and inert gas filling, so that when increasing the volume of the process chamber 3 preferably always there is an overpressure and it in addition to the dilution of the reactive
  • GasA / impurities additionally comes to inert gas filling.
  • the control of the intake and exhaust valves 19, 20 is preferably carried out automatically by means of a machine control 21, but can in principle also be done manually.
  • FIG. 2 differs in Figs. 3a to 3c shown inerting only by how the storage cylinder 10 is closed with the lid 18.
  • the storage cylinder 10 inserted into the bottom opening 11 is open on the process chamber side at its upper cylinder end.
  • the storage cylinder 10 is raised up to the process chamber ceiling 7 in order to receive, with its upper cylinder end, a lid 18 detachably held on the process chamber ceiling 7 and thereby to be closed (FIG. 3b).
  • a lid 18 detachably held on the process chamber ceiling 7 and thereby to be closed.
  • the cylinder cylinder 10 As soon as the cylinder cylinder 10 is closed, it reduces the process chamber volume and thus the volume to be rendered inert.
  • the lid 18 prevents powder material 4 from escaping from the storage cylinder 10 during the inertization and depositing on the process chamber ceiling 7 which is transparent to the laser beam.
  • the storage cylinder 10 together with the lid 18 is returned to its original position (FIG. 3c). Once the lid 18 has been removed by means of a gripper system or a glovebox, the machine 1 is ready with its now inertized process chamber 3 to begin the production of a
  • the process chamber cover 7 can also have a sealing seat for the upper cylinder end in order to seal the storage cylinder 10 only in the extended state and thus reduce the process chamber volume.
  • a vertically movable intermediate ceiling 7a which is transparent to the laser beam 5, is sealed in the process chamber 3, which is sealed on the side walls 8 and displaceably guided like a piston by means of a lifting drive (not shown).
  • the process chamber ceiling 7 and the false ceiling 7a together form a double bottom.

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Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Inertisieren einer Prozesskammer (3) einer Maschine (1 ) zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen (2) durch selektives Verfestigen eines in der Prozesskammer (3) schichtweise aufgebrachten Pulvermaterials (4) mittels eines auf das Pulvermaterial (4) einwirkenden Energiestrahls (5) weist folgende Verfahrensschritte auf: a) Reduzieren des Volumens der Prozesskammer (3) durch Bewegen mindes tens einer die Prozesskammer (3) begrenzenden, abgedichteten Maschinen komponente (9, 10) in die Prozesskammer (3) hinein; und b) anschließend Befüllen der volumenreduzierten Prozesskammer (3) mit einem Inertgas (17) und Zurückbewegen der mindestens einen Maschinenkomponente (9, 10).

Description

Verfahren und Maschine zum schnellen Inertisieren einer Prozesskammer zur additiven Fertigung von Bauteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Inertisieren einer Prozesskammer einer Maschine zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen durch selektives Verfestigen eines in der Prozesskammer schichtweise aufgebrachten Pulvermaterials mittels eines auf das Pulvermaterial einwirkenden Energiestrahls, sowie auch eine zugehörige Maschine mit einer inertisierbaren Prozesskammer und mit mindestens einer die Prozesskammer begrenzenden Maschinenkomponente. Bei dem Energiestrahl kann es sich beispielsweise um einen Laser- oder einen Elektronenstrahl handeln. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Maschine zum Inertisieren einer Prozesskammer einer Maschine zur additiven Fertigung von Bauteilen, insbesondere einer LMF(Laser Metal Fusion)- oder SLS(Selective Laser Melting)-Maschine, sind beispielsweise aus der EP 3 023 228 A1 bekannt geworden.
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 Laserstrahl 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 Metallstauben wird üblicherweise nach dem Schließen der Maschine ein unter Überdruck 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 werden 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. O2- oder H20-Gehalt). Die Inertisierung erfolgt heute fast ausschließlich in der Ma- schinennebenzeit und verlängert damit die Zeit von Auftrag zu Auftrag. Mit zunehmender Forderung nach hoher Schutzgas-Qualität (z.B. Rest-02-Gehalt < 50 ppm) und größeren Bauräumen erhöht sich die Maschinenrüst- bzw. -Stillstandzeit aufgrund der Dauer für die Inertisierung exponentiell. Konzeptbedingt werden viele Maschinen beim Baujob-Wechsel regelmäßig geöffnet (z.B. Baujobentnahme nach oben, Rüsten der Substratplatte, Reinigen oder Wechsel von Schutzglas, Rüsten oder Wechsel von Beschichtermedien, etc.), wodurch sich die Prozesskammer mit Luft füllt. Die Inertisierung erfolgt durch stetige Schutzgaszufuhr und Überwachung der Regelgrößen für die Atmosphäre (z.B. 02-Gehalt), bis der Zielwert in der Prozesskammer 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 stö ren. Je größer das Prozesskammervolumen ist, desto länger dauert die Inertisierungszeit nach einem vorangegangenen Öffnen der Prozesskammer.
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, d.h. deutlich stabiler und damit teurer, ausgelegt werden muss. Das Evakuieren der Prozesskammer ist zwar deutlich effizienter als das bloße Fluten mit Inertgas, aber ggf. immer noch sehr zeitaufwendig.
In der nachveröffentlichten DE 10 2016 220 949 B3 wird ein Verfahren beschrieben, das zur Inertisierung der Prozesskammer einen Expansionskörper verwendet, um Luft aus der Prozesskammer zu drücken.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren und eine zugehörige Maschine zum schnellen und gassparen- den Inertisieren der Prozesskammer anzugeben, ohne dass die Prozesskammer für größere Unterdrücke ausgelegt werden muss.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Inertisieren einer Prozesskammer einer Maschine zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen durch selektives Verfestigen eines in der Prozesskammer schichtweise aufgebrachten Pulvermaterials mittels eines auf das Pulvermaterial einwirkenden Energiestrahls, mit folgenden Verfahrensschriten:
a) Reduzieren des Volumens der Prozesskammer durch Bewegen mindestens einer die Prozesskammer begrenzenden, abgedichteten Maschinenkomponente in die Prozesskammer hinein; und
b) anschließend Befüllen der volumenreduzierten Prozesskammer mit einem
Inertgas und Zurückbewegen der mindestens einen Maschinenkomponente.
Anstatt die in der Prozesskammer vorhandene Atmosphäre zeitaufwendig mit Inertgas soweit zu verdünnen, bis ein vorgegebener Sauerstoffgehalt erreicht ist, wird erfindungsgemäß das zu inertisierende Prozesskammervolumen durch Bewegen der abgedichteten Maschinenkomponente zuerst reduziert und dadurch die Prozesskammer bei geöffnetem Auslassventil durch Ausschleusen von vorhandenem Luftvolumen„entleert“, so dass nur noch eine geringe Menge reaktiver Gase/Verunreinigungen in der Prozesskammer vorhanden ist. Anschließend wird bei geschlossenem Auslassventil die Prozesskammer über ein Einlassventil mit Inertgas befüllt und das Prozesskammervolumen wieder vergrößert. Wie im Falle von Vakuum kann dieser Vorgang ein- oder mehrmals wiederholt werden, um den Anteil an reaktiven Gasen in der Prozesskammer immer weiter zu reduzieren. Vorzugsweise werden die Ein- und Auslassventile der Prozesskammer von einer Maschinensteuerung entsprechend angesteuert.
Das erfindungsgemäße Inertisierungsverfahren hat gegenüber den herkömmlichen Verfahren folgende Vorteile:
- kürzere Inertisierungsdauer und dadurch reduzierte Rüst- bzw. Nebenzeiten;
- geringerer Inertgasverbrauch, geringere Gaskosten. Im Unterschied zur nachveröffentlichten DE 10 2016 220 949 B3 handelt es sich erfindungsgemäß bei der mindestens einen Maschinenkomponente um keinen Expansionskörper.
Die mindestens eine Maschinenkomponente kann prozesskammerseitig geschlossen oder offen sein, wobei im letzteren Fall die Maschinenkomponente vorzugsweise spätestens in ihrer in die Prozesskammer hineinbewegten Endstellung prozesskammerseitig verschlossen wird.
Vorteilhaft werden im Verfahrensschritt a) mehrere, insbesondere alle Maschinenkomponenten in die Prozesskammer hineinbewegt, um das zu inertisierende Prozesskammervolumen möglichst zu minimieren.
Im Verfahrensschritt b) kann die mindestens eine Maschinenkomponente entweder noch während oder aber erst nach dem Einleiten des Inertgases in die volumenreduzierte Prozesskammer zurückbewegt werden.
In einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante ist die mindestens eine Maschinenkomponente ein in die Prozesskammer mündender Zylinder, wie z.B. ein Bau- oder Vorratszylinder, der in Schritt a) in die Prozesskammer ausgefahren wird. Der Zylinder kann bspw. rund, insbesondere kreisförmig oder elliptisch, quadratisch, rechteckig oder quadratisch bzw. rechteckig mit abgerundeten Ecken ausgebildet sein.
Der Zylinder kann beispielsweise vor dem Ausfahren in die Prozesskammer mit einem Deckel verschlossen oder in einer bis an eine gegenüberliegende Prozesskammerwand ausgefahrenen Endstellung mit einem an der gegenüberliegenden Prozesskammerwand befindlichen Deckel oder Dichtsitz verschlossen werden. Bevor die Prozesskammer mit Inertgas geflutet und damit inertisiert wird, fahren der mindestens eine Zylinder, vorzugswiese alle vorhandenen Zylinder, maximal in die Prozesskammer aus und reduzieren damit das zu inertisierende Volumen. Erst dann wird der I nertisierungsprozess gestartet, d.h., hier beginnt die Durchmischung der Ausgangsatmosphäre (=Luft) mit Inertgas (z.B. Stickstoff, Argon, etc.). Die Verwendung der bereits in der Maschine befindlichen Bau- oder Vorratszylin- der zur Reduzierung des zu inertisierenden Prozesskammervolumens kann die Dauer für das Inertisieren deutlich reduzieren, indem das Luftvolumen in der Prozesskammer teilweise bis vollständig über die Bau- oder Vorratszylinder verdrängt und über ein geöffnetes Auslassventil aus der Maschine geschleust wird.
Der möglichst randvoll gefüllte Vorratszylinder kann bereits vor dem Einsetzen in die Maschine mit dem Deckel verschlossen sein oder aber erst, wenn er eingesetzt ist, mit dem Deckel verschlossen werden, beispielsweise automatisiert mittels eines Greifersystems oder manuell über eine Glovebox. Alternativ kann der Zylinder auch bis an eine gegenüberliegende Prozesskammerwand ausgefahren werden, wo er mit einem an der gegenüberliegenden Prozesskammerwand be- findlichen Deckel oder Dichtsitz verschlossen wird. Der Deckel verhindert, dass während der Inertisierung Pulvermaterial aus dem Vorratszylinder austritt und sich an der für den Laserstrahl transparenten Prozesskammerdecke ablagert.
Die mindestens eine Maschinenkomponente kann auch ein Kolben sein, der in einem in die Prozesskammer mündenden, ggf. selbst in die Prozesskammer ausfahrbaren Zylinder verfahrbar ist und in Schritt a) innerhalb des Zylinders in Richtung auf die Prozesskammer verfahren wird. Bei dem Kolben kann es sich bei- spielsweise um die im Bauzylinder verfahrbare Bauplattform handeln. Entsprechend der Zylinderform kann die Bauplattform bspw. rund, insbesondere kreisförmig oder elliptisch, quadratisch, rechteckig oder quadratisch bzw. rechteckig mit abgerundeten Ecken ausgebiidet sein.
In einer anderen bevorzugten Verfahrensvariante ist die mindestens eine Maschinenkomponente eine verfahrbare Prozesskammerwand, die als abgedichteter Kolben in der Prozesskammer verfahren werden kann, um so das Prozesskammervolumen zu verändern. Die verfahrbare Prozesskammerwand beispielsweise ein Boden, eine Decke oder eine Seitenwand der Prozesskammer sein.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Maschine zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Pulvermaterials mittels eines auf das Pulvermaterial ein- wirkenden Energiestrahls mit einer inertisierbaren Prozesskammer und mit min- destens einer die Prozesskammer begrenzenden Maschinenkomponente, die erfindungsgemäß zwischen zwei Endstellungen abgedichtet bewegbar ist, in denen die Maschinenkomponente unterschiedlich weit in die Prozesskammer hineinragt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Maschinenkomponente ein mit einem Deckel oder mit einem Dichtsitz einer gegenüberliegenden Prozesskammerwand verschließbarer Zylinder, insbesondere ein Bauoder Vorratszylinder, der durch eine Prozesskammeröffnung in die Prozesskammer einfahrbar ist. Der Deckel kann an der Prozesskammerdecke lösbar gehalten sein, um vom ausgefahrenen Zylinder aufgenommen und von der Prozesskammerdecke abgenommen zu werden. Wenn der Deckel an der Prozesskammerdecke unlösbar befestigt ist, bildet er einen Dichtsitz für das offene Zylinderende aus.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Maschi- nenkomponente eine verfahrbare Prozesskammerwand , insbesondere ein Boden, eine Decke oder eine Seitenwand der Prozesskammer. Vorteilhaft weist die Prozesskammer einen doppelten Boden mit einer festen Prozesskammerwand und einer beweglichen Zwischenkammerwand auf.
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 gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch die Prozesskammer einer erfindungsgemäßen LMF-
Maschine zur additiven Fertigung von Bauteilen;
Fign. 2a bis 2c eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Iner- tisieren der Prozesskammer mithilfe höhenverfahrbarer Bau- und Vorratszylinder; Fign. 3a bis 3c eine Modifizierung der ersten Verfahrensvariante; und
Fig. 4 eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Inertisieren der Prozesskammer mithilfe einer verfahrbaren Prozesskammerwand.
Die in Fig. 1 gezeigte LMF-Maschine 1 dient zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen 2 durch selektives Verfestigen eines in einer inertisierten Prozesskammer 3 schichtweise aufgebrachten Pulvermaterials 4 mittels eines auf das Pulvermaterial 4 einwirkenden Laserstrahls 5.
Die Prozesskammer 3 hat einen Boden 6, eine Decke 7 mit einem für den Laser- strahl 5 transparenten Fenster und Seitenwände 8. In den Boden 6 münden nebeneinander ein vertikaler Bauzylinder 9 und ein vertikaler Vorratszylinder 10, die jeweils abgedichtet in einer Bodenöffnung 11 der Prozesskammer 3 mittels eines Hubantriebs 12 höhenverfahrbar geführt sind. Im Bauzylinder 9 ist ein als Bauplattform 13 ausgeführter Kolben und im Vorratszylinder 10 ein als Boden 14 ausgeführter Kolben jeweils abgedichtet und mittels eines Hubantriebs 15 höhenverfahrbar geführt. Der Vorratszylinder 10 ist mit dem Pulvermaterial 4 (Metall, Keramik, Thermoplaste) gefüllt.
Beim Herstellen eines Bauteils 2 wird auf der Bauplattform 13 eine Pulverschicht aufgebracht und mit dem Laserstrahl 5 verfestigt Anschließend wird die Bauplattform 13 um eine Pulverschichtdicke abgesenkt und eine neue Pulverschicht aufgebracht und erneut verfestigt, bis ein 3-dimensionales Bauteil gefertigt wurde. Die für eine Pulverschicht jeweils benötigte Pulvermenge wird aus dem Vorratszylinder 10 heraus bis oberhalb des Bodenniveaus angehoben und mit einem auf dem Boden 6 horizontal verfahrbaren Beschichter 16 in den Bauzylinder 9 geschoben, um dort eine Pulverschicht auszubilden.
Aufgrund der reaktiven Pulvermaterialien in Form von leicht oxidierbaren und brennbaren Metallstäuben muss die Prozesskammer 3 vor dem Schichtaufbauprozess inertisiert werden, also mit einem unter Überdruck stehenden Inertgas 17 (z.B. Stickstoff oder Argon) gefüllt werden, so dass es zu keinen unerwünschten Reaktionen des Pulvers kommen kann und aufgrund des Überdrucks keine Verunreinigungen von außen in die Prozesskammer 3 eindringen können. Diese Inertisierung erfolgt in der Maschinennebenzeit.
In Fign. 2a bis 2c sind die einzelnen Schritte zum Inertisieren der Prozesskammer 3 gezeigt.
Nachdem die Maschine 1 vollständig gerüstet ist und alle Prozesskammertüren geschlossen und verriegelt sind, werden die Bau- und Vorratszylinder 9, 10 in die Bodenöffnungen 11 eingesetzt (sofern ein Wechsel zuvor notwendig war oder diese entfernt wurden). Wenn nicht bereits mit einem Deckel verschlossen, wird der möglichst bis zum oberen Rand mit dem Pulvermaterial 4 gefüllte Vorratszylinder 10 spätestens jetzt an seinem prozesskammerseitigen Zylinderende mit einem Deckel 18 verschlossen (Fig. 2a), entweder automatisiert mittels eines prozesskammerinternen Greifersystems oder manuell mittels einer Handschuhbox (Glo- vebox). Wird der Vorratszylinder 10 bereits mit geschlossenem Deckel 18 angeliefert, so ist ein im Zylinder noch vorhandenes Restvolumen bereits mit Inertgas 17 gefüllt.
Um das zu inertisierende Prozesskammervolumen so weit als möglich zu reduzieren, wird einerseits die Bauplattform 13 im Bauzylinder 9 mittels des Hubantriebs 15 in ihre obere Endposition angehoben, in der die Bauplattform 13 beispielsweise bündig mit dem Zylinderende abschließt, und andererseits werden die Bau- und Vorratszylinder 9, 10 mittels der Hubantriebe 12 - über ihre eigentliche Arbeitsposition hinaus - maximal weit in die Prozesskammer 3 ausgefahren (Fig. 2b). Dadurch wird vorhandenes Luftvolumen über ein geöffnetes Auslassventil 19 aus der Prozesskammer 3 ausgeschleust, so dass in der volumenreduzierten Prozesskammer 3 nur noch eine geringe Menge reaktiver Gase/Verunreinigungen vorhanden ist. Beim Ausfahren des Vorratszylinders 10 wird der Boden 14 synchron zum Vorratszylinder 10 angehoben, während das Ausfahren des Bauzylinders 9 und das Anheben der Bauplattform 13 synchron oder zueinander zeitversetzt erfolgen können.
Das Auslassventil 19 wird geschlossen und der Inertisierungsprozess gestartet, indem durch ein geöffnetes Einlassventil 20 Inertgas 17 in die Prozesskammer 3 eingeleitet wird. Gleichzeitig dazu werden der Vorratszylinder 10 sowie der Bauzylinder 9 und/oder die Bauplattform 13 abgesenkt, um das Volumen der Prozess- kammer 3 in ungefähr gleichem Maße zu vergrößern, wie Inertgas 17 eingeleitet wird, so dass es zu keinen, die Maschine 1 schädigenden Über- oder Unterdrücken kommt. Dieser Vorgang (Volumenreduzieren und Inertgasbefüllen) kann ein- oder mehrmals wiederholt werden, um den Anteil an reaktiven Gasen in der Prozesskammer 3 immer weiter zu reduzieren.
Alternativ kann das Auslassventil 19 geöffnet bleiben und durch ein geöffnetes Einlassventil 20 Inertgas 17 in die volumenreduzierte Prozesskammer 3 eingeleitet werden, um die derart verringerte Menge reaktiver Gase/Verunreinigungen durch das Inertgas 17 so lange zu verdünnen, bis ein vorgegebener Gehalt reaktiver Gase/Verunreinigungen erreicht ist. Möglich ist hierbei, zusätzlich noch den Vorgang des Volumenreduzierens und der Inertgasbefüllung zu verwenden, so dass bei der Vergrößerung des Volumens der Prozesskammer 3 bevorzugt immer ein Überdruck besteht und es neben der Verdünnung der reaktiven
GasA/erunreinigungen zusätzlich noch zur Inertgasbefüllung kommt.
Nach erfolgter Inertisierung wird das Einlassventil 20 geschlossen, und sowohl der Bauzylinder 9 samt seiner Bauplattform 13 als auch der Vorratszylinder 10 samt seinem Boden 14 fahren in ihre Ausgangspositionen zurück (Fig. 2c). Sobald der Deckel 18 mittels eines Greifersystems oder einer Glovebox entfernt worden ist, ist die Maschine 1 mit ihrer nun inertisierten Prozesskammer 3 bereit, mit der Herstellung eines Bauteils 2 zu beginnen.
Die Ansteuerung der Ein- und Auslassventile 19, 20 erfolgt bevorzugt automatisiert mittels einer Maschinensteuerung 21, kann aber prinzipiell auch manuell erfolgen.
Von Fig. 2 unterscheidet sich das in Fign. 3a bis 3c gezeigte Inertisierungsverfahren lediglich dadurch, wie der Vorratszylinder 10 mit dem Deckel 18 verschlossen wird.
Wie in Fig. 3a gezeigt, ist der in die Bodenöffnung 11 eingesetzte Vorratszylinder 10 an seinem oberen Zylinderende prozesskammerseitig offen. Der Vorratszylin- der 10 wird bis an die Prozesskammerdecke 7 hochgefahren, um mit seinem oberen Zylinderende einen an der Prozesskammerdecke 7 lösbar gehaltenen Deckel 18 aufzunehmen und dadurch verschlossen zu werden (Fig. 3b). Sobald der Vor ratszylinder 10 verschlossen ist, reduziert er das Prozesskammervolumen und damit das zu inertisierende Volumen. Der Deckel 18 verhindert, dass während der Inertisierung Pulvermaterial 4 aus dem Vorratszylinder 10 austritt und sich an der für den Laserstrahl transparenten Prozesskammerdecke 7 ablagert. Nach erfolgter Inertisierung fährt der Vorratszylinder 10 samt aufgenommenem Deckel 18 in seine Ausgangsposition zurück (Fig. 3c). Sobald der Deckel 18 mittels eines Greifersystems oder einer Glovebox entfernt worden ist, ist die Maschine 1 mit ihrer nun inertisierten Prozesskammer 3 bereit, mit der Herstellung eines Bauteils 2 zu beginnen.
Alternativ zum lösbar gehaltenen Deckel kann die Prozesskammerdecke 7 auch einen Dichtsitz für das obere Zylinderende aufweisen, um nur im ausgefahrenen Zustand den Vorratszylinder 10 abzudichten und so das Prozesskammervolumen zu reduzieren.
In Fig. 4 ist in der Prozesskammer 3 eine für den Laserstrahl 5 transparente, hö- henverfahrbare Zwischendecke 7a angeordnet, die an den Seitenwänden 8 abgedichtet und mittels eines nicht gezeigten Hubantriebs wie ein Kolben verschiebbar geführt ist. Mit anderen Worten bilden die Prozesskammerdecke 7 und die Zwischendecke 7a zusammen einen doppelten Boden. Vor dem Inertisieren werden sowohl die Bauplattform 13 möglichst weit innerhalb des Bauzylinders 9 hochgefahren und der Vorratszylinder 10 mit einem Deckel 18 verschlossen als auch die Zwischendecke 7a aus ihrer oberen Endstellung, in der sie an der eigentlichen Prozesskammerdecke 7 anliegt, so weit wie möglich nach unten verfahren, um dadurch das zu inertisierende Prozesskammervolumen zu reduzieren. Nach erfolgter Inertisierung wird die Zwischendecke 7a wieder zurück in ihre obere Endstellung gefahren.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Inertisieren einer Prozesskammer (3) einer Maschine (1 ) zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen (2) durch selektives Verfestigen eines in der Prozesskammer (3) schichtweise aufgebrachten Pulvermaterials (4) mittels eines auf das Pulvermaterial (4) einwirkenden Energiestrahls (5), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
a) Reduzieren des Volumens der Prozesskammer (3) durch Bewegen mindestens einer die Prozesskammer (3) begrenzenden, abgedichteten Maschinenkomponente (7a, 9, 10) in die Prozesskammer (3) hinein; und
b) anschließend Befüllen der volumenreduzierten Prozesskammer (3) mit einem Inertgas (17) und Zurückbewegen der mindestens einen Maschinenkomponente (7a, 9, 10).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Maschinenkomponente (7a, 9, 10) prozesskammerseitig geschlossen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Maschinenkomponente (9, 10) prozesskammerseitig offen ist und spätestens in ihrer in die Prozesskammer (3) hineinbewegten Endstellung prozesskammerseitig verschlossen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt a) mehrere Maschinenkomponenten (7a, 9, 10) in die Prozesskammer (3) hineinbewegt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt b) die mindestens eine Maschinenkom- ponente (7a, 9, 10) zurückbewegt wird, während das Inertgas (17) in die volumenreduzierte Prozesskammer (3) eingeleitet wird.
6. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt b) die mindestens eine Maschinenkomponente (7a, 9, 10) zurückbewegt wird, nachdem das Inertgas (17) in die volumenreduzierte Prozesskammer (3) eingeleitet wurde.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Maschinenkomponente ein in die Prozesskammer (3) mündender Zylinder (9, 10), insbesondere ein Bau- oder Vorratszylinder, ist, der in Schritt a) in die Prozesskammer (3) ausgefahren wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (9, 10) vor dem Ausfahren in die Prozesskammer (3) mit einem Deckel (18) verschlossen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (9, 10) in einer bis an eine gegenüberliegende Prozesskammerwand (7) ausgefahrenen Endstellung mit einem an der gegenüberliegenden Prozesskammerwand (7) befindlichen Deckel (18) oder Dichtsitz verschlossen wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Maschinenkomponente ein Kolben (13) ist, der in einem in die Prozesskammer (3) mündenden Zylinder (9) verfahrbar ist und in Schritt a) innerhalb des Zylinders (9) in Richtung auf die Prozesskammer (3) verfahren wird.
11.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Maschinenkomponente eine verfahrbare Prozesskammerwand (7a) ist.
12. Maschine (1 ) zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen (2) durch se- lektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Pulvermaterials (4) mittels eines auf das Pulvermaterial (4) einwirkenden Energiestrahls (5), mit einer inertisierbaren Prozesskammer (3) und mit mindestens einer die Prozesskammer (3) begrenzenden Maschinenkomponente (7a, 9, 10), dadurch gekennzeichnet,
dass die mindestens eine Maschinenkomponente (7a, 9, 10) zwischen zwei Endstellungen abgedichtet bewegbar ist, in denen die Maschinenkomponente (7a, 9, 10) unterschiedlich weit in die Prozesskammer (3) hineinragt.
13. Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Maschinenkomponente ein mit einem Deckel (18) oder mit einem Dichtsitz einer gegenüberliegenden Prozesskammerwand (7) verschließbarer Zylinder (9, 10), insbesondere ein Bau- oder Vorratszylinder, ist, der durch eine Prozesskammeröffnung (11 ) in die Prozesskammer (3) ausfahrbar ist.
14. Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (18) an der Prozesskammerdecke (7) lösbar gehalten ist, um vom ausgefahrenen Zylinder (9, 10) aufgenommen und von der Prozesskammerdecke (7) abgenommen zu werden.
15. Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Maschinenkomponente eine verfahrbare Prozesskammerwand (7a) ist.
16. Maschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammer (3) einen doppelten Boden mit einer festen und einer beweglichen Prozesskammerwand (7, 7a) aufweist.
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