WO2020035109A1 - 3d-metalldruckverfahren und anordnung für ein solches - Google Patents

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Kai K.O. Bär
Karl NEULINGER
Lars-Erik RÄNNAR
Andrey KOPTYUG
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Value & Intellectual Properties Management Gmbh
AIM Sweden AB
Additive Innovation and Research Sweden AB
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Definitions

  • the invention relates in particular to an electron beam-based 3D metal printing method for producing a spatial metal product in the
  • Metal product layer by layer by applying layers of starting material to a respective previously generated layer and selective local heating of predetermined points of the layer above a sintering or melting temperature and sintering or fusion of the melted points with the underlying layer at the corresponding points and a preliminary Heating of the existing partial metal product and / or a thermal aftertreatment is carried out. It also relates to an arrangement for performing such a method.
  • additive manufacturing or “3D printing”.
  • additive manufacturing or “3D printing”
  • These processes are based in part on melting and solidification steps and then exclude a selective local heating previously applied layers of starting material, which is also referred to here as “point-by-point” or “point-by-point scanning” heating.
  • a coordinate control is usually carried out via the Layers of raw material, movable laser beam or electron beam are used.
  • LMB laser beam processes
  • starting material cannot easily be recovered and used to manufacture further products, so that the use of the starting material in such processes leaves something to be desired.
  • the finished products have to be subjected to a subsequent thermal treatment (tempering, annealing) to relieve tension due to the selective thermal loads that occur in the manufacturing process.
  • a subsequent thermal treatment titanium, annealing
  • this takes a considerable amount of time and thus significantly reduces the productivity of the laser-based processes.
  • Electron beam processes require a lot of equipment and are currently only economically replaceable for products with relatively small dimensions and are therefore relatively little used. With them
  • the invention is based on the object of specifying an improved method of the generic type and an arrangement for its implementation, with which high productivity, economical use of materials and moderate energy consumption and thus overall reduced product costs
  • a thermal aftertreatment immediately after local melting is equally area or
  • Another idea of the invention is to perform the preheating or post-heating not spot-wise as in the established electron beam methods, but rather over a relatively large area (compared to the spot diameter of an electron beam).
  • the preheating should take place over an area of at least 5 mm 2 , more particularly of more than 20 mm 2 and even more particularly of more than 100 mm 2 .
  • Various contours of the radiation spot can be realized here, but from a practical point of view this will generally be rectangular. With a rectangular radiation spot, a scanning pre-heating or post-heating of the entire surface of the respective starting material layer can be implemented reliably and with relatively little control effort and with a short treatment tent.
  • Infrared (IR) radiation available at very low cost is used as the energy source, this expressly including the use of near-IR radiation, that is to say those with a radiation density maximum in the wavelength range between 0.8 and 1.5 mhi.
  • IR radiation Infrared
  • a combination with ceramic or other non-metallic powder is also possible.
  • the process can also be carried out with filament-shaped starting materials or as granules.
  • the IR radiation is sequentially in sections
  • Sections of the total area of the respective starting material layer are irradiated, the selective local heating via the sintering or
  • Melting temperature is carried out for predetermined points within a preheated section.
  • the pre-heating or voltage-reducing area after-heating thus “wanders” in particular in preparation and accompanying with the local heating via the sintering or melting temperature over the surface of the particular one to be treated
  • stripe-shaped i.e. the shape of a narrow rectangle
  • the geometry of the radiation spot is adjusted by choosing a reflector with a suitable geometry in accordance with the parameters of the IR emitter or NIR emitter used in such a way that the power density achieved meets the process requirements.
  • An important aspect here is that driving over the entire surface with the radiation spot to be preheated is coordinated with the subsequent selective local (selective) heating of the material for sintering and melting. The whole process should be in the interest of a high
  • the power density of the IR radiation irradiated over a large area or “migrating” on the surface of the uppermost starting material layer is above 1 MW / m 2
  • the radiation from at least one halogen radiator, in particular a plurality is considered to be near IR radiation Halogen lamps, with a lamp temperature of up to 3200 K, in particular in the range from 2900 K to 3200 K, are used.
  • the preheating according to the invention enables the application of much thicker layers of material than in the previous EBM processes, from the current point of view a thickness of more than 150 mm, more particularly of more than 300 mm and even more particularly of more than 500 mm.
  • the invention ensures that the starting material layers dimensioned in this way are completely warmed and, if necessary, also sufficient heat conduction into an underlying layer for better connection of the successive layers or to their layers
  • a temperature setting in the range between 600 and 800 ° C appears for the processing of titanium alloys and in the range between 1000 and 1200 ° C for nickel-based alloys or so-called super alloys.
  • the proposed solution enables a significant reduction in process times, both in relation to the layer and in relation to an overall product, in the order of 50% or more.
  • This device has an IR irradiation device for irradiation of IR radiation with a high power density on a predetermined area
  • Area areas should be considered, especially if the technology is made applicable to products that are significantly larger than those produced.
  • the IR irradiation device can have a smaller footprint than the work table and can also be positioned diagonally above or even laterally from this.
  • the NIR irradiation device When using the present invention in the context of the EBM process, which is carried out in a high vacuum, the NIR irradiation device
  • the special NIR radiation device has at least one rod-shaped (linear)
  • Halogen emitters in particular a plurality of halogen emitters, with an associated reflector in such a way that the radiation from the or each infrared emitter is concentrated in the direction of the work table.
  • the IR irradiation device can also comprise an array of high-performance NIR laser diodes, and in such an embodiment it is also possible to largely dispense with special reflectors.
  • the plurality of halogen spotlights with an associated reflector are mounted above the work table in a position-controlled manner in at least one axis direction of an XY plane.
  • Execution serves to implement a process control in which the preheating is carried out only for a specific Tell surface section of the metal product being created and this area “wanders” over the surface to be processed.
  • the plurality of halogen spotlights with an associated reflector are attached in a stationary manner or at most vertically adjustable above the work table.
  • the means for effecting a selective local heating of predetermined points include a previously applied point
  • the invention provides, at least in certain embodiments, several significant advantages over methods according to the prior art.
  • the heating essentially only enables the last starting material layer immediately before local sintering or melting to heat large workpiece volumes, and is therefore basically energy-saving and reduces the thermal load on the overall device.
  • the procedure according to the invention reduces the permanent action of relatively high temperatures on areas not sintered or fused according to the program of starting material layers processed in earlier method steps and thus unintentional softening and
  • the invention enables improved drying of the starting material as the basis for a qualitatively improved melting or sintering process, and there also appears to be a positive influence on the conductivity of the metal powder with regard to the to result in subsequent selective exposure to the electron beam, in particular in the sense of accelerating the desired changes compared to electron beam preheating.
  • the invention further provides the advantages of a substantial time and cost saving through the extensive elimination of such support structures and thus also the elimination of the post-processing steps for their removal. Equally serious is the time saved and the resulting productivity advantage due to the elimination or at least the shortening of a total thermal post-processing of the finished product to relieve tension.
  • FIG. 1 shows a sketch of an arrangement 100 for the additive manufacturing of a spatial metal product P (which is still incompletely shown here), which is formed from a metal powder bed 101 by means of layer-wise application of metal powder and scanning local heating of the individual layers
  • the arrangement comprises a work table 103, on which the
  • a powder application device for feeding metal powder into the actual work area comprises a stamp 105 which can be moved vertically in the direction of arrow B, that is to say in the opposite direction to arrow A, and a powder application doctor 107 which can be moved in the direction of arrow C and on the stamp 105 Metal powder 109 taken up as a supply in individual layers
  • predetermined thickness in the work area ie in the figure to the right in the powder bed 101. It is pointed out that the means for the successive application of powder layers to the work table, the metal powder bed 101 formed there are shown only by way of example and symbolically in the figure; The actual execution of this step in the implementation of the invention can take place according to established techniques.
  • An NIR radiation source 111 which in the example is formed by a single halogen lamp purple and an associated reflector 111b, is positioned above the working area. As symbolized by the arrows D1 and D2, the NIR radiation source 111 can be moved laterally back and forth over the powder bed 101 and serves to preheat the respectively irradiated sections of the powder bed to a temperature below a sintering or melting temperature
  • Metal powder is also used for thermal aftertreatment
  • the NIR radiation source 111 can also comprise a plurality of halogen lamps with a reflector which is then appropriately shaped.
  • Deflection unit 115 is arranged above the work area. The
  • Deflection unit 115 directs an electron beam E generated by the electron beam tube 113 to any one, through manufacturing drawings of the
  • Metal product P with respect to its individual layers predetermined points on the surface of the preheated powder bed 101.
  • the powder bed 101 preheated by the NIR radiation on its surface is heated above the sintering or melting temperature at the impact points predetermined according to the product geometry. This will make one in those places Sintering with the respective underlying layer and thus the next layer of the metal product P is formed.
  • the metal powder 109 remains in those places where it does not have the sintered or
  • Electron tube 113 the performance of the
  • the entire arrangement is accommodated in a vacuum chamber 117, which is assigned a vacuum generator 119 for generating a high vacuum in the vacuum chamber during the manufacturing process of a product.

Abstract

SD-Metalldruckverfahren zur Herstellung eines räumlichen Metallprodukts im Wesentlichen aus einem Metallpulver oder Metallfilamenten als Ausgangsmaterial, 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 bzw, werden, wobei mindestens die jeweils neu aufgebrachte Ausgangsmaterial-Lage durch derart flächige Einstrahlung von IR-Strahlung, dass auf der Oberfläche der Ausgangsmaterial-Lage ein Strahlungs-Fleck mit einer Fläche von mindestens 5mm2, spezieller von mehr als 20mm2 und noch spezieller von mehr als 100mm2, gebildet wird, vor-erwärmt und/oder im Anschluss an die lokale Erhitzung der vorgegebenen Punkte zum thermischen Spannungsausgleich nach-behandelt wird.

Description

3D-Metalldruckverfahren und Anordnung für ein solches
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein insbesondere elektronenstrahlbasiertes 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 an den entsprechenden Punkten aufgebaut wird und wobei eine Vor-Erwärmung 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 Ausgangsmaterial-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 Ausgangsmaterial-Lagen verfahrbarer Laserstrahl oder Elektronenstrahl eingesetzt.
In der Praxis dominieren derzeit Laserstrahl-Verfahren (LMB), 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 derzeit wirtschaftlich nur für Produkte mit relativ geringen Abmessungen ersetzbar und daher noch relativ wenig verbreitet. Bei ihnen erfolgt
üblicherweise eine Vor-Erwärmung der obersten Ausgangsmateriallage 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 9 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 und/oder eine parallele unterstützende Erwärmung während des punktweisen
Aufschmelzens 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, die Vor-Erwärmung bzw. Nach-Heizung nicht wie bei den etablierten Elektronenstrahlverfahren spot-weise, sondern flächig über relativ große Bereiche (verglichen mit dem Spot-Durchmesser eines Elektronenstrahls) vorzunehmen. Speziell soll die Vor-Erwärmung über eine Fläche von jeweils mindestens 5mm2 , spezieller von mehr als 20 mm2 und noch spezieller von mehr als 100 mm2, erfolgen. Hierbei sind verschiedene Konturen des Strahlungsflecks realisierbar, unter praktischen Gesichtspunkten wird dieser jedoch in der Regel rechteckig sein. Mit einem rechteckigen Strahlungsfleck lässt sich eine abtastende Vor-Erwärmung oder Nach-Heizung der Gesamtoberfläche der Jeweiligen Ausgangsmaterial-Lage zuverlässig und mit relativ geringem Steuerungsaufwand und mit kurzer Behandlungszelt realisieren.
Als Energiequelle wird sehr kostengünstig verfügbare Infrarot(IR)-Strahlung eingesetzt, wobei dies ausdrücklich den Einsatz von naher IR-Strahlung, also solcher mit einem Strahlungsdichtemaximum im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 und 1,5 mhi, einschließt. In praktisch bedeutsamen Ausführungen wird als Metallpulver ein Aluminium-, Edelstahl-, oder Titanpulver oder auch Refraktärmetall-Pulver bzw. Pulver aus Legierungen mit diesen Metallen eingesetzt. Auch eine Kombination mit Keramikoder anderem nichtmetallischem Pulver ist möglich. Grundsätzlich kann das Verfahren auch mit Ausgangsmaterialien Filament-Form oder auch als Granulat, ausgeführt werden.
In einer Ausführung wird die 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 insbesondere vorbereitend und begleitend mit der lokalen Erhitzung über die Sinter- oder Schmelztemperatur über die Oberfläche der jeweils zu behandelnden
Ausgangsmaterial-Lage hinweg.
In einer aus derzeitiger Sicht bevorzugten Ausgestaltung wird ein
streifenförmiger, also die Form eines schmalen Rechtecks aufweisender
Strahlungsfleck auf der Oberfläche des im Aufbau befindlichen Metallprodukts erzeugt, der sich über die gesamte Breite oder Länge des Produkts erstreckt. Dieser Streifen wird dann senkrecht zu seiner Erstreckungsrichtung über die Oberfläche bewegt, so dass sukzessive die gesamte Oberfläche der letzten Ausgangsmaterial-Lage vorgewärmt wird.
Die Geometrie des Strahlungsflecks, speziell die Breite eines streifenförmigen Strahlungsflecks, wird durch Wahl eines Reflektors mit geeigneter Geometrie in Abstimmung auf die Parameter des eingesetzten IR-Strahlers bzw. NIR-Strahlers derart eingestellt, dass die erreichte Leistungsdichte den Prozessanforderungen genügt. Ein wichtiger Aspekt ist hierbei, dass das Überfahren der gesamten Oberfläche mit dem zu vorwärmenden Strahlungsfleck abgestimmt ist auf die nachfolgende selektive lokale (punktuelle) Erhitzung des Materials zum Sintern und Aufschmelzen. Der gesamte Ablauf soll im Interesse einer hohen
Verfahrensökonomie möglichst wenig Zeit in Anspruch nehmen. Dient die Beaufschlagung mit der IR-Strahlung allerdings einem Nach-Heizen zum Zwecke einer Spannungsreduzierung oder eines Temperns o.ä., sind die physikalischen Bedingungen bei dem zu erzielenden Effekt primär zu beachten. 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
Elektronenstrahl bewirkt. Sinnvollerweise ist die punktuelle Beaufschlagung der vorgewärmten Ausgangsmaterial-Lage mit dem Elektronenstrahl auf die oben erwähnte bereichsweise und speziell streifenförmige Beaufschlagung mit der zum Vorwärmen dienenden Strahlung zu synchronisieren. Insbesondere sollte der Elektronenstahl auf optimal vorgewärmte (und nicht wieder bereits etwas abgekühlte) Punkte der Ausgangsmaterial-Lage treffen. Die Steuerung der Elektronenstrahlablenkung ist also mit der Steuerung der IR- Bestrahlungseinrichtung zu verknüpfen.
In zweckmäßigen Ausgestaltungen des Verfahrens liegt die Leistungsdichte der flächig oder„wandernd" eingestrahlten IR-Strahlung auf der Oberfläche der obersten Ausgangsmaterial-Lage oberhalb lMW/m2, und es wird als nahe IR- Strahlung die Strahlung mindestens eines Halogenstrahlers, insbesondere einer Mehrzahl von Halogenstrahlern, mit einer Strahlertemperatur von bis zu 3200 K, insbesondere im Bereich von 2900 K bis 3200 K, genutzt.
Die erfindungsgemäße Vorwärmung ermöglicht den Auftrag wesentlich dickerer Materialschichten als bei den bisherigen EBM-Verfahren, und zwar aus derzeitiger Sicht eine Dicke von mehr als 150mm, spezieller von mehr als 300mm und noch spezieller von mehr als 500mm. Die Erfindung gewährleistet, dass derartig bemessene Ausgangsmaterial-Lagen vollständig durchwärmt werden und ggfs, auch noch eine hinreichende Wärmeleitung in eine darunterliegende Schicht zur besseren Verbindung der aufeinanderfolgenden Schichten bzw. zu deren
Eigenschaftsverbesserung beiträgt.
Inwieweit sich qualitativ hochwertige Produkte aus derartig dicken
Materialschichten mit hoher Produktivität auf bauen lassen, wird bei den
elektrodenstrahlbasierten Verfahren von der Möglichkeit des Einsatzes
leistungsstarker Elektronenstrahlquellen und zugehöriger Ablenk- und
Fokussierungseinrichtungen abhängen. Das hier vorgeschlagene Verfahren schafft jedenfalls weitreichende Voraussetzungen hierfür.
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 1200 °C, eingestellt ist und
insbesondere durch eine Zeit- und/oder Strahlungsdichtesteuerung der flächigen Einstrahlung der IR-Strahlung geregelt wird. Beispielsweise für die Verarbeitung von Titan-Legierungen erscheint eine Temperatureinstellung im Bereich zwischen 600 und 800 °C und für Nickel-basierte Legierungen bzw. sog. Super-Alloys im Bereich zwischen 1000 und 1200 °C erfolgen.
Für die Optimierung des Gesamtprozesses ist Insbesondere bei
elektronenstrahlbasierten Verfahren die Einhaltung eines materialspezieflsch vorbestimmten Temperaturbereichs („Fensters") der jeweils prozessierten Schicht für eine vorbestimmte Zeit von Bedeutung. Die Einwirkung der eher flächigen IR- Strahlung und des eher punktuellen Elektronenstrahls Ist also bevorzugt steuerungsseitig auf die Gewährleistung eines solchen Temperatur-/Zeitfensters abzustimmen.
Insgesamt ermöglicht die vorgeschlagene Lösung eine deutliche Verkürzung der Prozesszeiten, sowohl schichtbezogen als auch auf ein Gesamtprodukt bezogen, in der Größenordnung von 50% oder mehr.
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 3D- 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 IR-Bestrahlungseinrichtung zur Einstrahlung von IR- Strahlung mit hoher Leistungsdichte auf eine vorbestimmte Fläche von
mindestens 5 mm2, spezieller von mehr als 20 mm2, noch spezieller von mehr als 100 mm2 im Bereich des Arbeitstisches auf. Aus derzeitiger Sicht kann bei der weiteren Entwicklung der EBM-Technologie unter Einbindung der vorliegenden Erfindung auch eine gleichzeitige Vorwärmung wesentlich größerer
Flächenbereiche in Betracht kommen, insbesondere wenn die Technologie für deutlich größere als die damit erzeugten Produkte anwendbar gemacht wird.
Die Formulierung„im Bereich des Arbeitstisches" ist in einem allgemeinen Sinne zu verstehen und bedeutet nicht notwendigerweise, dass die IR- 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 spezielle NIR- Bestrahlungseinrichtung mindestens einen stabförmigen (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 ggfs, 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 Vor- Erwärmung jeweils nur für einen konkret zu bearbeiten Tell-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 umfassen die Mittel zum Bewirken einer selektiven lokalen Erhitzung vorgegebener Punkte einer vorab aufgebrachten
Ausgangsmaterial-Lage eine Elektronenstrahlkanone mit zugehörigen
Ablenkeinrichtungen zur Strahlpositionierung gemäß der gewünschten
Produktgeometrie.
Die Erfindung erbringt, mindestens in gewissen Ausführungsformen, mehrere erhebliche Vorteile gegenüber Verfahren nach dem Stand der Technik.
Im Vergleich zu Wärmekammer-Lösungen ermöglicht es die Erwärmung im Wesentlichen nur der letzten Ausgangsmaterial-Lage unmittelbar vor dem lokalen Versintern bzw. Verschmelzen, große Werkstückvolumina zu erwärmen, 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. Gegenüber bekannten EBM-Verfahren lässt sich nach den Erkenntnissen der Erfinder mit der Erfindung eine verbesserte Trocknung des Ausgangsmaterials als Grundlage für einen qualitativ verbesserten Verschmelzungs- bzw. Sintervorgang erreichen, und es scheint sich auch ein positiver Einfluss auf die Leitfähigkeit des Metallpulvers im Hinblick auf die nachfolgende selektive Beaufschlagung mit dem Elektronenstrahl zu ergeben, insbesondere im Sinne einer Beschleunigung der erwünschten Veränderungen gegenüber einer Elektronenstrahl-Vorwärmung.
Mit der erfindungsgemäßen Durchwärmung größerer Bereiche der zuletzt aufgetragenen Ausgangs-Material läge lässt sich nach den Erkenntnissen der Erfinder auch ein Nach-Heizen der vorab aufgebrachten und punktuell
verschmolzenen bzw. versinterten Materiallage im Sinne eines Temperns bzw. Annealing verknüpfen. Dies bietet die Möglichkeit einer strukturellen
Qualitätsverbesserung des erzeugten Metallprodukts.
Speziell im Vergleich zu 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 einzigen Figur.
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 fortschreitenden 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 Pulverauftragsrakel 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. Es wird darauf hingewiesen, dass die Mittel zur sukzessiven Aufbringung von Pulverschichten auf den Arbeitstisch das dort ausgebildete Metallpulver-Bett 101 in der Figur lediglich beispielhaft und symbolisch gezeigt sind; Die tatsächliche Ausführung dieses Arbeitsschrittes im Rahmen der Realisierung der Erfindung kann gemäß etablierten Techniken erfolgen.
Oberhalb des Arbeitsbereiches ist eine NIR-Strahlungsquelle 111, 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.
Eine Elektronenstrahlröhre 113 mit zugehöriger koordinatengesteuerter
Ablenkeinheit 115 ist oberhalb des Arbeitsbereiches angeordnet. 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 vorgewärmten Pulverbettes 101. Mit dem Elektronenstrahl wird das durch die NIR-Strahlung an seiner Oberfläche vor-erwärmte Pulverbett 101 an den gemäß der Produktgeometrie vorbestimmten Auftreffpunkten über die Sinter- bzw. Schmelztemperatur erhitzt. Hierdurch wird an jenen Stellen ein Versintern mit der jeweils darunter liegenden Schicht bewirkt und somit die nächste Schicht des Metallprodukts P ausgebildet. 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.
Durch eine (nicht gezeigte) Leistungs- Betriebsstromsteuerung der
Elektronenröhre 113 lässt sich 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.
Die gesamte Anordnung ist in einer Vakuumkammer 117 untergebracht, der ein Vakuumgenerator 119 zur Erzeugung eines Hochvakuums in der Vakuumkammer während des Herstellungsprozesses eines Produktes zugeordnet ist.
Im Übrigen ist die Ausführung der Erfindung auch in einer Vielzahl von
Abwandlungen des hier gezeigten Beispiels 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 als
Ausgangsmaterial,
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 bzw. werden,
wobei mindestens die jeweils neu aufgebrachte Ausgangsmaterial-Lage durch derart flächige Einstrahlung von IR-Strahlung, dass auf der Oberfläche der Ausgangsmaterial-Lage ein Strahlungs-Fleck mit einer Fläche von mindestens 5mm2, spezieller von mehr als 20mm2 und noch spezieller von mehr als 100mm2, gebildet wird, vor-erwärmt und/oder zeitgleich mit der selektiven lokalen
Erhitzung zusatz-erwärmt und/oder im Anschluss an die lokale Erhitzung der vorgegebenen Punkte zum thermischen Spannungsausgleich nach-behandelt wird.
2. 3D-Metalldruckverfahren nach Anspruch 1, wobei die flächige Einstrahlung von IR-Strahlung derart erfolgt, dass eine Vor-Erwärmung der neu aufgebrachten Ausgangsmaterial-Lage und eine Zusatz-Erwärmung während der selektiven lokalen Erhitzung erfolgt, wobei insbesondere ein vorbestimmter
Temperaturbereich für eine vorbestimmte Zeitdauer eingehalten wird.
3. 3D-Metalldruckverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die IR-Strahlung sequentiell abschnittsweise in Teilabschnitte der Gesamtfläche der jeweiligen Ausgangsmaterial-Lage eingestrahlt wird, wobei die Teilabschnitte insbesondere die Form schmaler Rechtecke haben, deren Länge mindestens einer lateralen Abmessung des zu bildenden Metallprodukts entspricht.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
Leistungsdichte der flächig eingestrahlten IR-Strahlung auf der Ausgangsmaterial- Lage oberhalb 1 MW/m2 liegt.
5. 3D-Metalldruckverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als IR-Strahlung die Strahlung mindestens eines Halogenstrahlers, insbesondere einer Mehrzahl von Halogenstrahlern, mit einer Strahlertemperatur insbesondere im Bereich von 2900 K bis 3200 K, genutzt wird.
6. 3D-Metalldruckverfahren nach Anspruch 5, wobei zur Erzeugung eines schmal rechteckigen Strahlungsflecks mehr als ein stabförmiger IR-Strahler, insbesondere Halogenstrahler, mit zugeordnetem Reflektor eingesetzt wird.
7. 3D-Metalldruckverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die selektive lokale Erhitzung vorgegebener Punkte durch Abtasten der
Ausgangsmaterial-Lage mit einem Elektronenstrahl bewirkt wird.
8. 3D-Metalldruckverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede aufgebrachte Ausgangsmaterial-Lage eine Dicke von mindestens 150mm, spezieller von mehr als 300mm und noch spezieller von mehr als 500mm, hat und In voller Dicke durch die IR-Strahlung durchwärmt wird.
9. 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-Erwärmung oder thermischen Nachbehandlung, die eine IR-Bestrahlungseinrichtung zur Erzeugung eines Strahlungsflecks mit einer Fläche von mindestens 5mm2, spezieller von mehr als 20mm2 und noch spezieller von mehr als 100mm2, aufweist, und
Mittel zum Bewirken einer selektiven lokalen Erhitzung vorgegebener Punkte der neuen Ausgangsmaterial-Lage über eine Sinter- oder
Schmelztemperatur des Metallpulvers.
10. Anordnung nach Anspruch 9, 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.
11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die IR-Bestrahlungseinrichtung mindestens einen IR-Strahler, insbesondere Halogenstrahler, mit derart zugeordnetem und ausgebildetem Reflektor aufweist, dass die Strahlung des oder jedes Infrarotstrahlers In Richtung auf den Arbeitstisch konzentriert wird und auf der letzten Ausgangsmaterial-Lage den Strahlungsfleck mit einer Fläche von mindestens 5mm2, spezieller von mehr als 20mm2 und noch spezieller von mehr als 100mm2 gebildet wird.
12. Anordnung nach Anspruch 11, wobei der IR-Strahler oder eine Mehrzahl von IR-Strahlern mit zugeordnetem Reflektor in mindestens einer Achsenrichtung einer XY-Ebene verfahrbar über dem Arbeitstisch angebracht ist.
13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der oder die Halogenstrahler zum Betrieb mit einer Strahlertemperatur im Bereich von 2900 K bis 3200 K ausgelegt ist/sind.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die IR- Bestrahlungseinrichtung mit mindestens einem stabförmigen IR-Strahler, insbesondere Halogenstrahler, ausgerüstet ist, dessen Länge mindestens einer Abmessung des zu erzeugenden Metaliprodukts entspricht, und eine Einrichtung zum Verfahren des IR-Strahlers in genau einer Achsenrichtung der XY-Ebene umfasst.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, mit einer
Erwärmunssteuereinrichtung, die über Steuerausgänge mit der Flächen- Erwärmungseinrichtung und den Mitteln zum Bewirken einer selektiven lokalen Erhitzung verbunden ist und diese gemäß einem Erwärmungssteuerprogramm derart steuert, dass in der neuen Ausgangsmaterial-Lage eine Temperatur in einem vorbestimmten Temperaturbereich für eine vorbestimmte Zeitdauer gehalten wird.
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