WO2020053203A1 - Verfahren zum ablösen metallischer stützstrukturen in der additiven fertigung - Google Patents

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Definitions

  • the invention is in the field of additive manufacturing or the field of additive manufacturing processes and relates in particular to laser and electron beam-based processes which start from metallic or metal-containing powders.
  • the powder-based additive manufacturing is typically based on the stacking of individual powder layers and the local consolidation of the powder to the desired component.
  • Metallic powders are locally consolidated using 3D printing or selective melting with fibers or electron beams. Particles of individual areas of the current layer are bonded to one another and to those of the layer underneath using a binder or permanently fused using fibers or an electron beam. A residual porosity can be reduced to almost 1% during melting. Selective melting with fiber or electron beam thus enables the construction of "ready to use" components that have a high density and can be used directly.
  • the parts are initially still connected to the metallic building platform by a so-called support structure (support structure).
  • the support structures fix the component in the powder bed, so that it cannot be moved when the powder layers are applied and does not warp and deform when the powder is melted locally.
  • support structure fix the component in the powder bed, so that it cannot be moved when the powder layers are applied and does not warp and deform when the powder is melted locally.
  • Support structures represent additional process steps that are time and resource intensive. They stand in the way of autonomous production, which can be implemented by means of additive production, since the removal of the support structures cannot generally be automated.
  • Proposed component that includes the following process steps:
  • the metallic support structure comprises at least one detachment point that has an electrical resistance of an adjacent section of the
  • the metallic support structure connects the metallic component to the work platform at or near the detachment point
  • the detachment of the metallic component takes place by causing an electrical current in the detachment point, in that the electrical current provides a thermal energy required to melt the detachment point.
  • Turbine blade or some other type of object.
  • the metallic support structure comprises at least one detachment point which has a different electrical resistance to an electrical resistance of an adjacent section of the support structure and to an electrical resistance of an adjacent section of the metallic component;
  • Detaching the metallic component from the metallic support structure wherein the detaching of the metallic component takes place by causing an electrical current in the detachment point, in that the electrical current provides a thermal energy required to melt the detachment point.
  • the proposed method further comprises the process step: at least partial or complete depulping of the metallic component and the support structure, the provision of the metallic powder and the consolidation typically taking place sequentially and in layers in a powder bed.
  • Advantages of this embodiment result from the elimination of the time-consuming, typically manual removal of the support structures which are often indispensable in the additive powder bed-based production of metallic components as a result of the component being released.
  • a further advantage results from the recovery / recycling of the metallic powder which can be used to form new powder layers for the production of further new components before it is contaminated by additional coarser particles which form when the detachment points melt.
  • the electrical current is brought about in the separation point by contacting the work platform and the component
  • the support structure typically forms the component, the support structure with the
  • Detachment points and the construction platform a closed conductor loop, which is suitable for inducing a current flow through external alternating fields.
  • Eddy currents in the separation point (s) result in advantages from the non-contact work steps for contacting the component and the construction platform that do not require any special work steps.
  • the detachment point has an effective surface cross-section that is reduced compared to an average cross-section of the support structure.
  • the average cross-sectional area of the support structure is at the
  • Detachment point is significantly less than in a section which is further away from the metallic component than the detachment point. Advantages arise from a reduced current carrying capacity of the support structure at the detachment point for the same type of material. This results in increased heating compared to other sections of the support structure, possibly up to the melting temperature of the material of the detachment point.
  • the detachment point comprises an electrically conductive material which has an increased specific electrical resistance compared to the resistance of the remelted metal powder.
  • a detachment point can be designed so that it is suitable for absorbing larger mechanical loads (mechanical stresses).
  • the detachment point comprises a material which comprises an electrically conductive material which has a melting temperature which is lower than the melting temperature of the adjacent material of the support structure.
  • Advantages of this embodiment can result, for example, from the fact that after the material of the detachment point has melted, the component is no longer (materially) connected to the support structure, but rests on it, so that it can be removed from the support structure without damaging the component can.
  • the detachment point has a multiplicity of uniform cylinders which are adjacent to one another in groups, an average cross-sectional area of an individual cylinder being from 0.0025 mm to 0.1 mm.
  • Advantages of this embodiment include its simple representability by means of CAD software and a simple calculation of the respective cross-sectional areas.
  • the size of a contact area of the support structure with the component that is to say the contact area of the detachment point with the component
  • a cross-sectional area of the support structure in particular the cross-sectional area of the section of the support structure which is referred to here continuously as the detachment point and which is in the immediate vicinity of a surface of the component, can be A to 1/20, preferably 1/5 to 1 / 20, more preferably 1/5 to 1/10 of the size of the contact area of the support structure with the construction platform.
  • the effecting of a current takes place in the separation point by contacting the component and the work platform, the electrical contact of the component takes place via a liquid contact medium with an electrode arranged in the liquid contact medium.
  • the contact medium advantageously also surrounds complex geometries of a component, so that - depending on a possibly advantageous one
  • Detachment points can be melted at the same time.
  • the electrode can be connected to a current source.
  • the electrode can also be a ground electrode. An at least temporarily available one is decisive
  • the liquid contact medium is selected from: mercury, gallium, a gallium alloy, a metal bath, a molten salt, and an ionic liquid, the component being immersed in the liquid contact medium up to a level which typically does not touch the support structure , so that in this way the component is electrically contacted at locations where the component is wetted with the liquid contact medium, and the construction platform is connected to a power source via a further electrical contact for a current flow through the separation point.
  • the component simply falls into the liquid contact medium.
  • Suitable support elements arranged in the container containing the liquid contact medium e.g. tub, tank
  • the component can prevent the component from being undesirably wetted with the liquid contact medium.
  • a violent increase in a level of the liquid contact medium in the container upon immersion and a possible associated loss of the liquid contact medium or its contamination can be avoided.
  • the effecting of the electrical current is carried out by a current pulse of a strength of 300 to 3000 A over a pulse duration of 0.02 to 1 second.
  • a current pulse can be introduced into a suitably contacted component so that it flows over the separation points and, at least initially, causes their at least partial melting.
  • a second current pulse and possibly further current pulses following it or a constant current flow can cause the remaining melting points to melt further.
  • a pulse of the designated duration advantageously suppresses the formation of a plasma which may damage the surface of the metallic component or suppresses undesired spark erosion of the surface of the component.
  • the proposed method further comprises:
  • the reactive gas proposed above is selected from: air, oxygen, and an aerosol.
  • Such an atmosphere advantageously allows the removal point material to be removed more easily, for example by evaporation.
  • a tungsten oxide formed in the presence of air or oxygen has a low vapor pressure, so that its formation from a melting tungsten detachment point causes rapid material removal, which accelerates further melting and the associated material removal.
  • Molybdenum oxide is also volatile.
  • alloying elements can also be offered, which then have the melting point of the material, from the component and at the overheated points of the stripping structure
  • Support structure are built, lowered over alloy.
  • the formation of the defined atmosphere surrounding the component comprises the formation of an inert gas atmosphere.
  • Inert gases such as nitrogen or noble gases can advantageously form certain compounds, e.g. of oxides.
  • nitrogen or noble gases can advantageously form certain compounds, e.g. of oxides.
  • the formation of additional phases can be prevented in an inert gas atmosphere.
  • the inert, free-flowing material advantageously prevents contamination of the component with spratzem molten metal. This also prevents between
  • the inert free-flowing material can comprise quartz sand.
  • the inert free-flowing material can likewise comprise a mineral or a mineral powder.
  • the inert free-flowing material can include vermiculite.
  • the use of a method according to at least one of the above-mentioned embodiments for producing a metallic component is proposed.
  • the metallic component is selected, for example, from a dental prosthesis, a component of a dental prosthesis, a gear wheel, a turbine blade, or another arbitrarily shaped metallic component.
  • Mass production of wear parts can be used.
  • prototypes or small batch sizes of a metallic component can also be easily manufactured using 3D printing.
  • the proposed method makes it considerably easier to separate the component from the support structures connected to the construction platform.
  • SLM selective laser melting
  • SLS selective laser sintering
  • electron beam melting of metallic powders the components with support structures are attached to the metallic building platform.
  • the support structures have to be removed mechanically from the component, which represents an additional and typically complex process step. If support structures were also used for laser cladding, these would also have to be removed after the component has been manufactured.
  • the metallic component and the metallic building platform are contacted, possibly after at least partial de-pulping, in such a way that at least one electrical current pulse, typically a sequence of several current pulses, flows through the metallic component and the support structures, and thus also through the component the separation points of the support structures connecting the support structures flows.
  • At least one electrical current pulse typically a sequence of several current pulses
  • a locally increased ohmic resistance of geometrically predetermined sections of the support structures - and, for example, in the case of alternating voltage, additionally induced eddy currents - and the resulting drastic heating causes their current-induced melting and thus the release of the support structures from the component.
  • Sections of the support structure (s) that connect the component directly to the support structure are referred to as separation points.
  • transfer point refers to one
  • the metallic support structures are constructed in sections more filigree than the metallic component and thus offer a smaller cross section for the current flow, so that it locally heats up the specially provided sections of the support structure, that is to say the detachment points, to the melting temperature of the Detachable metals or alloys comes.
  • their cross section for example, is specifically reduced compared to a medium effective cross section of the component and support structures.
  • the sections with a reduced cross section and thus significantly reduced current carrying capacity define the geometry of the separation zone.
  • Detachment points which can be, for example, the smallest cross section of the support structure, are heated by means of ohmic resistance in such a way that they are local melt and release the component or at least make it mechanically removable from the support structure with comparatively little effort and effort.
  • the support structure offers a maximum of approximately 1/2 of the cross-sectional area as the actual component or the construction platform for a current flow. This results in an increased electrical resistance relative to the component, R st ut z, the support structure. After the additive structure of the metallic component, this electrical resistance is connected in series with the electrical resistances of the component and the construction platform, if a voltage between the component and
  • Construction platform implemented power with a current flow I and a given voltage U:
  • the power available at the detachment point for heating the detachment point is at least twice as high as in the component or the construction platform or the support structure. According to typical embodiments, the outputs for rapid heating should be at least in the kW range per mm of A a bios. The length of one
  • Detachment point is typically between 0.1 mm to a few 10 mm.
  • Cross-sectional area of the support structure and 10 mm length of the detachment point for some, only selected as an example, metals.
  • the required for the melting of the separation points duration of a current pulse flowing through the support structure (separation point) corresponding current strength results from the heating of a material volume of 1 mm cross-sectional area and 10 mm height to the melting temperature at 1 kW heating power without taking into account the heat occurring Losses from radiation or convection.
  • a transient thermal treatment (cooling or heating) of the support structure can set the electrical resistance of the detachment point to that of the component or the support structure, which generally have a smaller surface area relative to the volume and therefore cools or heats up less quickly.
  • an increase in the temperature generally leads to an increase in the ohmic resistance in the case of metallic materials. Local heating through ohmic resistance thus leads to the formation of "hot spots", since the heating in turn increases the resistance.
  • only relatively small changes in the cross-sectional area of the detachment structure are necessary to take advantage of this self-reinforcing effect.
  • an electrical current flow between the component and the work platform it is proposed to let an electrical current flow between the component and the work platform.
  • the support element is heated up to the temperature required for melting at exactly these sections (separation points).
  • electrical current is locally converted into the heat required for melting.
  • the electrical heating current first softens that part of the metallic support element with the lowest current carrying capacity and then causes its melting, whereby the current flow is locally interrupted due to the effect of the surface tension of the molten metal according to the principle of a fuse (fuse).
  • Remaining and already heated current-carrying sections of low current carrying capacity heat up due to the cascading increase
  • the reduced current carrying capacity can be achieved by locally reducing the effective cross section in the relevant section of the support structure.
  • the reduced current carrying capacity can be replaced by another specific electrical conductivity, e.g. due to a different type of material.
  • the support elements are thus suitably adapted to the desired melting characteristics and are designed in the form of detachment points in an area which is in direct contact with the metallic component. Transfer points can be in their
  • Cross-sectional area can be reduced compared to an average cross-sectional area of the support structure.
  • the cross-section of the support structure is reduced to 1/2 to 1/10, in particular between 1/2 and 1/5, of the central cross-sectional area of the support structure in the area of its direct contact with the metallic component.
  • Support structures suitable for the purpose described are constructed in such a way that they have a reduction in their cross section for the current flow between the component and the construction platform. At the point of the reduced cross-section, melting of the support structure is then initiated by the current flow. At the moment of the local melting of the support structure, the component is separated from the building platform by lifting / loosening.
  • the ohmic resistance of the support structure can be increased further by heating the support structure by means of an air stream, which heats the support structure faster relative to the component due to the increased surface of the filigree support structure.
  • the necessary contacting of the component and the construction platform is carried out using a suitable device, for example suitably dimensioned cables.
  • a suitable device for example suitably dimensioned cables.
  • the release of the component from the support structure is also under the weight of the component possible.
  • the component can be contacted via a liquid or flexible contact medium, for example a mercury bath, with an electrode contacting the mercury bath, the electrode being connected to a power source, while the (platform) construction platform arranged above it is connected with a suitably dimensioned cable, for example via a pole piece with which the power source is reliably connected.
  • an eddy current induced in the detachment point (s) of the support structure (s) can generate the heat required for the intended detachment of the detachment point (s).
  • an eddy current can be induced via a coil driven by alternating current.
  • a magnetron can also be used to induce the necessary eddy currents by means of high-frequency microwave radiation and thus to provide the required melting energy.
  • the support structure can have a geometry that specifically enables the induction of an eddy current or current through an external alternating field.
  • Construction of a metallic support structure taking into account its electrical, ohmic resistance by adapting the cross-section of the support structure available for a current flow between the component and the construction platform.
  • 4.Process steps in the detachment process of a metallic component therefore include: applying an electrical voltage between the component and the construction platform, generating a current flow through the support structure and its detachment points that are directly electrically connected to the component, local heating of the detachment points through their ohmic resistance, which is set specifically over the length of the support structure Resistance, local melting of the support structure at locations of its electrical contact with the component (ie melting of the detachment points), and separation or removal of the component.
  • Heating the component with support structures by means of a heat flow e.g. hot air, thereby faster heating of the detachment points of the support structure through a suitable design of the support structure, e.g. due to a large surface area in relation to the volume in the area of the detachment points, and thus locally (selective) increase in the ohmic resistance of the metallic support structure in the area of the detachment points.
  • a heat flow e.g. hot air
  • a defined atmosphere for example an oxidizing atmosphere, which favors the formation of volatile metal oxides and their evaporation with the melting (example tungsten, molybdenum).

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Abstract

Verfahren zur additiven Fertigung eines metallischen Bauteils, umfassend: Bereitstellen eines metallischen Pulvers; Bereitstellen und/oder Erzeugen einer metallischen Stützstruktur auf einer Bauplattform, wobei die metallische Stützstruktur zumindest eine Ablösestelle umfasst, die einen gegenüber einem elektrischen Widerstand eines benachbarten Abschnitts der Stützstruktur und gegenüber einem elektrischen Widerstand eines benachbarten Abschnitts des metallischen Bauteils anderen elektrischen Widerstand aufweist; Konsolidieren des metallischen Pulvers unter Ausbildung des metallischen Bauteils und, optional, unter zumindest abschnittsweiser Ausbildung der metallischen Stützstruktur, wobei die metallische Stützstruktur das metallische Bauteil mit der Bauplattform verbindet; Lösen des metallischen Bauteils von der metallischen Stützstruktur, wobei das Lösen des metallischen Bauteils durch Bewirken eines elektrischen Stromes in der Ablösestelle erfolgt, indem der elektrische Strom eine zum Schmelzen der Ablösestelle erforderliche Wärmeenergie bereitstellt.

Description

Verfahren zum Ablösen metallischer Stützstrukturen in der additiven Fertigung
Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der generativen Fertigung bzw. dem Gebiet additiver F ertigungsverfahren und betrifft insbesondere laser- und elektronenstrahlbasierte Verfahren, die von metallischen oder metallhaltigen Pulvern ausgehen .
Vorbekannter Stand der Technik
[0002] Die pul verbasierte additive Fertigung beruht typischerweise auf dem Stapeln von einzelnen Pulverschichten und dem lokalen Konsolidieren des Pulvers zu dem gewünschten Bauteil. Metallische Pulver werden mittels 3D Druck oder selektivem Schmelzen mit Faser oder Elektronenstrahl j eweils lokal konsolidiert. Dabei werden Partikel einzelner Bereiche der aktuellen Schicht untereinander und mit jenen der darunter liegenden Schicht mittels Binder verklebt oder mittels Faser oder Elektronenstrahl dauerhaft verschmolzen. Eine Restporosität kann beim Schmelzen auf nahe 1% reduziert werden. Selektives Schmelzen mit Faser oder Elektronenstrahl ermöglicht somit den Aufbau von "ready to use" Bauteilen, die eine hohe Dichte haben und direkt eingesetzt werden können. Allerdings sind die Teile zunächst noch durch eine sogenannte Stützstruktur (Supportstruktur) mit der metallischen Bauplattform verbunden. Die Stützstrukturen fixieren das Bauteil im Pulverbett, so dass es beim Auftrag der Pulverschichten nicht verschoben werden kann und sich beim lokalen Aufschmelzen des Pulvers nicht verzieht und deformiert. Außerdem findet durch die Stützstruktur der
Wärmeabfluss aus dem Bauteil in die Bauplattform statt. Stützstrukturen sind somit unverzichtbar. Allerdings stellen ihr Aufbau und insbesondere das Entfernen der
Stützstrukturen zusätzliche Prozessschritte dar, die zeit- und ressourcenintensiv sind. Sie stehen einer autonomen Fertigung, die mittels additiver Fertigung realisiert werden kann, entgegen, da das Entfernen der Stützstrukturen in der Regel nicht automatisierbar ist.
[0003] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das die Entfernung von Stützstrukturen erleichtert und automatisierbar ist.
Kurzdarstellung der Erfindung
[0004] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüchen. [0005] Insbesondere wird ein Verfahren zur additiven Fertigung eines metallischen
Bauteils vorgeschlagen, das die folgenden Prozessschritte umfasst:
Bereitstellen eines metallischen Pulvers;
Bereitstellen und/oder Erzeugen einer metallischen Stützstruktur auf einer
Bauplattform,
wobei die metallische Stützstruktur zumindest eine Ablösestelle umfasst, die einen gegenüber einem elektrischen Widerstand eines benachbarten Abschnitts der
Stützstruktur und gegenüber einem elektrischen Widerstand eines benachbarten Abschnitts des metallischen Bauteils anderen elektrischen Widerstand aufweist;
Konsolidieren des metallischen Pulvers unter Ausbildung des metallischen Bauteils und, optional, unter zumindest abschnittsweiser Ausbildung der metallischen
Stützstruktur, wobei die metallische Stützstruktur an der oder nahe zur Ablösestelle das metallische Bauteil mit der Arbeitsplattform verbindet;
Lösen des metallischen Bauteils von der metallischen Stützstruktur,
wobei das Lösen des metallischen Bauteils durch Bewirken eines elektrischen Stromes in der Ablösestelle erfolgt, indem der elektrische Strom eine zum Schmelzen der Ablösestelle erforderliche Wärmeenergie bereitstellt.
[0006] Weiter wird die Verwendung dieses Verfahrens für die Fertigung eines metallischen Bauteils vorgeschlagen, wobei das metallische Bauteil ausgewählt ist unter: einem Zahnersatz oder einem Bestandteil eines solchen, einem Zahnrad, einer
Turbinenschaufel, oder einem anders gearteten Objekt.
Ausführliche Beschreibung
[0007] Die zum gezielten Schmelzen derjenigen Abschnitte der Stützstruktur
(Ablösestellen), welche unmittelbar am Bauteil befestigt sind, erforderliche Wärme wird erfindungsgemäß durch Umwandlung elektrischer Energie in Wärmeenergie bereitgestellt. Der zum Entfernen von Stützstrukturen von additiv gefertigten metallischen Bauteilen erforderliche Zeit- und Kostenaufwand wird erheblich verringert. Insbesondere wird der Anteil manueller Tätigkeiten verringert, sodass die betreffenden F ertigungsverfahren voll automatisierbar sind. [0008] Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur additiven Fertigung eines metallischen Bauteils vorgeschlagen. Dieses Verfahren umfasst die Prozessschritte:
Bereitstellen eines metallischen Pulvers;
Bereitstellen und/oder Erzeugen einer metallischen Stützstruktur auf einer Bauplattform,
wobei die metallische Stützstruktur zumindest eine Ablösestelle umfasst, die einen gegenüber einem elektrischen Widerstand eines benachbarten Abschnitts der Stützstruktur und gegenüber einem elektrischen Widerstand eines benachbarten Abschnitts des metallischen Bauteils anderen elektrischen Widerstand aufweist;
Konsolidieren des metallischen Pulvers unter Ausbildung des metallischen Bauteils und, optional , unter zumindest abschnittsweiser Ausbildung der metallischen Stützstruktur, wobei die metallische Stützstruktur an der oder nahe zur Ablösestelle das metallische Bauteil mit der Arbeitsplattform verbindet;
Lösen des metallischen Bauteils von der metallischen Stützstruktur, wobei das Lösen des metallischen Bauteils durch Bewirken eines elektrischen Stromes in der Ablösestelle erfolgt, indem der elektrische Strom eine zum Schmelzen der Ablösestelle erforderliche Wärmeenergie bereitstellt.
[0009] Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich mit dem reduzierten Aufwand zum vollständigen Freistellen des metallischen Bauteils.
[0010] Gemäß einer Ausführungsform umfasst das vorgeschlagene Verfahren weiterhin den Prozessschritt: zumindest teilweises oder vollständiges Entpulvem des metallischen Bauteils und der Stützstruktur, wobei das Bereitstellen des metallischen Pulvers und das Konsolidieren typischerweise sequentiell und schichtweise in einem Pulverbett erfolgt. [0011] Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich aus dem Wegfall des aufwendigen, typischerweise manuelle erfolgenden Entfemens der bei der additiven pulverbettbasierten Fertigung metallischer Bauteile häufig unverzichtbaren Stützstrukturen im Ergebnis des Lösens des Bauteils. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der W iedergewinnung / Recycling des zur Ausbildung neuer Pulverschichten für die Fertigung weiterer neue Bauteile verwendbaren metallischen Pulvers, bevor dieses durch zusätzliche, beim Schmelzen der Ablösestellen entstehende, gröbere Partikel verunreinigt wird.
[0012] Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Bewirken des elektrischen Stroms in der Ablösestelle durch ein Kontaktieren der Arbeitsplattform und des Bauteils mit
stromführenden Anschlüssen einer Stromquelle oder durch Induzieren eines Wirbelstroms in der Ablösestelle. Typischerweise bilden das Bauteil, die Supportstruktur mit den
Ablösestellen und der Bauplattform eine geschlossene Leiterschleife, die zur Induktion eines Stromflusses durch externe Wechselfelder geeignet ist.
[0013] Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich im Falle des direkten
Kontaktierens, z.B. mit Stromklemmen oder Polschuhen, aus der zuverlässigen Erzeugung eines Stromflusses mit Einschalten der Stromquelle. Im Falle des Induzieren eines
Wirbelstromes in der bzw. den Ablösestellen ergeben sich Vorteile aus der berührungslosen, keine besonderen Arbeitsschritte erfordernden Arbeitsschritte zur Kontaktierung von Bauteil und Bauplattform.
[0014] Gemäß einer Ausführungsform weist die Ablösestelle einen gegenüber einem mittleren Querschnitt der Stützstruktur verringerten effektiven Flächenquerschnitt auf.
[0015] Insbesondere ist der mittlere Flächenquerschnitt der Stützstruktur an der
Ablösestelle deutlich geringer, als in einem gegenüber der Ablösestelle vom metallischen Bauteil weiter entfernt liegenden Abschnitt. Vorteile erwachsen aus einem, für die gleiche Materialart verringerten Stromtragfähigkeit der Stützstruktur an der Ablösestelle. Hieraus ergibt sich eine gegenüber anderen Abschnitten der Stützstruktur gesteigerte Erwärmung, ggf. bis auf die Höhe der Schmelztemperatur des Materials der Ablösestelle.
[0016] Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Ablösestelle ein elektrisch leitfähiges Material, das einen gegenüber dem Widerstand des umgeschmolzenen Metallpulvers erhöhten spezifischen elektrischen Widerstand aufweist. [0017] Vorteile ergeben sich aus einer von geometrischen Verhältnissen unabhängigeren
Gestaltung der Ablösestellen. Beispielsweise kann eine Ablösestelle so gestaltet werden, dass sie zur Aufnahme größerer mechanischer Lasten (mechanischer Spannungen) geeignet ist.
[0018] Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Ablösestelle ein Material, das ein elektrisch leitfähiges Material umfasst, welches eine gegenüber der Schmelztemperatur des benachbarten Materials der Stützstruktur geringere Schmelztemperatur aufweist.
[0019] Vorteile dieser Ausführungsform können sich beispielsweise daraus ergeben, dass nach dem Schmelzen des Materials der Ablösestelle das Bauteil mit der Stützstruktur nicht mehr (stofflich) verbunden ist, jedoch auf ihr ruht, sodass es ohne eine Beschädigung des Bauteils von der Stützstruktur abgenommen werden kann.
[0020] Gemäß einer Ausführungsform weist die Ablösestelle eine Vielzahl von gruppenweise zueinander benachbarten gleichförmigen Zylindern auf, wobei eine mittlere Querschnitts fläche eines einzelnen Zylinders von 0,0025 mm bis 0,1 mm beträgt.
[0021] Vorteile dieser Ausführungsform umfassen deren einfache Darstellbarkeit mittels CAD Software und eine einfache Berechnung jeweiliger Querschnitts flächen.
[0022] Gemäß einer Ausführungsform beträgt eine Größe einer Kontaktfläche der Stützstruktur mit dem Bauteil, also die Kontaktfläche der Ablösestelle mit dem Bauteil,
Vi bis 1/20, bevorzugt 1/5 bis 1/20, weiter bevorzugt 1/5 bis 1/10 der Größe der Kontaktfläche der Stützstruktur mit der Bauplattform. Gemäß einer Modifikation dieser Ausführungsform kann eine Querschnitts fläche der Stützstruktur, insbesondere die Querschnittsfläche des hier durchgehend als Ablösestelle bezeichneten Abschnitts der Stützstruktur, die sich in unmittelbarer Nähe zu einer Oberfläche des Bauteils befindet, A bis 1/20, bevorzugt 1/5 bis 1/20, weiter bevorzugt 1/5 bis 1/10 der Größe der Kontaktfläche der Stützstruktur mit der Bauplattform betragen.
[0023] Vorteilhaft ergibt sich hieraus, dass die Strombelastbarkeit der Stützstruktur im Kontakt mit dem Bauteil, also an den Ablösestellen, am geringsten, und damit der elektrische Widerstand am größten ist, sodass bei einem strominduzierten Umschmelzen die
Schmelztemperatur der Stützstruktur am ehesten an den Ablösestellen erreicht wird.
[0024] Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Bewirken eines Stromes in der Ablösestelle durch ein Kontaktieren des Bauelements und der Arbeitsplattform, wobei das elektrische Kontaktieren des Bauteils über ein flüssiges Kontaktmedium mit einer im flüssigen Kontaktmedium angeordneten Elektrode erfolgt.
[0025] Vorteile ergeben sich aus dem weitestgehend mühelosen Kontaktieren mittels Eintauchen des Bauteils in das Kontaktmedium. Vorteilhaft umgibt das Kontaktmedium auch komplexe Geometrien eines Bauteils, sodass - abhängig von einem ggf. vorteilhaften
N eigungs winkel der Arbeitsplattform mit dem über die Stützstruktur zur Arbeitsplattform verbundenen Bauteil gegenüber der Oberfläche des flüssigen Kontaktmediums - alle
Ablösestellen gleichzeitig zum Schmelzen gebracht werden können. Beispielsweise kann die Elektrode mit einer Stromquelle verbunden sein. Ebenso aber kann die Elektrode auch eine Masseelektrode sein. Entscheidend ist ein zumindest zeitweise vorliegender
Potentialunterschied über die Ablösestelle.
[0026] Gemäß einer Ausführungsform ist das flüssige Kontaktmedium ausgewählt unter: Quecksilber, Gallium, einer Galliumlegierung, einem Metallbad, einer Salzschmelze, und einer ionischen Flüssigkeit, wobei das Bauteil in das flüssige Kontaktmedium bis zu einer, typischerweise die Stützstruktur nicht berührenden Ebene getaucht wird, sodass auf diese Weise an Orten der Benetzung des Bauteils mit dem flüssigen Kontaktmedium das Bauteil elektrisch kontaktiert wird und für einen Stromfluss durch die Ablösestelle die Bauplattform über einen weiteren elektrischen Kontakt an eine Stromquelle angeschlossen wird.
[0027] Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich mit einem erleichterten Lösen des metallischen Bauteils von der mit der Bauplattform weiter verbundenen Stützstruktur: Das Bauteil fällt einfach in des flüssige Kontaktmedium. Durch geeignete, in dem das flüssige Kontaktmedium beinhaltenden Behälter (z.B. Wanne, Tank) angeordnete Stützelemente kann ein möglicherweise unerwünschtes Benetzen des Bauteils mit dem flüssigen Kontaktmedium vermieden werden. Ebenso kann ein beim Eintauchen heftiger Anstieg eines Pegels des flüssigen Kontaktmediums in dem Behälter und ein damit evtl verbundener teilweiser Verlust des flüssigen Kontaktmediums oder dessen Verschmutzung vermieden werden.
[0028] Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Bewirken des elektrischen Stromes durch einen Stromimpuls einer Stärke von 300 bis 3000 A über eine Impulsdauer von 0,02 bis 1 Sekunde. Beispielsweise kann ein solcher Stromimpuls in ein geeignet kontaktiertes Bauteil eingeleitet werden, sodass er über die Ablösestellen fließt und, zumindest zunächst, deren zumindest teilweises Aufschmelzen bewirkt. Ein zweiter Stromimpuls und ggf. ihm folgende weitere Stromimpulse oder ein konstanter Stromfluss können das fortschreitende Schmelzen der verbliebenen Ablösestellen bewirken. [0029] Vorteilhaft unterdrückt ein Impuls der bezeichneten Dauer das Ausbilden eines die Oberfläche des metallischen Bauteils ggf. schädigenden Plasmas oder unterdrückt eine unerwünschte Funkenerosion der Oberfläche des Bauteils.
[0030] Gemäß einer Ausführungsform umfasst das vorgeschlagene Verfahren weiter:
Ausbilden einer das Bauteil umschließenden definierten Atmosphäre, wobei die definierte Atmosphäre ein Reaktivgas umfasst.
[0031] Vorteilhaft bewirkt die Gegenwart eines Reaktivgases an allen Ablösestellen einen raschen Materialabtrag, sodass ein weiteres Schmelzen (und Material abtrag)
zunehmend erleichtert und beschleunigt wird.
[0032] Gemäß einer Ausführungsform ist das vorstehend vorgeschlagene Reaktivgas ausgewählt unter: Luft, Sauerstoff, und einem Aerosol.
[0033] Vorteilhaft erlaubt eine solche Atmosphäre ein erleichtertes Entfernen des Materials der Ablösestelle, beispielsweise durch Verdampfen. So hat beispielsweise ein in Gegenwart von Luft oder Sauerstoff ausgebildetes Wolframoxid einen geringen Dampfdruck, sodass dessen Bildung aus einer umschmelzenden Wolfram-Ablösestelle einen raschen Materialabtrag bewirkt, der ein weiteres Schmelzen und den damit erneut verbundenen Materialabtrag zunehmend beschleunigt. Auch Molybdänoxid ist leicht flüchtig. Mittels eines Aerosols können auch Legierungselemente angeboten werden, die dann an den überhitzten Stellen der Ablösestruktur den Schmelzpunkt des Materials, aus dem Bauteil und
Stützstruktur aufgebaut sind, über Legierung senkt.
[0034] Gemäß einer alternativen Ausführungsform umfasst das Ausbilden der das Bauteil umschließenden definierten Atmosphäre, die Ausbildung einer Inertgas-Atmosphäre.
[0035] Vorteilhaft können Inertgase wie Stickstoff oder Edelgase die Ausbildung bestimmter Verbindungen, z.B. von Oxiden, verhindern. Bei der Verwendung von Pulvern, die Metalllegierungen umfassen, kann in einer Inertgas-Atmosphäre die Ausbildung zusätzlicher Phasen verhindert werden.
[0036] Gemäß einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens geht dem
Bewirken des elektrischen Stromflusses in der Ablösestelle, bzw. den Ablösestellen, ein Entpulvem des Bauteils und der Stützstruktur voraus. Dieses wird gefolgt von einem Einbetten der Stützstruktur und zumindest der mit der Stützstruktur verbundenen Abschnitte des Bauteils in ein, bevorzugt rieselfähiges, inertes Material.
[0037] Vorteilhaft verhindert das inerte rieselfähige Material ein Verunreinigen des Bauteils mit Spratzem schmelzflüssigen Metalls. Ebenso unterbindet das zwischen
Bauplattform und Bauteil angeordnete rieselfähige Material die Ausbildung neuer
(ungewollter) Kontaktschlüsse zwischen Bauteil und Stützstruktur beim Absacken und Aufliegen des Bauteils auf zuvor bereits abgelöste Stützstrukturen. Ein durch Erhitzen bedingtes, zumindest teilweises, Blähen des inerten rieselfähigen Materials oder eines seiner Bestandteile bewirkt das Lösen des Bauteils von der Stützstruktur an den Ablösestellen oder erleichtert dieses erheblich. Das inerte rieselfähige Material kann einen Quarzsand umfassen. Ebenso kann das inerte rieselfähige Material ein Mineral oder ein Mineralpulver umfassen. Beispielsweise kann das inerte rieselfähige Material Vermiculit umfassen.
[0038] Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Verwendung eines Verfahrens gemäß zumindest einer der vorstehend benannten Ausführungsformen zur Fertigung eines metallischen Bauteils vorgeschlagen. Dabei ist das metallische Bauteil, beispielsweise, ausgewählt unter einem Zahnersatz, einem Bestandteil eines Zahnersatzes, einem Zahnrad, einer Turbinenschaufel, oder einem anderen beliebig geformten metallischen Bauteil.
[0039] Vorteilhaft kann das beschriebene Verfahren beispielsweise für die
Massenfertigung von Verschleißteilen verwendet werden. Ebenso können aber auch leicht Prototypen oder kleine Losgrößen eines metallischen Bauteils schnell mittels 3 D -Druck gefertigt werden.
[0040] Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebenen
Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und abgewandelt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, einzelne Merkmale und
Merkmalskombinationen einer Ausführungsform mit Merkmalen und
Merkmalskombinationen einer anderen Ausführungsform geeignet zu kombinieren, um zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen zu gelangen.
[0041] Insgesamt erleichtert das vorgeschlagene Verfahren das Abtrennen des Bauteils von den mit der Bauplattform verbundenen Stützstrukturen erheblich. [0042] Gemäß üblichen Technologien, beispielsweise dem selektiven Laserschmelzen (SLM), selektiven Lasersintem (SLS) und Elektronenstrahlschmelzen von metallischen Pulvern werden die Bauteile mit Stützstrukturen an die metallische Bauplattform geheftet. Die Stützstrukturen müssen mechanisch vom Bauteil entfernt werden, was einen zusätzlichen und typischerweise aufwendigen Prozessschritt darstellt. Sollten Stützstrukturen auch beim Laserauftragsschweißen verwendet werden, so wären diese nach der Fertigung des Bauteils ebenfalls zu entfernen.
[0043] Gemäß den vorstehend beschriebenen und nachfolgend weiter erläuterten
Ausfährungsformen wird das metallische Bauteil und die metallische Bauplattform, ggf. nach zumindest teilweisem Entpulvem, so kontaktiert, dass zumindest ein elektrischer Strompuls, typischerweise eine Abfolge von mehreren Strompulsen, durch das metallische Bauteil und die Stützstrukturen fließt, und somit auch durch die das Bauteil mit den Stützstrukturen verbindenden Ablösestellen der Stützstrukturen fließt. Über einen lokal erhöhten ohmschen Widerstand geometrisch vorbestimmter Abschnitte der Stützstrukturen - und beispielsweise im Fall von W echselspannung zusätzlich induzierten Wirbelströmen - und der so bewirkten drastischen Erwärmung wird deren strominduziertes Schmelzen und damit das Lösen der Stützstrukturen vom Bauteil bewirkt. Vorstehend und nachfolgend werden diejenigen
Abschnitte der Stützstruktur(en) , die das Bauteil unmittelbar mit der Stützstruktur verbinden, als Ablösestellen bezeichnet. Der Begriff Ablösestelle bezeichnet dabei einen
dreidimenionalen Abschnitt der Stützstruktur, der sich in unmittelbarer Nachabrschaft zur Oberfläche des metallischen Bauteils befindet.
[0044] Beispielsweise sind die metallischen Stützstrukturen abschnittsweise filigraner aufgebaut, als das metallische Bauteil und bieten damit einen geringeren Querschnitt für den Stromfluss, sodass es lokal zu einer Erhitzung der speziell dafür vorgesehenen Abschnitte der Stützstruktur, also der Ablösestellen, bis auf die Schmelztemperatur der die Ablösestellen ausbildenden Metalle oder Legierungen kommt. Durch gezieltes Design der Stützstrukturen, insbesondere der Ablösestellen der Stützstruktur, die mit dem metallischen Bauteil in unmittelbarem Kontakt stehen, ist beispielsweise deren Querschnitt gezielt gegenüber einem mittelren effektiven Querschnitt von Bauteil und Stützstrukturen reduziert. Die Abschnitte mit vermindertem Querschnitt und damit deutlich verminderter Strombelastbarkeit definieren die Geometrie der Ablösezone. Durch Bewirken eines elektrischen Stromes in der Ablösestelle, zum Beispiel durch eine elektrischen Spannung zwischen der metallischen Bauplattform und dem metallischen Bauteil, lässt sich ein solcher Stromfluss erzeugen, der an den
Ablösestellen, die z.B. Stellen des geringsten Querschnitts der Stützstruktur sein können, durch Erhitzung mittels ohmschen Widerstands diese derart erhitzt werden, dass sie lokal aufschmelzen und das Bauteil freigeben oder zumindest mechanisch mit vergleichsweise geringem Arbeits- und Kraftaufwand von der Stützstruktur abnehmbar machen.
[0045] Für diese prinzipielle Ausführungsform kann davon ausgegangen werden, dass die Stützstruktur maximal ca. 1/2 der Querschnittsfläche als das eigentliche Bauteil oder die Bauplattform für einen Stromfluss bietet. Dadurch ergibt sich ein relativ zum Bauteil erhöhter elektrischer Widerstand, Rstütz, der Stützstruktur. Dieser elektrische Widerstand ist nach dem additiven Aufbau des metallischen Bauteils in Reihe mit den elektrischen Widerständen von Bauteil und Bauplattform geschaltet, wenn man eine Spannung zwischen Bauteil und
Bauplattform anlegt. Nach einer einfachen Betrachtung des Stromflusses von in Reihe geschalteten Widerständen ergibt sich für die am Bauteil, der Stützstruktur und der
Bauplattform umgesetzte Leistung bei einem Stromfluss I und gegebener Spannung U:
P=U I Leistung
U=R I am Widerstand R abfallende Spannung
P=R L am Widerstand R umgesetzt Leistung R ist proportional zur Querschnittsfläche A mit Aablöse 1/2 Abauteil ergibt sich. Rablöse 2 RBauteil·
[0046] Die an der Ablösestelle zur Erwärmung der Ablösestelle zur Verfügung stehende Leistung ist mindestens doppelt so hoch wie im Bauteil oder der Bauplattform oder der Stützstruktur. Gemäß typischen Ausführungsformen sollten die Leistungen für eine zügige Erwärmung mindestens im kW Bereich pro mm von Aabiöse liegen. Die Länge einer
Ablösestelle beträgt typischerweise zwischen 0, 1 mm bis hin zu einigen 10 mm.
2
[0047] Es ergibt sich somit folgende Tabelle für 1 kW Heizleistung, 1 mm
Querschnitts fläche der Stützstruktur und 10 mm Länge der Ablösestelle für einige, nur beispielhaft ausgewählte, Metalle.
Figure imgf000012_0001
[0048] Die für das Schmelzen der Ablösestellen erforderliche Dauer eines über die Stützstruktur (Ablösestelle) fließenden Strompulses entsprechender Stromstärke gibt sich aus der Erwärmung eines W erkstoffvolumens von 1 mm Querschnittsfläche und 10 mm Höhe auf Schmelztemperatur bei 1 kW Heizleistung ohne Berücksichtigung von auftretenden W ärme Verlusten durch Strahlung oder Konvektion. Zusätzlich kann durch eine transiente thermische Behandlung (Abkühlung bzw. Erhitzung) der Stützstruktur der elektrische Widerstand der Ablösestelle gegenüber dem des Bauteils oder der Stützstruktur, welche in der Regel eine geringere Oberfläche relativ zum Volumen besitzen und dadurch weniger schnell abkühlt oder erhitzt, eingestellt werden. Bekanntermaßen führt bei metallischen Werkstoffen eine Erhöhung der Temperatur in der Regel zu einer Erhöhung des ohmschen Widerstandes. Lokale Erwärmung durch ohmschen Widerstand führt somit zur Bildung von "Hot Spots", da die Erwärmung wiederum den Widerstand erhöht. Somit sind nur relativ kleine Änderungen der Querschnitts fläche der Ablösestruktur nötig, um diesen sich selbst verstärkenden Effekt auszunutzen.
[0049] Gemäß einer typischen Ausführungsform wird vorgeschlagen, zwischen dem Bauteil und der Arbeitsplattform einen elektrischen Strom fließen zu lassen. Durch den elektrischen Widerstand an einem oder mehrere Abschnitten des metallischen Stützelements (der oder den Ablösestellen) mit reduzierter Strombelastbarkeit wird das Stützelement an exakt diesen Abschnitten (Ablösestellen) bis auf die zum Schmelzen erforderliche Temperatur erhitzt. Somit wird elektrischer Strom lokal in die zum Schmelzen erforderliche Wärme umgewandelt. [0050] Der elektrische Heizstrom erweicht zunächst denjenigen Teil des metallischen Stützelements mit der geringsten Strombelastbarkeit und bewirkt dann dessen Schmelzen, wodurch der Stromfluß auf Grund der Wirkung der Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls nach dem Prinzip einer durchbrennenden Sicherung (Schmelzsicherung) lokal unterbrochen wird. Verbleibende und ohnehin bereits erhitzte stromführende Abschnitte geringer Strombelastbarkeit erhitzen sich auf Grund der kaskadenartig zunehmenden
Stromstärke noch stärker und werden ebenfalls durch Schmelzen unterbrochen.
[0051] Mit anderen Worten ausgedrückt, wird die Verwendung von elektrisch leitfähigen Stützstrukturen umfassend einen oder mehrere Ablösestellen mit reduzierter
Strombelastbarkeit als lokal schmelzbares Stützelement für die additive Fertigung
metallischer Bauteile vorgeschlagen. Die reduzierte Strombelastbarkeit kann dabei durch eine lokale Verringerung des effektiven Querschnitts im betreffenden Abschnitt der Stützstruktur erzielt werden. Alternativ kann die reduzierte Strombelastbarkeit durch eine andere spezifische elektrische Leitfähigkeit, z.B. auf Grund einer anderen Materialart, bewirkt werden.
[0052] Die Stützelemente sind somit für die gewünschte Schmelzcharakteristik geeignet angepasst und in einem Bereich, der unmittelbar mit dem metallischen Bauteil in Kontakt steht, in Form von Ablösestellen ausgebildet. Ablösestellen können in ihrer
Querschnitts fläche gegenüber einer mittleren Querschnitts fläche der Stützstruktur reduziert sein. Typischerweise wird der Querschnitt der Stützstruktur im Bereich ihres unmittelbaren Kontakts mit dem metallischen Bauteil auf 1/2 bis 1/10, insbesondere zwischen 1/2 und 1/5 der mitteleren Querschnittsfläche der Stützstruktur reduziert.
[0053] Für den beschriebenen Zweck geeignete Stützstrukturen sind derart konstruiert, dass sie eine Reduzierung ihres Querschnitts für den Stromfluss zwischen Bauteil und Bauplattform aufweisen. An der Stelle des reduzierten Querschnitts wird dann durch den Stromfluss ein Schmelzen der Stützstruktur eingeleitet. Im Moment des lokalen Schmelzens der Stützstruktur wird das Bauteil durch Abheben/Lösen von der Bauplattform abgetrennt. Der ohmsche Widerstand der Stützstruktur kann durch eine Erwärmung der Stützstruktur mittels Luftstrom, der aufgrund der erhöhten Oberfläche der filigranen Stützstruktur relativ zum Bauteil schneller die Stützstruktur erwärmt, noch erhöht werden.
[0054] Die dafür erforderliche Kontaktierung des Bauteils und der Bauplattform erfolgt über eine dafür geeignete Vorrichtung, beispielsweise geeignet dimensionierte Kabel. Ebenso ist das Lösen des Bauteils von der Stützstruktur unter dem Eigengewicht des Bauteils möglich. Beispielsweise kann das Bauteil über ein flüssiges oder flexibles Kontaktmedium, z.B. ein Quecksilberbad mit einer das Quecksilberbad kontaktierenden Elektrode kontaktiert sein, wobei die Elektrode mit einer Stromquelle verbunden ist, während die darüber angeordnete (über Kopf stehende) Bauplattform mit einem geeignet dimensionierten Kabel, z.B. über einen Polschuh, mit der Stromquelle zuverlässig verbunden ist.
[0055] Gemäß einer anderen Ausfuhrungsform kann ein in der bzw. den Ablösestelle(n) der Stützstruktur(en) induzierter Wirbelstrom die zum bestimmungsgemäßen Lösen der Ablösestelle(n) erforderliche Wärme erzeugen. Beispielsweise kann ein Wirbelstrom über eine mit Wechselstrom angesteuerte Spule induziert werden. Ebenso kann ein Magnetron genutzt werden, die notwendigen Wirbelströme mittels hochfrequenter Mikrowellenstrahlung zu induzieren und damit die erforderliche Schmelzenergie bereitzustellen. Die Stützstruktur kann eine Geometrie aufweisen, die speziell die Induktion eines Wirbelstroms oder Stroms durch ein externes Wechselfeld ermöglicht.
[0056] Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, letztlich elektrischen Strom zum lokalen Schmelzen von Stützstrukturen und dem Ablösen von metallischen Bauteilen von der die Stützstrukturen umfassenden Bauplattform in der additiven Fertigung zu nutzen.
[0057] Eine Entfernung von Stützstrukturen durch eine spezielle Anpassung ihres ohmschen Widerstandes in Verbindung mit einem Aufschmelzen der Stützstrukturen mittels Stromstoß ermöglicht es, das Abtrennen des Bauteils von der Stützstruktur erheblich zu erleichtern. Selbst sehr komplexe Geometrien können mit dieser Technologie leicht und schnell ab getrennt werden und selbst bei variierenden Bauteilgeometrien ist eine
Automatisierung dieses Prozesses leicht möglich.
[0058] Aspekte des vorgeschlagenen Verfahrens betreffen mithin:
1. Entfernen losen Pulvers, bzw. Entpulvem des Bauteil und der Stützstrukturen.
2. Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Bauteil und Bauplattform, Generieren eines Stromflusses durch die Stützstruktur und dadurch bewirktes lokal selektives Schmelzen der Stützstruktur und Abtrennen des Bauteils.
3. Aufbau einer metallischen Stützstruktur unter Berücksichtigung ihres elektrischen, ohmschen Widerstandes durch Anpassung des für einen Stromfluss zwischen Bauteil und Bauplattform zur Verfügung stehenden Querschnitts der Stützstruktur. 4. Prozessschritte des Ablöseprozesses eines metallischen Bauteils umfassen mithin: Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Bauteil und Bauplattform, Erzeugen eines Stromflusses durch die Stützstruktur und deren mit dem Bauteil unmittelbar elektrisch verbundenen Ablösestellen, lokales Erhitzen der Ablösestellen durch deren speziell über die Länge der Stützstruktur eingestellten ohmschen Widerstand, lokales Schmelzen der Stützstruktur an Orten ihres elektrischen Kontakts mit dem Bauteil (d.h. Schmelzen der Ablösestellen), und Abtrennen bzw. Entnehmen des Bauteils.
5. Erwärmen des Bauteils mit Stützstrukturen durch einen Wärmestrom, z.B. heiße Luft, dadurch schnellere Erwärmung der Ablösestellen der Stützstruktur durch ein dafür geeignetes Design der Stützstruktur, z.B. durch große Oberfläche im Verhältnis zum Volumen im Bereich der Ablösestellen, und somit lokal (selektive) Erhöhung des ohmschen Widerstandes der metallischen Stützstruktur im Bereich der Ablösestellen.
6. Einstellen einer definierten Atmosphäre, beispielsweise einer oxidierenden Atmosphäre, die das Ausbilden leichtflüchtiger Metalloxide und deren Abdampfen mit dem Schmelzen begünstigt (Beispiel Wolfram, Molybdän).
[0059] Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten
Ausführungsformen geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur additiven Fertigung eines metallischen Bauteils, umfassend:
Bereitstellen eines metallischen Pulvers;
Bereitstellen und/oder Erzeugen einer metallischen Stützstruktur auf einer
Bauplattform,
wobei die metallische Stützstruktur zumindest eine Ablösestelle umfasst, die einen gegenüber einem elektrischen Widerstand eines benachbarten Abschnitts der Stützstruktur und gegenüber einem elektrischen Widerstand eines benachbarten Abschnitts des metallischen Bauteils anderen elektrischen Widerstand aufweist;
Konsolidieren des metallischen Pulvers unter Ausbildung des metallischen Bauteils und, optional, unter zumindest abschnittsweiser Ausbildung der metallischen Stützstruktur,
wobei die metallische Stützstruktur das metallische Bauteil mit der Bauplattform verbindet;
Lösen des metallischen Bauteils von der metallischen Stützstruktur, wobei das Lösen des metallischen Bauteils durch Bewirken eines elektrischen Stromes in der Ablösestelle erfol gt, indem der elektrische Strom eine zum Schmelzen der Ablösestelle erforderliche Wärmeenergie bereitstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , weiter umfassend: zumindest teilweises Entpulvem des metallischen Bauteils und der Stützstruktur, wobei das Bereitstellen des metallischen Pulvers und das Konsolidieren schichtweise erfolgen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei
ein Bewirken des elektrischen Stroms in der Ablösestelle durch ein Kontaktieren der Arbeitsplattform und des Bauteils oder durch Induzieren eines Wirbelstroms in der Ablösestelle erfolgt.
4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
die Ablösestelle einen gegenüber einem mittleren Querschnitt der Stützstruktur verringerten effektiven Flächenquerschnitt aufweist.
5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
die Ablösestelle ein elektrisch leitfähiges Material umfasst, das einen gegenüber dem Widerstand des umgeschmolzenen Metallpulvers erhöhten spezifischen elektrischen Widerstand aufweist.
6. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
die Ablösestelle ein elektrisch leitfähiges Material umfasst, das eine gegenüber dem benachbarten Material der der Stützstruktur geringere Schmelztemperatur aufweist.
7. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei
die Ablösestelle eine Vielzahl von gruppenweise zueinander benachbarten gleichförmigen Zylindern umfasst und eine mittlere Querschnitts fläche eines einzelnen Zylinders von 0,0025 mm bis 0,1 mm beträgt.
8. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Größe einer
Kontaktfläche der Stützstruktur mit dem Bauteil 1/2 bis 1/20, bevorzugt 1/5 bis 1/20, weiter bevorzugt zwischen 1/5 und 1/10 der Größe der Kontaktfläche der Stützstruktur mit der Bauplattform beträgt.
9. Verfahren nach Anspruch 3, wobei
ein Kontaktieren des Bauelements und der Arbeitsplattform erfolgt, und das Kontaktieren des Bauteils über ein flüssiges Kontaktmedium mit einer im flüssigen Kontaktmedium angeordneten Elektrode erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei
das flüssige Kontaktmedium ausgewählt ist unter: Quecksilber, Gallium, einer Galliumlegierung, einem Metallbad, einer Salzschmelze, und einer ionischen Flüssigkeit, wobei
das Bauteil in das flüssige Kontaktmedium bis zu einer, typischerweise die Stützstruktur nicht berührenden Ebene getaucht wird, und
für einen Stromfluss durch die Ablösestelle die Bauplattform über einen weiteren elektrischen Kontakt an eine Stromquelle angeschlossen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei
das Bewirken des elektrischen Stromes durch ein Einleiten eines Stromimpulses einer Stärke von 300 bis 3000 A über eine Impulsdauer von
0,02 Sekunden bis 1 Sekunde erfolgt.
12. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11 , weiter umfassend:
Ausbilden einer das Bauteil umschließenden definierten Atmosphäre, wobei die definierte Atmosphäre ein Reaktivgas umfasst.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei
das Reaktivgas ausgewählt ist unter: Luft, Sauerstoff, und einem Aerosol.
14. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11 , weiter umfassend:
Ausbilden einer das Bauteil umschließenden definierten Atmosphäre, wobei die definierte Atmosphäre ein Inertgas umfasst.
15. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 14, weiter umfassend:
Einbetten der Stützstruktur und zumindest eines mit der Stützstruktur verbundenen Abschnitts des Bauteils in ein inertes Material, wobei das Einbetten vor dem Bewirken des elektrischen Stromes in der Ablösestelle erfolgt.
16. Verwendung eines Verfahrens gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15 für die Fertigung eines metallischen Bauteils, wobei das metallische Bauteil ausgewählt ist unter: einem Zahnersatz oder einem Bestandteil eines solchen, einem Zahnrad, einer Turbinenschaufel, oder einem anders gearteten Objekt.
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