WO2020221484A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines bauteils durch additive fertigung mittels eines freiraumverfahren - Google Patents

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WO2020221484A1
WO2020221484A1 PCT/EP2020/053869 EP2020053869W WO2020221484A1 WO 2020221484 A1 WO2020221484 A1 WO 2020221484A1 EP 2020053869 W EP2020053869 W EP 2020053869W WO 2020221484 A1 WO2020221484 A1 WO 2020221484A1
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heat
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PCT/EP2020/053869
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Detlef Haje
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a component by additive manufacturing using a free space method.
  • the present invention also relates to a device which is formed for performing the method.
  • free-space processes are used as additive manufacturing processes.
  • Generative manufacturing processes are referred to as free-space processes, in which the component is applied in a free space without the detour via a powder bed.
  • Known welding techniques such as laser welding, electron beam welding or arc welding, such as wire-based or metal powder build-up welding, which already have high order rates and thus short production times, can be used in the free-space method. In principle, all welding processes that can guarantee sufficient accuracy, speed and material properties can be considered.
  • weld metal is applied layer by layer in such a way that a desired component shape is achieved or filled. Consequently a coherent structure is created from weld metal.
  • the object of the present invention is to provide a method for producing a component by additive manufacturing by means of a free space method in which a large amount of heat can be dissipated and thus a high application rate can be achieved.
  • a further object of the present invention is to provide a device which is designed to carry out the method.
  • the method according to the invention for manufacturing a component by additive manufacturing using a free-space method in which the component is built up step-by-step by means of a heat source and local melting of melted material by the heat source, is characterized in that the component is at least temporarily, during manufacture, by at least partially bringing it into contact with a cooling fluid fluid, which has a lower temperature than the heat source, is cooled.
  • One embodiment of the method according to the invention provides that the component is cooled at least temporarily, during manufacture, by at least partial spraying with the cooling liquid.
  • the component By spraying the component with the coolant, the component can be cooled in a targeted manner, even locally. This also enables targeted heat treatment of the component.
  • the amount of heat that can be dissipated can take place in a simple manner by regulating the cooling liquid mass flow.
  • the coolant cools the component convectively and through evaporation.
  • a further embodiment of the method according to the invention provides that the component is cooled at least temporarily, during manufacture, by at least partially introducing it into a liquid bath.
  • a suitable distance between the liquid bath and the current position of the heat source (place of application) can minimize the process repercussions and largely exclude any influence on the weld pool and / or the heat source and / or a possible flow of inert gas.
  • the convective cooling through the liq stechniksbad can be done by free convection, that is natural circulation, or by forced convection, ie by active flow around the component.
  • the type of circulation allows the heat dissipation to be controlled and thus in particular a temperature stratification within the liquid bath be prevented. As a result, the heat dissipation can be significantly improved and thus the application rate can be increased significantly.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the heat source is always located above a liquid level of the liquid bath in the additive manufacturing of the component. This ensures that the cooling liquid does not have any negative influence on the weld pool and / or the heat source and / or a possible flow of protective gas.
  • the setting of a suitable liquid level for the liquid keitsbad is elementary for the heat flow between the heat input from the heat source and the cooling liquid. The lower the difference in height between the liquid level and the heat input from the heat source, the greater the heat flow, assuming the conditions remain the same. This has a positive effect on the possible order performance.
  • the resulting temperature gradients are decisive for the material properties that can be achieved, as well as for internal stresses and distortions that occur. Furthermore, a sufficient distance between the welding position (heat input) and the liquid level is required in order to minimize process repercussions.
  • a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the cooling position, ie the position of the spray effect or the height of the liquid level, is adapted so that the distance between the liquid level and the heat source remains constant or essentially constant . This can be achieved, for example, by the fact that as production progresses, that is to say with increasing component height, the liquid level of the liq stechniksbad is increased accordingly. In this way, for example, with an approximately constant component thickness, an essentially constant heat flow density can be achieved, which is advantageous for reproducible application and a high application rate.
  • the cooling intensity is adapted in accordance with a production progress and / or a temperature field of the component. Asdeinten sity is the entirety of the effects of thedeein direction, z. B. position, spray intensity, liquid level, temperature and type of cooling medium, relation to the temperature field, etc. viewed.
  • the cooling intensity is particularly preferably adjusted so that the heat
  • the process specification can be determined, for example, by welding boundary conditions, characterized by the component, material, process, geometry.
  • Another embodiment of the method according to the invention provides that the cooling liquid is circulated.
  • the cooling liquid can be reused through the liquid cycle, which results in a particularly resource-saving process.
  • the device according to the invention for performing the above-described method according to the invention for manufacturing a component by additive manufacturing by means of a free space method, comprising at least one heat source for local melting of melt material by the heat source, is characterized in that the device has at least one container, within which the component is at least partially producible and in which the component can be brought into contact with the cooling liquid.
  • the container enables the component being manufactured to be brought into contact with the cooling liquid in parallel to the process and prevents the cooling liquid from flowing into and through the device.
  • the container is preferably designed so that it can accommodate a liquid bath in order to introduce immersion cooling according to the invention by at least temporarily introducing the component during manufacture. ment, by at least partial immersion in a liquid bath.
  • the device comprises a control / regulation by means of which the height of the liquid level of the liquid bath can be regulated. This allows the liquid level of the liquid bath to continue to the process
  • step / component progress can be adjusted.
  • the heat dissipation can be regulated in a simple manner via the height of the liquid level and the process specifications can be adhered to.
  • a direct or indirect coupling with the control / regulation can be provided.
  • direct coupling the setting of the liquid level or the level change takes place with the aid of the machine control (before direction control), this specifies the level and the setting is made with the help of actuators (pumps, valves).
  • a device connected to the machine control e.g. from data from the machine control, from measured values, a temperature field, a manufactured component geometry or other data determines the required liquid level or the required level change and adjusts it.
  • a combination of direct and indirect coupling is also possible.
  • the heat source is arm-guided or axis-guided. Both guides allow the heat source to be guided flexibly and precisely, thereby enabling the component to be manufactured precisely.
  • guiding the heat source is similar to guiding a welding head
  • portals can be provided, for example, which are arranged at a predetermined distance from the welding position.
  • the container has a fixed wall or a height-adjustable wall.
  • a container with a solid wall is the simplest option, but it all assumes that the guide and / or the component to be trained is designed in such a way that the guide of the heat source can approach all necessary coordina points during the manufacturing process.
  • a container with a height-adjustable wall can be of advantage in which the wall is guided analogously to the required liquid level.
  • a further embodiment of the device according to the invention provides that the container is in operative connection with a liquid circuit. This allows the cooling liquid to be circulated in a way that conserves resources.
  • the liquid circuit comprises a heat exchanger.
  • the heat absorbed by the cooling liquid can be removed in a simple manner before the cooling liquid is fed to the cooling process again.
  • the liquid circuit comprises a liquid filter.
  • contamination caused by the welding process in additive manufacturing can be filtered out of the coolant.
  • Fig.l a first embodiment of a device according to the Invention
  • Fig.2 a second embodiment for a
  • a preferred embodiment of an inventive device 1 for the additive manufacture of a component 2 by means of a free space method is shown, which is explained below in connection with a method according to the invention.
  • the device 1 has a heat source (welding head) 3, which is used for melting
  • the device 1 also comprises a container 7 which is fastened on a machine bed 13.
  • the container 7 has a base 14 and solid walls 9.
  • the bottom 14 serves as a basis on wel chem the component 2 is built.
  • the application of the first layer can be done either on the floor 14 or on a pre-material, semi-finished product, blank or a generative structure that is located on the floor 14.
  • component 2 is at least temporarily, during manufacture, by at least at least partially bring it into contact with a cooling liquid which has a lower temperature than the heat source 3, cooled.
  • the component 2 can be brought into contact with the cooling liquid by at least partially spraying it with the cooling liquid and / or by exchanging it in a liquid bath.
  • the container 7 is used to take on the cooling liquid.
  • a liquid bath 4 is let into the container 7 and the component 2 is cooled by at least temporarily and at least partially introducing it into the liquid bath 4.
  • the process heat is given off from component 2 to the liq stechniksbad 4 and the component is thereby cooled.
  • the heat is given off to the liquid bath mainly by convection and, to a lesser extent, by evaporation of the cooling liquid.
  • forced convection can be implemented by circulating the cooling liquid.
  • the circulation of the cooling liquid increases the heat transfer and prevents temperature stratification within the liq stechniksbad 4.
  • the circulation of the cooling liquid takes place in that the cooling liquid is conducted in a circuit 6.
  • the circuit 6 has a circulating pump 15 which conveys the cooling liquid in the circuit 6.
  • the circuit 6 also has a heat exchanger 11, via which the process heat can be removed from the circuit.
  • a cleaning / filtering device 12 is arranged in the circuit 6 in order to filter contamination from the cooling liquid from the welding process.
  • the heat dissipation can also be positively influenced by setting the liquid level 5 of the liquid bath 4.
  • the height hi has an effect on the temperature gradient that occurs within the component 2, which is responsible for the material properties that can be achieved and for the internal stresses and distortions that occur.
  • the optimal height h2 or the optimal liquid level 5 must therefore be determined and set individually for each component.
  • the optimal height h2 is also dependent on the progress of the component and is therefore not constant over time. It has been found to be advantageous to raise the liquid level 5 as the component progresses, that is to say as the component height increases.
  • the increase in the liquid level 5 can be implemented in a simple manner in that the distance between the liquid level 5 and the heat source 3 is kept constant or essentially constant.
  • the optimal liquid level 5 is determined by various process parameters, including the specific welding process (level of local energy input, welding sequence, current layer temperature, %), the component geometry (wall thickness, cross-sectional transitions, %) and the component requirements (required material properties , permissible residual stresses, distortions, ).
  • the device 1 has a corresponding control / regulation unit 8.
  • the control / regulation can take place by means of a direct or indirect coupling.
  • the control specifies the level or the change in level and sets this with the aid of actuators (pumps, valves).
  • an external device determines the required liquid level 5 and sets it.
  • a combination of direct and indirect coupling is also possible.
  • cooling liquid All liquids that can withstand the temperatures and heat flows that occur are suitable as the cooling liquid, for example water, aqueous solutions, oils, thermal oils, mixtures / emulsions or organic liquids. If evaporation is to be expected with the liquid, the liquid must be topped up accordingly.
  • the cooling liquid can be taken from a reservoir or from a line system (and, if necessary, released into the reservoir / line system).
  • the device 1 can include a suction device 17 in order to suction off unwanted vapors or outgassing. This may be necessary to prevent a concentration / precipitation of evaporating coolant (e.g. water vapor) or to discharge gas emissions from the work area (oil vapor, aerosols, ).
  • the suction can be provided with a Fil ter and / or a cooler.
  • Fig. 2 shows a second preferred embodiment of a device 1 according to the invention for the additive manufacture of a component 2 by means of a free space method.
  • the device 1 has essentially the same basic structure as the device 1 in the exemplary embodiment according to FIG. 1, reference is made to the description thereof.
  • the heat source 3 is not arm-guided but axis-guided.
  • the axis-guided heat source is attached to portals for this purpose. Which are arranged at a predetermined distance from the welding position.
  • the container 7 is designed with height-adjustable walls 10. These can be raised analogously with the liquid level 5 of the liquid bath 4.
  • the height-adjustable Wandun gene 10 can be realized by means of corrugated tubes, compensators or rubber walls.
  • the rubber walls can be guided in an S-shape, similar to the design of compressed air suspensions in vehicles.
  • the height-adjustable walls 10 are to be protected from the effects of the welding process.
  • local covers can be provided to protect against splashes or falling melted material.
  • the wall height can be adapted by coupling it to the control / regulation unit 8.
  • the height of the wall can for example be adjusted by mechanical or electrical adjusting elements, e.g. hydraulic or pneumatic cylinders, threaded spindles, actuating motors, cable drives, gears, etc. To ensure uniform lifting, lever arrangements or several parallel actuating elements must be provided. An automatic height adjustment, e.g. by floating to the liquid level 5 or by float switch is possible.
  • Fig. 2 shows the device in a first (solid lines) and in a second (dashed lines) position.
  • the component height has increased by the height h 3
  • the heat source 3 the liquid level 5 and the height-adjustable wall 10 has been raised by the same amount h 3 .
  • the accessibility of the heat source 3 is always ensured by the height-adjustable wall 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (2) durch additive Fertigung mittels eines Freiraumverfahren, bei dem mittels einer Wärmequelle (3) und lokalem Aufschmelzen von Schmelzgut durch die Wärmequelle (3), ein schrittweiser Aufbau des Bauteils (2) erfolgt. Das Bauteil (2) wird dabei, zumindest zeitweise, während der Herstellung, durch zumindest teilweises in Kontakt bringen mit einer Kühlflüssigkeit, welches eine niedrigere Temperatur als die Wärmequelle (3) aufweist, gekühlt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (1) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils durch additive Fertigung mittels eines Freiraumverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstel len eines Bauteils durch additive Fertigung mittels eines Freiraumverfahrens. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, welche zur Durchführung des Verfahrens aus gebildet ist.
Derzeit gewinnen additive Herstellverfahren zunehmend an Be deutung, da sie signifikante Vorteile in Formgebungsfreiheit, Endkonturnähe, Flexibilität und Schnelligkeit gegenüber kon ventionellen Herstellungsverfahren besitzen, welche oftmals Arbeitsvorgänge wie Sägen, Fräsen, Drehen, Schweißen, Kleben, Schrauben oder dergleichen umfassen.
Als additive Herstellungsverfahren kommen neben Pulverbett verfahren insbesondere sogenannte Freiraumverfahren zum Ein satz. Als Freiraumverfahren werden generative Herstellverfah ren bezeichnet, bei denen ein Auftrag auf das Bauteil in ei nem freien Raum erfolgt, ohne den Umweg über ein Pulverbett. Beim Freiraumverfahren können bekannte Schweißtechniken wie Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Lichtbogen schweißen, wie etwa drahtbasiertes oder Metall-Pulver- Auftragsschweißen, verwendet werden, welche bereits hohe Auf tragsraten und damit kurze Herstellzeiten aufweisen. Grund sätzlich kommen alle Schweißverfahren in Betracht, die eine ausreichende Genauigkeit, Geschwindigkeit und Werkstoffbe schaffenheit gewährleisten können.
Bei Freiraumverfahren können dreidimensional gestaltete Bau teile durch schrittweises Aufträgen von Schweißgut generiert werden. Auf eine bestehende Struktur (z.B. Bauraumboden, Vor material, Halbzeug, Rohteil, generative Struktur) wird Lage für Lage Schweißgut dergestalt aufgebracht, dass eine ge wünschte Bauteilform erreicht oder ausgefüllt wird. Somit wird eine zusammenhängende Struktur aus Schweißgut geschaf fen .
Für Freiraum Verfahren, bei dem eine relativ große Wärmemenge eingebracht werden kann, ist die abführbare Wärme begrenzend für die über einen längeren Zeitraum erreichbare Auftragsra te. Dabei ist eine Wärmeabfuhr in eine gekühlte Bauplattform, mittels Wärmeleitung, mit zunehmender Bauhöhe des Bauteils schwierig. Eine Wärmeabfuhr mittels konvektiver Gas- /Luftkühlung, weist hingegen Nachteile in der Wirksamkeit, Gleichmäßigkeit und hinsichtlich der Prozessrückwirkung auf (Einfluss auf den Schweißprozess, z.B. Schutzgasschweißen) .
Ausgehend vom zuvor beschrieben Stand der Technik, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Her stellen eines Bauteils durch additive Fertigung mittels eines Freiraumverfahrens bereit zu stellen, bei dem eine große Wär memenge abgeführt werden und somit eine hohe Auftragsrate er reicht werden kann. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorlie genden Erfindung, eine Vorrichtung, welche zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist, bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merk male des unabhängigen Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des unabhängigen Patentan spruchs 9 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegen stand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Bauteils durch additive Fertigung mittels eines Freiraumverfahren, bei dem mittels einer Wärmequelle und lokalem Aufschmelzen von Schmelzgut durch die Wärmequelle, ein schrittweiser Aufbau des Bauteils erfolgt, zeichnet sich dadurch aus, dass das Bauteil zumindest zeitweise, während der Herstellung, durch zumindest teilweises in Kontakt bringen mit einer Kühlflüs- sigkeit, welches eine niedrigere Temperatur als die Wärme quelle aufweist, gekühlt wird.
Auf Grund der höheren Dichte und der besseren Wärmeleitfähig keit der Kühlflüssigkeit gegenüber einem Gas lässt sich eine deutlich höhere Wärmeabfuhr und damit eine deutlich höhere Auftragsrate erzielen. Gleichzeitig werden Prozessrückwirkun gen auf das Schmelzbad oder den möglichen Schutzgasstrom ei ner Schweißquelle minimiert.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Bauteil zumindest zeitweise, während der Her stellung, durch zumindest teilweises besprühen mit der Kühl flüssigkeit gekühlt wird. Durch das Besprühen des Bauteils mit der Kühlflüssigkeit kann das Bauteil ganz gezielt, auch lokal, gekühlt werden. Hierdurch ist auch eine gezielte Wär mebehandlung des Bauteils möglich. Die abführbare Wärmemenge kann auf einfache Weise durch eine Regelung des Kühlflüssig- keitsmassenstroms erfolgen. Die Kühlflüssigkeit kühlt das Bauteil dabei konvektiv und durch Verdampfung.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Bauteil zumindest zeitweise, während der Herstellung, durch zumindest teilweises einbringen in ein Flüssigkeitsbad gekühlt wird.
Durch das Einbringen zumindest eines Teils des bereits herge stellten Teils des Bauteils in ein Flüssigkeitsbad kann eine besonders hohe Wärmeabfuhr und somit eine besonders hohe Auf tragsrate erzielt werden. Durch einen geeigneten Abstand des Flüssigkeitsbades zur aktuellen Position der Wärmequelle (Ort des Auftrags) können die Prozessrückwirkungen minimiert wer den und ein Einfluss auf das Schmelzbad und/oder die Wärme quelle und/oder einen möglichen Schutzgasstrom weitgehend ausgeschlossen werden. Die konvektive Kühlung durch das Flüs sigkeitsbad kann durch freie Konvektion, also natürliche Um wälzung, oder auch durch eine erzwungene Konvektion, d.h. durch aktive Umströmung des Bauteils, erfolgen. Durch die Art der Umwälzung kann die Wärmeabfuhr gesteuert werden und damit insbesondere eine Temperaturschichtung innerhalb des Flüssig- keitsbad unterbunden werden. Hierdurch kann die Wärmeabfuhr deutlich verbessert und damit die Auftragsrate deutlich er höht werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah rens sieht vor, dass sich die Wärmequelle bei der additiven Fertigung des Bauteils stets oberhalb eines Flüssigkeitsspie gels des Flüssigkeitsbads befindet. Hierdurch wird sicherge stellt, dass es zu keiner negativen Beeinflussung durch die Kühlflüssigkeit auf das Schmelzbad und/oder die Wärmequelle und/oder einen möglichen Schutzgasstrom kommt. Die Einstel lung eines geeigneten Flüssigkeitspegels für das Flüssig keitsbad ist für den Wärmestrom zwischen dem Wärmeeintrag durch die Wärmequelle und der Kühlflüssigkeit elementar. Je geringer die Höhendifferenz zwischen dem Flüssigkeitspegel und dem Wärmeeintrag durch die Wärmequelle ist, desto größer ist bei sonst gleichbleibenden Gegebenheiten der Wärmestrom. Dieser wirkt sich positiv auf die mögliche Auftragsleistung aus. Auf der anderen Seite sind die sich einstellenden Tempe raturgradienten ausschlaggebend für die erreichbaren Werk stoffeigenschaften, sowie für auftretende Eigenspannungen und Verzüge. Weiterhin ist ein ausreichender Abstand zwischen der Schweißposition (Wärmeeinbringung) und dem Flüssigkeitspegel erforderlich, um Prozessrückwirkungen zu minimieren.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemä ßen Verfahrens sieht vor, dass die Kühlposition, d.h. die Po sition der Sprüheinwirkung bzw. die Höhe des Flüssigkeitspe gels, so angepasst wird, dass der Abstand zwischen der Flüs sigkeitspegels und der Wärmequelle konstant oder im Wesentli chen konstant bleibt. Dies kann beispielsweise dadurch er reicht werden, dass mit fortschreitender Herstellung, also mit zunehmender Bauteilhöhe, der Flüssigkeitspegel des Flüs sigkeitsbades entsprechend angehoben wird. Hierdurch kann beispielsweise bei annähernd gleichbleibender Bauteildicke eine im Wesentlichen gleichbleibende Wärmestromdichte er reicht werden, welche vorteilhaft für eine reproduzierbare Auftragung und eine hohe Auftragsrate ist. Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Kühlintensität entsprechend eines Fertigungsfortschrittes und/oder eines Temperaturfeldes des Bauteils angepasst wird. Als Kühlinten sität wird dabei die Gesamtheit der Einwirkungen der Kühlein richtung, z. B. Position, Sprühintensität, Flüssigkeitsspie gel, Temperatur und Art des Kühlmediums, Bezug zum vorliegen den Temperaturfeld, etc. angesehen. Besonders bevorzugt wird dabei die Kühlintensität so angepasst, dass die Wär
mestromdichte einer prozesstechnischen Vorgabe entspricht.
Die prozesstechnische Vorgabe kann dabei beispielsweise durch schweißtechnische Randbedingungen, geprägt durch, Bauteil, Werkstoff, Verfahren, Geometrie, ermittelt werden.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Kühlflüssigkeit im Kreiskreislauf geführt wird. Durch den Flüssigkeitskreislauf kann die Kühlflüssig keit wiederverwendet werden, wodurch sich ein besonders Res sourcen schonendes Verfahren ergibt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen des zuvor beschriebene erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen ei nes Bauteils durch additive Fertigung mittels eines Freiraum verfahren, umfassend wenigstens eine Wärmequelle zum lokalen Aufschmelzen von Schmelzgut durch die Wärmequelle, zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung wenigstens ein Behält nis aufweist, innerhalb dessen das Bauteil zumindest teilwei se herstellbar ist und in welchem das Bauteil mit der Kühl flüssigkeit in Kontakt gebracht werden kann.
Das Behältnis ermöglicht das prozessparallele in Kontakt bringen des in Fertigung befindlichen Bauteils mit der Kühl flüssigkeit und verhindert, dass Kühlflüssigkeit in und durch die Vorrichtung fließen kann. Der Behälter ist dabei vorzugs weise so ausgebildet, dass er ein Flüssigkeitsbad aufnehmen kann, um eine erfindungsgemäße Tauchkühlung durch das zumin dest zeitweise einbringen, des Bauteils während der Herstel- lung, durch zumindest teilweises eintauchen in ein Flüssig keitsbad zu ermöglichen.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Vorrichtung eine Steuerung/Regelung umfasst, durch die die Höhe des Flüssigkeitspegels des Flüssigkeitsba des regulierbar ist. Hierdurch kann der Flüssigkeitspegel des Flüssigkeitsbades an den Prozessfort
schritt/Bauteilfortschritt angepasst werden. Über die Höhe des Flüssigkeitspegels lässt sich auf einfache Weise die Wär meabfuhr regulieren und die prozesstechnischen Vorgaben ein- halten. Um den Flüssigkeitspegel mit dem Prozessfortschritt zu koordinieren und die jeweils richtige Flüssigkeitshöhe einzustellen, kann eine direkte oder eine indirekte Kopplung mit der Steuerung/Regelung vorgesehen werden. Bei der direk ten Kopplung erfolgt die Einstellung des Flüssigkeitspegels bzw. die Pegeländerung mit Hilfe der Maschinensteuerung (Vor richtungssteuerung) , diese gibt die Pegelhöhe vor und die Einstellung erfolgt mit Hilfe von Stellgliedern (Pumpen, Ven tilen) . Bei der indirekten Kopplung ermittelt eine mit der Maschinensteuerung verbundene Einrichtung (z.B. aus Daten der Maschinensteuerung, aus Messwerten, einem Temperaturfeld, ei ner hergestellten Bauteilgeometrie oder anderen Daten) den erforderlichen Flüssigkeitspegel bzw. die erforderliche Pege länderung und stellt diese ein. Auch eine Kombination aus di rekter und indirekter Kopplung ist möglich.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Wärmequelle armgeführt oder achsengeführt ist. Beide Führungen erlauben eine flexible und genaue Füh rung der Wärmequelle und dadurch eine exakte Fertigung des Bauteils. Bei der Armführung erfolgt die Führung der Wärme quelle ähnlich wie die Führung eines Schweißkopfes bei
Schweißrobotern. Bei einer achsgeführten Wärmequelle können beispielsweise Portale vorgesehen werden, die in einem vorge gebenen Abstand zur Schweißposition angeordnet sind. Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Behältnis eine feste Wandung oder eine höhenveränderliche Wandung aufweist. Ein Behältnis mit fester Wandung stellt die einfachste Möglichkeit dar, setzt aller ding voraus, das die Führung und/oder das auszubildende Bau teil so ausgebildet ist, dass die Führung der Wärmequelle während des Herstellungsprozesses alle notwendigen Koordina tenpunkte anfahren kann. Insbesondere bei achsgeführten Wär mequellen, die an Portalen befestigt sind und die in einem vorgegebenen Abstand zur Schweißposition anzuordnen sind, kann ein Behältnis mit höhenveränderlicher Wandung von Vor teil sein, bei dem analog zum erforderlichen Flüssigkeitspe gel die Wandung geführt wird.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Behältnis mit einem Flüssigkeitskreislauf in Wirkverbindung steht. Hierdurch kann die Kühlflüssigkeit ressourcenschonend im Kreislauf geführt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vor richtung sieht vor, dass der Flüssigkeitskreislauf einen Wär metauscher umfasst. Hierdurch kann auf einfache Weise die von der Kühlflüssigkeit aufgenommene Wärme abgeführt werden bevor die Kühlflüssigkeit erneut dem Kühlprozess zugeführt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Flüssigkeitskreislauf einen Flüssigkeitsfilter umfasst. Mit Hilfe des Flüssigkeitsfilters können Verschmutzungen durch den Schweißprozess bei der addi tiven Fertigung aus der Kühlflüssigkeit gefiltert werden.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass durch das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren und durch die erfin dungsgemäße Vorrichtung eine deutlich größere Wärmemenge pro zessparallel abgeführt werden und somit eine deutlich höhere Auftragsrate erreicht werden kann. Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden zu sammen mit den dazugehörigen erfindungsgemäßen Verfahren nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt :
Fig.l: ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungs gemäße Vorrichtung;
Fig.2: ein zweites Ausführungsbeispiel für eine
erfindungsgemäße Vorrichtung.
Die Figuren zeigen jeweils stark vereinfachte und schemati sche Darstellungen der Vorrichtung. Gleiche beziehungsweise funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung 1 zur additiven Herstellung eines Bauteils 2 mittels eines Freiraumverfahrens abgebildet, die nachfolgend im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Ver fahren erläutert wird. Die Vorrichtung 1 weist eine Wärme quelle (Schweißkopf) 3 auf, welche zum Aufschmelzen von
Schmelzgut ausgebildet ist. Durch das lokale Aufschmelzen des Schmelzgut mittels der Wärmequelle 3 erfolgt ein schrittwei ser Aufbau des Bauteils 2. Die Wärmequelle ist im Ausfüh rungsbeispiel armgeführt, ähnlich wie dies bei Schweißköpfen an Schweißrobotern realisiert wird. Die Vorrichtung 1 umfasst des Weiteren ein Behältnis 7, welches auf einem Maschinenbett 13 befestigt ist. Das Behältnis 7 weist einen Boden 14 sowie feste Wandungen 9 auf. Der Boden 14 dient als Basis auf wel chem das Bauteil 2 aufgebaut wird. Das Aufträgen der ersten Lage kann entweder auf dem Boden 14 oder auch auf einem Vor material, Halbzeug, Rohteil oder einer generativen Struktur, welche sich auf dem Boden 14 befindet, erfolgen. Um die Wär me, die dem Bauteil 2 bei der Herstellung durch die Wärme quelle 3 zugeführt wird, möglichst effektiv abzuführen und damit eine hohe Auftragsrate zu ermöglichen, wird das Bauteil 2 zumindest zeitweise, während der Herstellung, durch zumin- dest teilweises in Kontakt bringen mit einer Kühlflüssigkeit, welches eine niedrigere Temperatur als die Wärmequelle 3 auf weist, gekühlt. Das in Kontakt bringen des Bauteils 2 mit der Kühlflüssigkeit kann durch zumindest teilweises besprühen mit der Kühlflüssigkeit und/oder eintauschen in ein Flüssigkeits bad erfolgen. In beiden Fällen dient das Behältnis 7 zur Auf nahme der Kühlflüssigkeit. Beim dargestellten prozessparalle len Tauchkühlen wird ein Flüssigkeitsbad 4 in das Behältnis 7 eingelassen und das Bauteil 2 durch zumindest zeitweises und zumindest teilweises einbringen in das Flüssigkeitsbad 4, ge kühlt. Die Prozesswärme wird dabei vom Bauteil 2 an das Flüs sigkeitsbad 4 abgegeben und das Bauteil hierdurch gekühlt.
Die Wärmeabgabe an das Flüssigkeitsbad erfolgt dabei im We sentlichen durch Konvektion und zum geringeren Teil durch Verdampfen der Kühlflüssigkeit. Um die Wärmeabgabe an das Flüssigkeitsbad 4 zu erhöhen kann durch eine Umwälzung der Kühlflüssigkeit eine erzwungene Konvektion realisiert werden. Die Umwälzung der Kühlflüssigkeit erhöht die Wärmeübertragung und verhindert eine Temperaturschichtung innerhalb des Flüs sigkeitsbads 4. Die Umwälzung der Kühlflüssigkeit erfolgt dadurch, dass die Kühlflüssigkeit in einem Kreislauf 6 ge führt wird. Der Kreislauf 6 weist eine Umwälzpumpe 15 auf, die die Kühlflüssigkeit im Kreislauf 6 fördert. Der Kreislauf 6 weist weiterhin einen Wärmetauscher 11 auf, über den die Prozesswärme aus dem Kreislauf abgeführt werden kann. Des Weiteren ist im Kreislauf 6 eine Reinigungs-/Filterein- richtung 12 angeordnet, um Verschmutzungen durch den Schweiß prozess aus der Kühlflüssigkeit zu filtern.
Neben einer erzwungenen Konvektion durch Umwälzung der Kühl flüssigkeit kann die Wärmeabfuhr auch über die Einstellung des Flüssigkeitspegels 5 des Flüssigkeitsbads 4 positiv be einflusst werden. Je höher der Flüssigkeitspegel 5 (respekti ve die Flüssigkeitshöhe h2) , bezogen auf die Bauteilhöhe h ist, desto geringer ist die Höhe hi, welche die Höhe be schreibt, um die das Bauteil 2 aus dem Flüssigkeitsbad 4 her ausragt, und desto größer ist die Wärmeabfuhr, was sich posi tiv auf die maximale Auftragsleistung auswirkt. Auf der ande- ren Seite wirkt sich die Höhe hi auf den sich einstellenden Temperaturgradienten innerhalb des Bauteils 2 aus, welcher für die erreichbaren Werkstoffeigenschaften, sowie für die auftretenden Eigenspannungen und Verzüge verantwortlich ist. Die optimale Höhe h2 bzw. der optimale Flüssigkeitspegel 5, sind daher individuell für jedes Bauteil zu ermitteln und einzustellen. Dabei ist die optimale Höhe h2 auch abhängig vom Bauteilfortschritt und damit zeitlich nicht konstant. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Flüssigkeitspegel 5 mit fortschreitendem Bauteilfortschritt, d.h. mit zunehmender Bauteilhöhe anzuheben.
Die Anhebung des Flüssigkeitspegels 5 kann dabei in einfacher Form dadurch realisiert werden, dass der Abstand zwischen dem Flüssigkeitspegel 5 und der Wärmequelle 3 konstant oder im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Eine andere Möglichkeit der Anpassung des Flüssigkeitspegels 5 und somit der Kühlintensität kann entsprechend des Ferti gungsfortschrittes und/oder eines Temperaturfeldes des Bau teils 2 erfolgen. Dabei wird die Kühlintensität vorzugsweise so angepasst, dass die Wärmestromdichte konstant ist oder ei ner prozesstechnischen Vorgabe entspricht. Prozesstechnisch wird der optimale Flüssigkeitspegel 5 von verschiedenen Pro zessparametern unter anderem vom spezifischen Schweißprozess (Höhe des lokalen Energieeintrags, Schweißfolge, momentane Lagentemperatur,...), der Bauteilgeometrie (Wanddicke, Quer schnittsübergänge,...) sowie den Bauteilanforderungen (erfor derliche Werkstoffeigenschaften, zulässige Eigenspannungen, Verzüge,...) beeinflusst.
Bei der Anhebung des Flüssigkeitspegels 5 ist stets auf einen ausreichenden Abstand zwischen der Wärmequelle 3 und dem Flüssigkeitspegel 5 zu achten, um Prozessrückwirkungen zu mi nimieren .
Um den Flüssigkeitspegel 5 mit dem jeweiligen Prozessfort schritt zu koordinieren und die jeweilige optimale Höhe h2 einzustellen, weist die Vorrichtung 1 eine entsprechende Steuerungs-/Regelungseinheit 8 auf. Die Steuerung/Regelung kann mittels einer direkten oder indirekten Kopplung erfol gen. Bei der direkten Kopplung gibt die Steuerung den Pegel, beziehungsweise die Pegeländerung vor und stellt dies mit Hilfe von Stellgliedern (Pumpen, Ventilen) ein. Bei der indi rekten Kopplung ermittelt eine externe Einrichtung (z.B. aus den Daten der Maschinensteuerung oder aus Messwerten) den er forderlichen Flüssigkeitspegel 5 und stellt diesen ein. Auch eine Kombination aus direkter und indirekter Koppelung ist möglich .
Als Kühlflüssigkeit eignen sich alle Flüssigkeiten, die die auftretenden Temperaturen und Wärmeströme ertragen können, beispielsweise Wasser, wässrige Lösungen, Öle, Thermoöle, Ge mische/ Emulsionen oder organische Flüssigkeiten. Ist bei der Flüssigkeit mit einer Verdampfung zu rechnen, so ist die Flüssigkeit einsprechend aufzufüllen. Hierzu kann die Kühl flüssigkeit aus einem Reservoir oder aus einem Leitungssystem entnommen werden (und bei Bedarf in das Reservoir/ Leitungs system abgegeben werden) .
Optional kann die Vorrichtung 1 eine Absaugeinrichtung 17 um fassen, um unerwünschte Dämpfe oder Ausgasungen abzusaugen. Die kann erforderlich sein, um eine Aufkonzentration/ ein Niederschlagen verdampfenden Kühlmittels zu verhindern (z.B. Wasserdampf) oder um Ausgasungen aus dem Arbeitsraum abzufüh ren (Öldunst, Aerosole,...) . Die Absaugung kann mit einem Fil ter und/ oder einem Kühler versehen sein.
Fig. 2 zeigt eine zweite bevorzugte Aus führungs form einer er findungsgemäßen Vorrichtung 1 zur additiven Herstellung eines Bauteils 2 mittels eines Freiraumverfahrens. Die Vorrichtung 1 weist im Wesentlichen den gleichen grundsätzlichen Aufbau wie die Vorrichtung 1 im Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 1 auf, auf dessen Beschreibung verwiesen wird. Im Gegen satz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Wärmequelle 3 nicht arm- sondern achsengeführt. Die achsengeführte Wärme- quelle ist hierzu an Portalen befestigt. Die in einem vorge gebenen Abstand zur Schweißposition angeordnet sind. Um die erforderliche Zugänglichkeit für die Wärmequelle 3 während des gesamten Herstellungsprozesses zu gewährleisten, ist das Behältnis 7 mit höhenveränderlichen Wandungen 10 ausgebildet. Diese können analog mit dem Flüssigkeitspegel 5 des Flüssig- keitsbads 4 angehoben werden. Die höhenveränderlichen Wandun gen 10 können dabei mittels Wellenrohren, Kompensatoren oder Gummiwandungen realisiert werden. Dabei können die Gummiwan dungen ähnlich der Ausführung von Druckluftfederungen bei Fahrzeugen, in einem S-förmigen Verlauf geführt werden. So weit erforderlich sind die höhenveränderlichen Wandungen 10 vor Einwirkungen durch den Schweißprozess zu schützen. Hierzu können beispielsweise lokale Abdeckungen zum Schutz gegen Spritzer oder herabfallendes Schmelzgut vorgesehen werden.
Die Anpassung der Wandungshöhe kann durch eine Kopplung mit der Steuerungs-/Regelungseinheit 8 realisiert werden. Die Hö he der Wandung kann beispielsweise durch mechanische oder elektrische Stellelemente eingestellt werden, z.B. hydrauli sche oder pneumatische Zylinder, Gewindespindeln, Stellmoto ren, Seiltriebe, Verzahnungen, usw. Zur Sicherstellung eines gleichmäßigen Anhebens sind Hebelanordnungen oder mehrere pa rallele Stellelemente vorzusehen. Auch eine selbsttätige Hö heneinstellung, z.B. durch Aufschwimmen auf dem Flüssigkeits pegel 5 oder durch Schwimmerschalter ist möglich.
Fig. 2 zeigt die Vorrichtung in einer ersten (durchgezogene Linien) und in einer zweiten (gestrichelte Linien) Position. In der zweiten Position ist die Bauteilhöhe um die Höhe h3 angewachsen, entsprechend ist Wärmequelle 3, der Flüssig keitspegel 5 und die höhenveränderliche Wandung 10 um den gleichen Betrag h3 angehoben worden. Durch die höhenveränder liche Wandung 10 wird dabei stehts die Zugänglichkeit der Wärmequelle 3 sichergestellt.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass durch das erfin dungsgemäße Verfahren und die erfindungsmäße Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens, eine im Vergleich zum Stand der Technik, große Wärmemenge abgeführt werden und somit eine ho he Auftragsrate erzielt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (2) durch additive Fertigung mittels eines Freiraumverfahren, bei dem mittels einer Wärmequelle (3) und lokalem Aufschmelzen von
Schmelzgut durch die Wärmequelle (3), ein schrittweiser Aufbau des Bauteils (2) erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (2) zumindest zeitweise, während der Herstel lung, durch zumindest teilweises in Kontakt bringen mit einer Kühlflüssigkeit, welches eine niedrigere Temperatur als die Wärmequelle (3) aufweist, gekühlt wird.
2. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (2) nach Anspruch
1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (2) zumindest zeitweise, während der Herstel lung, durch zumindest teilweises besprühen mit der Kühl flüssigkeit gekühlt wird.
3. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (2) nach Anspruch
1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (2) zumindest zeitweise, während der Herstel lung, durch zumindest teilweises einbringen in ein Flüs sigkeitsbad (4) gekühlt wird.
4. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (2) nach Anspruch
3,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Wärmequelle (3) bei der additiven Fertigung des Bauteils (2) stets oberhalb eines Flüssigkeitspegels (5) des Flüssigkeitsbads (4) befindet.
5. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (2) nach Anspruch
4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlposition so angepasst wird, dass der Abstand zwi schen der Wärmeabfuhr und der Wärmequelle konstant oder im Wesentlichen konstant bleibt.
6. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (2) nach Anspruch
4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlintensität entsprechend eines Fertigungsfort schrittes und/oder eines Temperaturfeldes des Bauteils (2) angepasst wird.
7. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (2) nach Anspruch
4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlintensität so angepasst wird, dass die Wär
mestromdichte einer prozesstechnischen Vorgabe entspricht.
8. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (2) nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlflüssigkeit im Kreislauf (6) geführt wird.
9. Vorrichtung (1) zum Durchführen eines Verfahrens zum Her stellen eines Bauteils (2) durch additive Fertigung mit tels eines Freiraumverfahren nach einem der vorherigen An sprüche, umfassend wenigstens eine Wärmequelle (3) zum lo kalen Aufschmelzen von Schmelzgut durch die Wärmequelle (3) ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung (1) wenigstens ein Behältnis (7) aufweist, innerhalb dessen das Bauteil (2) zumindest teilweise her stellbar ist und in welchem das Bauteil (2) mit der Kühl flüssigkeit in Kontakt gebracht werden kann.
10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9 zum Durchführen eines Ver fahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Steuerung/Regelung (8) umfasst, durch die die Höhe des Flüssigkeitspegels (5) des Flüssig keitsbades (4) regulierbar ist.
11. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmequelle (3) armgeführt oder achsengeführt ist.
12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Behältnis (7) eine feste Wandung (9) oder eine höhen veränderliche Wandung (10) aufweist.
13. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Behältnis (7) mit dem Kreislauf (6) in Wirkverbindung steht .
14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kreislauf (6) einen Wärmetauscher (11) umfasst.
15. Vorrichtung (1) nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kreislauf (6) einen Flüssigkeitsfilter (12) umfasst.
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