WO2021165515A1 - Elektronenstrahlanlage und verfahren zur additiven herstellung eines werkstücks - Google Patents

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WO2021165515A1
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process chamber
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workpiece
antechamber
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Thorsten Löwer
Leonardo Sansonetti
Alexander Klassen
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Pro-Beam Gmbh & Co. Kgaa
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to an electron beam system for the additive production of a workpiece with a transport device which moves a receiving device between an evacuable process chamber and an evacuable antechamber.
  • the invention also relates to a method for producing a workpiece in such an electron beam system.
  • Additive manufacturing processes are characterized by the joining of volume elements to form a three-dimensional structure, in particular by a layered structure.
  • methods are used in which an energy beam is used to combine a powdery material in a powder bed by selective melting of the individual powder particles point by point and layer by layer to form a 3D structure.
  • the material can be solidified by sintering the powder particles or by completely melting the powder particles using laser beams or electron beams (for the sake of simplicity, all degrees of melting / sintering will only be referred to as melting below).
  • SEBM selective electron beam melting
  • Process chambers of electron beam systems are therefore usually evacuated before operation and operated at pressures of 10 5 to 10 2 mbar. Temperatures of over 1000 ° C are reached on the material surface due to the energy input of the electron beam and optional additional heating of the powder bed. Before the finished workpiece can be removed, it must have cooled down to a certain maximum temperature.
  • One way to accelerate the cooling process is to introduce a noble gas such as helium.
  • the inert gas makes it possible to transport heat away more quickly and to avoid reactions with the metal surface.
  • noble gases are generally expensive and increase the process costs.
  • the vacuum must be released at the latest when the workpiece is removed from the process chamber. Restoring the vacuum for the next process again takes time while the system is not ready for operation. The non-productive times of the process add up to a considerable period of time and call the economic viability of the process into question.
  • the workpiece is manufactured in a holding device which can itself be evacuated and brought into the process chamber.
  • the object of the invention is therefore to specify an electron beam system for the additive manufacture of a workpiece which is improved with regard to the evacuation problems described.
  • non-productive times in the manufacturing process should be reduced by avoiding long cooling times.
  • the object of the invention is also to provide a corresponding manufacturing method for operating this system.
  • an electron beam system for the additive production of a workpiece comprising a) a process chamber that can be evacuated, b) an electron beam generator that is at least partially arranged in the process chamber and is set up to send an electron beam to laterally different locations Aligning powder beds from a powdery material to be processed, characterized by c) at least one antechamber which can be evacuated separately from the process chamber and which is continuously connected to the process chamber in a vacuum-tight manner via a lock door when the electron beam system is in operation, d) at least one movable receiving device for receiving of the powder bed and e) a transport device with which the at least one receiving device can be transported from the antechamber into the process chamber.
  • the system according to the invention has an antechamber in which a movable recording device including powder bed and / or workpiece can be arranged.
  • the front chamber and the process chamber are connected in a vacuum-tight manner via a lock door and can thus be evacuated separately from one another and the transport device enables the transition of the receiving device for the powder bed from one chamber to the other.
  • the antechamber is continuously connected to the process chamber during operation means in particular that the antechamber basically remains connected to the process chamber. For maintenance purposes outside of normal plant operation, however, the antechamber can be dismantled from the process chamber.
  • the movable receiving device for the powder bed can be transported into the second pre-chamber after the workpiece has been manufactured. Subsequently or during this time, the next movable receiving device can be transported from the first antechamber into the process chamber.
  • the system according to the invention therefore enables parallel manufacturing and cooling and since with a considerable time saving in terms of the non-productive time of the additive manufacturing process. It is preferably provided that the movable receiving device has a Baubetude ter which is set up to receive the powder bed and in which the workpiece can be produced additively.
  • the construction containers of two receiving devices can be dimensioned in different sizes.
  • movable receiving devices with different sizes of installation space can be introduced into the electron beam system, so that the size of the powder bed can be adapted to the workpiece or workpieces, which in turn allows the use of powdered material, for example, to be optimized.
  • this creates additional variability in the system and improves economy through lower powder consumption.
  • the movable receiving device has a Vorratsbe container for the powdery material.
  • the storage container for the powdery material is also integrated into the receiving device, workpieces can be made of different material one after the other without the process chamber having to be flooded and evacuated. This increases the flexibility of the system. In addition, there is no need to refill the powdery material in the process chamber. In addition, the amount of powdery material located in the vacuum chamber can be kept smaller in this way, as a result of which the suction loss is reduced.
  • the movable receiving device has a powder application device, in particular a doctor blade system, which is set up to transfer the powdery material from the storage container to the construction container in order to generate the powder bed there for the additive manufacture of the workpiece.
  • a powder application device in particular a doctor blade system
  • doctor blade system is also carried along by the movable receiving device. This is because the doctor blade system sometimes has a more complex mechanical structure so that it is more easily accessible for maintenance there.
  • the entire doctor blade system is preferably carried along by the movable receiving device. But it is also possible that only one powder application part, such as a squeegee, is carried along by the movable receiving device, while drive actuators of the squeegee system remain permanently in the process chamber.
  • the transport device is set up to exchange a first movable receiving device, which is initially located in the antechamber, against a second movable receiving device, which is located in the process chamber.
  • exchange means here only the general arrangement in the respective chamber and not an exchange in exactly the same position.
  • the first receiving device can initially be transported out of the antechamber, next to the second receiving device located in the process chamber.
  • the second receiving device can then then be transported into the antechamber.
  • the manufacturing process can take place both at the original position in the process chamber but also at the other position of the receiving device.
  • the transport device has at least two transport tracks, along which at least two movable receiving devices can be transported back and forth past one another between the antechamber and the process chamber.
  • Such a transport device reduces the time required to replace the movable pick-up devices, since the two pick-up devices can be transported in virtually the same step.
  • the two transport tracks can lead through a common lock door but also through two adjacent lock doors.
  • the at least two transport tracks run parallel to one another. This simplifies the construction of the transport device.
  • the antechamber and / or the receiving device have at least one temperature measuring device.
  • the cooling process which can take place in the antechamber in particular, can be monitored.
  • the temperature of the workpiece, the powder bed and / or another component of the system can also be determined.
  • the antechamber can have a further lock door through which the receiving device can be introduced into or removed from the antechamber.
  • the loading and unloading station can comprise, for example, a rail system on which the receiving device can be placed in order to push it into the antechamber.
  • the electron beam system comprises a control unit for the transport device.
  • the transport device is operated in an automated manner via a control unit and corresponding actuators. This enables shorter cycle times to be achieved.
  • the control unit can regulate the process as a function of the measured temperatures and control the transport device and / or the lock door.
  • a method for additive manufacturing of a workpiece which comprises the following steps: a) providing an electron beam system mentioned above; b) producing a first workpiece in a first movable receiving device by processing the powdery material in the powder bed by means of electron radiation in the process chamber; c) equipping the antechamber with a second movable receiving device and then evacuating the antechamber; d) transporting the first movable receiving device from the process chamber into the antechamber; e) transporting the second movable device from the antechamber into the process chamber; f) producing a second workpiece in the second movable receiving device by processing the powdery material in the powder bed by means of electron radiation in the process chamber; g) cooling the first workpiece in the first movable receiving device in the antechamber.
  • the workpieces that have already been manufactured can cool down to a certain temperature in accordance with an optimized temporal temperature profile, while another workpiece is being manufactured at the same time. Accelerated cooling can also be achieved through metered ventilation of the antechamber. Since the workpieces manufactured by such a manufacturing process are thus cooled better in accordance with their temperature profile requirements, these workpieces also stand out from workpieces manufactured elsewhere due to their quality.
  • Workpieces that are manufactured with the method according to the invention and the system according to the invention can be found, among other things, in the aerospace industry as turbines, pump wheels and gear mounts in helicopters, in the automotive industry as turbocharger wheels and wheel spokes, in medical technology as orthopedic implants and prostheses, as heat exchangers and in tool and mold making applications.
  • the powdery material can include all electrically conductive materials suitable for the electron beam process.
  • Preferred examples are metallic or ceramic materials, in particular titanium, copper, nickel, aluminum and alloys thereof such as Ti-6Al-4V, an alloy of titanium, 6 wt% aluminum and 4 wt% vanadium, AISilOMg and titanium aluminide (TiAl).
  • NiCr19NbMo nickel-based alloys
  • iron and iron alloys in particular steels such as tool steel and stainless steel, copper and alloys thereof, refractory metals, in particular niobium, molybdenum, tungsten and alloys thereof, precious metals, in particular gold, magnesium and alloys thereof , Cobalt-based alloys such as CoCrMo, high-entropy alloys such as Al-CoCrFeNi and CoCrFeNiTi, as well as shape memory alloys.
  • NiCr19NbMo nickel-based alloys
  • iron and iron alloys in particular steels such as tool steel and stainless steel, copper and alloys thereof, refractory metals, in particular niobium, molybdenum, tungsten and alloys thereof, precious metals, in particular gold, magnesium and alloys thereof , Cobalt-based alloys such as CoCrMo, high-entropy alloys such as Al-CoCrFeNi and CoC
  • the powdery material used preferably has an average grain size D50 of 10 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • Another aspect of the application deals with better maintenance options for the system and the avoidance of contamination in a system for the additive manufacture of a workpiece.
  • a further object of the present invention is to create better maintenance options and / or to reduce the risk of contamination.
  • a system for the additive production of a workpiece comprising a) a process chamber, which can preferably be evacuated, b) a construction container in which the workpiece can be produced, c) a storage container for powdery material, d) a powder application device, which is set up to transfer the powdery material from the storage container to a powder bed in the construction container, e) a beam generator which is set up in the process chamber to direct an energy beam, in particular an electron beam, to laterally different locations of the powder bed, wherein f) the powder application device can be removed from the process chamber.
  • the powder application device is designed in such a way that it can be easily removed from the process chamber in normal operation between two workpieces produced one after the other and is therefore not permanently installed in the process chamber in particular.
  • Removable means in this case that the components can be removed from the system without great effort, such as structural changes or with tools.
  • the powder application device can be pulled out of the process chamber along a guide device.
  • the doctor blade is fastened on the receiving device and the entire receiving device can be completely removed from the process chamber.
  • the doctor blade and / or the receiving device can preferably be removed completely from the process chamber and / or the system.
  • the system comprises at least one movable receiving device which has the construction container, the storage container and the powder application device.
  • the at least one movable receiving device can be transported from the process chamber into and out of the process chamber.
  • the movable receiving device represents a mobile, compact unit which has advantages in handling when transporting the same into or out of the process chamber.
  • a transport device for example a chain hoist, can be provided, which moves the movable receiving device primarily within the process chamber.
  • the at least one movable receiving device is set up to receive construction containers and / or storage containers with different dimensions, in particular different volumes.
  • the external dimensions of the receiving device can remain the same. Above all, any means of working with a Transport equipment can remain the same.
  • the dimensions of the containers can differ from receiving device to receiving device. However, the receiving device is preferably constructed in a more modular manner in such a way that containers of different dimensions can be used on a given support frame.
  • All components of the system that deliberately come into contact with the powdery material, in particular in preparation for the melting process and / or during the melting process, are considered to be in contact with the process; e.g. the movable pick-up device with construction container and powder storage container as well as the powder application device but also any overflow and / or powder residue containers.
  • Plant parts, such as pumps or process chamber walls, which come into contact unintentionally with whirled powder due to the electrostatic blowing of the powder are not regarded as parts in contact with the process for the present invention.
  • the object is achieved by a movable receiving device for a system for the additive production of a workpiece from a powdery material, comprising a construction container in which the workpiece can be produced in layers, wherein a) the movable receiving device is a powder application device, in particular a doctor blade, which is set up to transfer the powdery material from a storage container into a powder bed in the construction container.
  • a powder application device in particular a doctor blade
  • the storage container for the powdery material is also part of the movable receiving device.
  • the receiving device comprises a support frame which has at least two thermally decoupled sections.
  • the support frame has at least two sections that are not in direct contact with one another.
  • the powder application device can be attached to one section and the construction container can be attached to a second section.
  • the support frame with two sections that are thermally decoupled from each other prevents harmful heat from spreading to the doctor blade.
  • the building container and the powder application device are attached to different sections of the support frame.
  • the object is achieved by a method for the additive manufacture of a workpiece, which comprises the following steps: a) providing one of the above-mentioned blasting systems; b) producing a workpiece by machining the powdery material with means of an energy beam in the process chamber; and c) removing the powder application device from the process chamber.
  • the powder application device can be easily serviced and, in particular, cleaned of powder residues.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an electron beam system according to the invention for the additive manufacture of a workpiece
  • FIG. 2 shows a side view of the electron beam system
  • FIG. 3 shows a plan view of the electron beam system
  • FIG. 4 shows an isometric view of a receiving device for the electron beam system
  • FIG. 5 shows a side view of an electron beam system according to another exemplary embodiment with two antechambers
  • FIGS. 6a-6d plan views of various embodiments of the electron beam system with different arrangements of the antechamber
  • FIG. 7a shows a side view of an electron beam system with a vertical arrangement of the antechamber
  • FIG. 7b shows a side view of an electron beam system with a vertical arrangement of the antechamber
  • FIG. 8a shows an isometric view of an embodiment of the receiving device for the electron beam system
  • FIG. 8b shows an isometric view of a system for the additive production of a workpiece with a movable receiving device.
  • FIG. 1 schematically shows the principle of an electron beam system 10 according to the invention, which comprises a process chamber 12 and an antechamber 14 which is connected to the process chamber 12 via a lock door 16.
  • Both the process chamber 12 and the antechamber 14 are defined by vacuum housings which can be evacuated to pressures in the range from 10 5 to 10 2 mbar by means of generally known suction devices and vacuum pumps, which are not shown in detail.
  • the process chamber 12 and the antechamber 14 can, however, be evacuated and ventilated separately from one another.
  • the electron beam system 10 can have a gas inlet, not shown here, for an inert gas, for example, on the process chamber 12 and / or the antechamber 14.
  • a further lock door 18 is provided on the antechamber 14 to an optional loading and unloading station 20 arranged outside the antechamber 14 (see also FIG. 2).
  • the electron beam system 10 has an electron beam generator 22 together with a deflection device 24, with the aid of which an electron beam 26 can be generated and deflected in the process chamber 12.
  • rails 34a, 34b, 36a, 36b are used as a transport device 30 for a movable receiving device 32 in the process chamber 12, in the antechamber 14 and as part of the loading and unloading station 20 , 38a, 38b are provided.
  • the rails 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b are interrupted in the area of the two lock doors 16 and 18, so that when the lock doors 16 and 18 are closed, the rails 34a, 34b are completely in the process chamber 12 and the rails 36a, 36b are completely in the Pre-chamber 14 are arranged.
  • the transport device 30 makes it possible to transport the movable receiving device 32 back and forth between the antechamber 14 and the process chamber 12 and possibly the loading and unloading station via actuators 40, which are not detailed here, such as driven rollers.
  • the transport device 30 with the rails 34a, 36a, 38a and the rails 34b, 36b, 38b has two parallel transport tracks, so that two movable receiving devices 32 can be transported past one another from the antechamber 14 into the process chamber 12 and back are.
  • a coordinate table 39 adjoins the transport device 30, which can laterally position and move the receiving device 32 in the process chamber 12.
  • Such a movable receiving device 32 is shown in FIG.
  • the receiving device 32 initially has a support frame 33 as a basic component, with which the transport device 30 interacts.
  • the receiving device 32 also has a construction container 40 in which a powder bed 42 (see FIG. 1) can be received, from which a workpiece 43 can be produced in an additive manufacturing process (3D printing).
  • the receiving device 32 comprises a storage container 44, which is arranged here next to the building container 40, in which powdery material 46 is stored.
  • Both the building container 40 and the storage container 44 are used as separate components in the support frame 33 and can thus be selected individually for each manufacturing process, ie in particular of different sizes.
  • the support frame 33 and the containers 40, 44 can also be permanently connected or even lead out in one piece, so that the receiving device 32 is exchanged as a whole depending on the manufacturing process.
  • the building container 40 for its part comprises a movable base plate 48 which can be raised and lowered via a reciprocating piston 50 arranged in the process chamber 12.
  • the storage container 44 which also has a movable base plate 52 which can be raised and lowered via a second reciprocating piston 54.
  • a squeegee 56 is provided as a powder application device, with which the powdery material 46 as the uppermost loose layer can be lolled from the storage container 44 to the building container 40 and evenly applied to a powder bed 42.
  • the two base plates 48 and 52 are moved in opposite directions, layer by layer, so that the building container 40 gradually becomes larger and the storage container 44 becomes smaller according to the amount of powder required.
  • the two containers 40, 44 have the same overall cross-section. In the case of different overall cross-sections, the movement of the base plate 52 of the storage container 44 must be adapted accordingly to the required amount of powder.
  • Both the storage container 44 and the powder application device can alternatively also be arranged in the process chamber 12 independently of the receiving device 32.
  • the receiving device 32 can have a powder overflow 58 and a heat shield above the construction container 44.
  • a control unit 60 is connected to the essential components of the electron beam system 10, in particular to the electron beam generator 22, the actuators of the transport device 30, the lock doors 16, 18 and the reciprocating pistons 50, 54 in order to control the entire manufacturing process.
  • the manufacturing process according to the invention works as follows: To produce a workpiece 43 in the electron beam system 10 according to the invention, a receiving device 32 with a construction container 40 for receiving a powder bed 42 is positioned in the process chamber 12 via the transport device 30.
  • the powdery material 46 is arranged in the storage container 44.
  • the process chamber 12 is evacuated.
  • the manufacturing process of the workpiece 43 begins.
  • the powder application device is used to apply layer by layer of the powdery material 46 in the building container 40, and each layer is partially solidified with the electron beam 26.
  • the relative movement of the electron beam 26 to the powder bed 42 can take place by deflecting the electron beam 26 with the deflection device 24 or by moving the coordinate table 39.
  • the powdery material 46 is preheated in a preheating step before the melting step in order to avoid powder losses and process interruptions due to electrostatic blowing of the material 46.
  • the next construction container 40 and possibly the next storage container 44 can be prepared in a further receiving device 32 outside the electron beam system 10.
  • This second receiving device 32 is then placed in the antechamber 14, it being possible for the lock door 16 to the process chamber 12 to remain closed. Then the front chamber 14 is also evacuated.
  • each movable receiving device 32 can be prepared individually, the storage container 44 can also be filled with a different material 46 in each case.
  • different workpieces 43 made of different materials can be Herge one after the other.
  • building containers 40 are provided with different volumes, which are selected depending on the size of the workpiece 43 and can be introduced into the electron beam system 10 by means of the receiving device 32.
  • the lock door 16 between the antechamber 14 and the process chamber 12 is opened.
  • the finished workpiece 43 is conveyed into the antechamber 14 on a transport path of the transport device 30.
  • the second receiving device 32 is conveyed into the process chamber 12 on the second transport path.
  • the first workpiece 43 can cool down in the antechamber 14. This process can be accelerated or precisely defined by introducing an inert gas such as helium.
  • the cooling process of the workpiece 43 is monitored by temperature measuring devices 62 placed in the electron beam system 10 and / or on the receiving device 32.
  • the temperature is measured at various points in the electron beam system 10 and at the receiving device 32 by means of temperature measuring devices 62.
  • Preferred measuring points include on the base plate 48 of the construction container 40, on the walls of the Baubenzol age 40, the storage container 44 and / or the powder overflow 58, on the doctor blade 56, in particular a doctor blade carrier and / or along the doctor blade rail, and combinations there from.
  • Temperature measuring devices 62 can also be attached in the chambers, for example on a side wall or ceiling of the antechamber 14 or process chamber 12.
  • control unit 60 is designed to monitor the cooling down and automatically flood the antechamber 14 when a certain temperature is reached, to open the lock door 18 and to transport the receiving device 32 out of the antechamber 14.
  • a receiving device 32 can then be prepared again and placed in the antechamber 12.
  • Figure 5 shows an embodiment of the electron beam system 10 with two antechambers 12.
  • the transport device 30 can be one, two or have four transport lanes. With this system, it is possible to further reduce the time required for cooling per workpiece 43, since several workpieces 43 can cool down in several receiving devices 32 at the same time.
  • the transport device 30 can also be equipped with only one transport path, so that, in the continuous flow principle, one antechamber 14 is always used for loading and the other antechamber 14 is always used for cooling and unloading. This reduces the complexity of the transport device 30.
  • FIGS. 6a-d and 7 show embodiments of the electron beam system 10 with a reduced volume of the process chamber 12 and optimized transport routes of the receiving device 32.
  • the process chamber 12 of the embodiments shown in FIGS. 6a-d and 7 is designed to accommodate precisely one movable receiving device 32.
  • FIG. 6d shows an embodiment of the electron beam system 10 with a turntable in the antechamber.
  • the loading and unloading station 20 can, as shown in FIG. 7, be designed in the form of a closed work space.
  • the loading and unloading station 20 is preferably a glove box with a powder suction system for the safe unpacking of the workpiece.
  • the loading and unloading station 20 can be designed in the form of a transport unit that can dock to the front chamber.
  • FIG. 7 shows an embodiment of the electron beam system 10 with a vertical arrangement of the antechamber 14.
  • the antechamber 14 is provided with an elevator 15.
  • the elevator is designed to accommodate at least two movable receiving devices 32 arranged vertically one above the other.
  • the antechamber shown in FIG. 7 has two holding positions for the elevator.
  • the elevator 15 is in the lower position and enables the transport from the loading and unloading station 20 to the second loading level 15b of the elevator.
  • the first loading level 15a of the elevator is also designed to accommodate a movable receiving device 32.
  • the upper holding position has the reference symbol 17 in FIG. According to one possible operating mode, the elevator 15 is equipped with a receiving device 32 and the antechamber 14 is evacuated.
  • the lock door 16 is then opened and the receiving device 32 is transported into the process chamber. Lock door 16 is closed again.
  • the lock door 18 of the antechamber 14 is opened and the elevator 15 is equipped with a further movable receiving device 32.
  • the lock door 18 is then closed and the antechamber 14 is evacuated.
  • the elevator 15 can already be equipped with two receiving devices when loading. For this purpose, the elevator is moved from the first to the second stop position or vice versa.
  • the elevator Before finishing the powder processing step, the elevator is brought into a position in which the still free loading level and the lock door 16 are connected. After completion of the powder processing step, the lock door 16 is opened and the receiving device with the processed powder is transported from the process chamber 12 into the free position of the elevator. The elevator is then moved, the receiving device 32 is transported with the unprocessed powder into the process chamber and processed with the electron beam.
  • the hot receiving device 32 with the processed powder remains in the antechamber and cools down.
  • the receiving device is brought into an advantageous position, e.g. in the upper area of the antechamber or near the inlet of the coolant.
  • the elevator When the desired temperature is reached, or before the end of the powder processing step of the second receiving device, the elevator is brought into a suitable position, the lock door 18 is opened and the receiving device is transported out of the antechamber. Then a third receiving device can be brought into the antechamber, the lock door 18 closed and the antechamber evacuated.
  • the exchange with the receiving device with the processed powder takes place in the same way as described above. The process can be repeated any number of times.
  • the vertical embodiment of the antechamber is particularly advantageous because in addition to the improved use of the electron beam system with regard to the dwell time and evacuation problems, the space requirement, especially with regard to the footprint of the system, is reduced.
  • the electron beam system 10 can be designed with two antechambers 14 and two transport paths.
  • the electron beam system 10 comprises a multiplicity of process chambers 12 and antechambers 14, between which the movable receiving devices 32 according to the invention are moved back and forth with the aid of the transport device 30.
  • the dwell time of the workpiece 43 in the process chamber 12 can be significantly reduced and thus the utilization of the electron beam system 10 can be optimized.
  • FIG. 8a shows an isometric view of a preferred embodiment of the movable receiving device 32 for the electron beam system.
  • This movable receiving device 32 comprises a support frame 33 on which a building container 40, a storage container 44 and a powder overflow 58 as well as a doctor unit as a powder application device 56 are received.
  • the squeegee unit here has one or more squeegees 45 which can be moved along rails via a squeegee carrier. Actuators for moving the doctor blade 45, on the other hand, are arranged in the interior of the process chamber 12 and are not shown in the figures.
  • the support frame 33 has two sections which are thermally decoupled from one another.
  • the doctor blade system 45 and the Baubenzol ter 40 are not attached to the same section, so that they are thermally decoupled.
  • FIG. 8b shows an isometric view of a system 10 for the additive production of a workpiece with a movable receiving device 32.
  • the movable receiving device 32 can be completely removed from the system 10 through the door 16. In this embodiment, the device 32 can be pushed out of the process chamber 12 along rails. No conversion steps whatsoever are necessary in order to remove the movable receiving device 32.
  • the actuators for the reciprocating pistons 50 and 54 (see FIG. 1), for moving the doctor blade 45 and optionally for a transport device, remain in the process chamber 12 and have a suitable interface to the movable receiving device 32.
  • An evacuable antechamber as well as a loading and unloading station are optional here, but they make handling easier and shorten non-productive times in the manufacturing process. Due to the complete removal of the movable receiving device 32 Ser vice activities such as cleaning, repair, etc. are significantly simplified. The better accessibility reduces the risk of contamination with foreign particles when changing materials.

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Abstract

Eine Elektronenstrahlanlage (10) zur additiven Herstellung eines Werkstücks (43) umfasst eine Prozesskammer (12), die evakuierbar ist, und einen Elektronenstrahlerzeuger (22), der dazu eingerichtet ist, in der Prozesskammer (12) einen Elektronenstrahl (26) auf lateral unterschiedliche Orte eines Pulverbetts (42) aus einem zu bearbeitenden pulverförmigen Werkstoff (46) zu richten. Zur Verbesserung des Durchsatzes der Elektronenstrahlanlage (10) weist diese mindestens eine Vorkammer (14) auf, die evakuierbar ist und die im Betrieb der Elektronenstrahlanlage (10) fortwährend mit der Prozesskammer (12) vakuumdicht über eine Schleusentür (16) verbunden ist. Ferner ist mindestens eine bewegliche Aufnahmevorrichtung (32) zur Aufnahme des Pulverbetts (42) und eine Transporteinrichtung (30), mit der die mindestens eine Aufnahmevorrichtung (32) von der Vorkammer (14) in die Prozesskammer (12) transportiert werden kann.

Description

Elektronenstrahlanlage und Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlanlage zur additiven Herstellung eines Werk stücks mit einer Transporteinrichtung, welche eine Aufnahmevorrichtung zwischen einer evakuierbaren Prozesskammer und einer evakuierbaren Vorkammer bewegt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks in einer sol- chen Elektronenstrahlanlage.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Additive Fertigungsverfahren charakterisieren sich durch Aneinanderfügen von Volumen elementen zu einer dreidimensionalen Struktur, insbesondere durch einen schichtweisen Aufbau. Dabei kommen unter anderem Verfahren zur Anwendung, bei welchen mit einem Energiestrahl ein pulverförmiger Werkstoff in einem Pulverbett durch selektives Ver- schmelzen der einzelnen Pulverpartikel Punkt für Punkt und Schicht für Schicht zu einer 3D-Struktur verbunden wird.
Das Verfestigen des Werkstoffs kann durch Versintern der Pulverpartikel oder vollständi gem Aufschmelzen der Pulverpartikel mittels Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen erfol- gen(lm Folgenden wird der Einfachheit halber für sämtliche Grade des Schmelzens/Versin- terns nur noch von Schmelzen gesprochen). Die Verarbeitung von Metallpulver durch se lektives Elektronenstrahlschmelzen (selective electron beam melting; SEBM) erlaubt die Fertigung metallischer Strukturen mit komplexen Geometrien bei gleichzeitig schneller und präziser Manipulierbarkeit und hohem Grad an Automatisierung.
Das Schmelzen eines Werkstoffs mit dem Elektronenstrahl findet unter Vakuum statt, da die Kollision der Elektronen mit Luftmolekülen zu zu großen Energieverlusten und Streu ung führen würde. Prozesskammern von Elektronenstrahlanlagen werden daher üblicher weise vor dem Betrieb evakuiert und mit Drücken von 105 bis 102 mbar betrieben. An der Werkstoffoberfläche werden durch den Energieeintrag des Elektronenstrahls und optionaler zusätzlicher Heizung des Pulverbetts Temperaturen von über 1000 °C erreicht. Bevor das fertige Werkstück entnommen werden kann, muss es auf eine gewisse Höchst temperatur abgekühlt sein.
Allerdings dauert das Abkühlen des Werkstücks in der Prozesskammer im Vakuum, abhän gig von Material, Beschaffenheit des Pulverbetts und Bauvolumen, mehrere Stunden bis hin zu mehreren Tagen. Denn im Vakuum ist der Wärmeaustausch mangels Konvektion sehr gering, sodass es zu sehr niedrigen Abkühlraten und somit zu sehr langen Abkühlzei ten kommt.
Ein frühzeitiges Fluten der Prozesskammer mit Luft zur Verkürzung der Abkühlzeit ist aus verschiedenen Gründen nachteilig. Die heiße Oberfläche des Werkstücks reagiert mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff. Die Folge davon können unkontrollierte Veränderungen im Gefüge des Werkstücks z.B. durch Oxidation des Metalls sein.
Eine Möglichkeit, den Abkühlprozess zu beschleunigen, ist das Einleiten eines Edelgases wie z.B. Helium. Durch das inerte Gas ist es möglich, Wärme schneller abzutransportieren und Reaktionen mit der Metalloberfläche zu vermeiden. Edelgase sind jedoch generell teuer und erhöhen die Prozess kosten.
Spätestens bei der Entnahme des Werkstücks aus der Prozesskammer muss das Vakuum aufgelöst werden. Die Wiederherstellung des Vakuums für den nächsten Prozess nimmt wieder Zeit in Anspruch, in der die Anlage nicht betriebsbereit ist. Die Nebenzeiten des Verfahrens summieren sich so zu einem beträchtlichen Zeitraum und stellen die Wirt schaftlichkeit des Verfahrens in Frage.
Bekannte Elektronenstrahlanlagen mindern das Problem durch die Bereitstellung einer Vielzahl an Prozesskammern. Dies hat jedoch einen großen apparativen Mehraufwand zur Folge.
In anderen Anlagen wird das Werkstück in einer Aufnahmevorrichtung gefertigt, welche selbst evakuierbar und in die Prozesskammer einbringbar ist. Allerdings setzt dies eine Adaption der Aufnahmevorrichtung an die Anlage voraus und weist somit keine Flexibilität der Anlage und/oder der Aufnahmevorrichtung auf.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Elektronenstrahlanlage zur additiven Herstellung eines Werkstücks anzugeben, welche hinsichtlich der beschriebenen Evakuierungsproble- matik verbessert ist. Insbesondere sollen Nebenzeiten im Herstellungsprozess durch Ver meidung langer Abkühlzeiten reduziert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein entsprechendes Herstellungsverfahren zum Be trieb dieser Anlage anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Elektronenstrahlanlage zur additiven Herstellung eines Werkstücks gelöst, umfassend a) eine Prozesskammer, die evakuierbar ist, b) einen Elektronenstrahlerzeuger, der zumindest teilweise in der Prozesskammer an geordnet und dazu eingerichtet ist, einen Elektronenstrahl auf lateral unterschiedli che Orte eines Pulverbetts aus einem zu bearbeitenden pulverförmigen Werkstoff zu richten, gekennzeichnet durch c) mindestens eine Vorkammer, die getrennt von der Prozesskammer evakuierbar ist und die im Betrieb der Elektronenstrahlanlage fortwährend mit der Prozesskammer vakuumdicht über eine Schleusentür verbunden ist, d) mindestens eine bewegliche Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Pulverbetts und e) eine Transporteinrichtung, mit der die mindestens eine Aufnahmevorrichtung von der Vorkammer in die Prozesskammer transportiert werden kann. Die erfindungsgemäße Anlage weist eine Vorkammer auf, in der eine bewegliche Aufnah mevorrichtung samt Pulverbett und/oder Werkstück angeordnet werden kann. Die Vor kammer und die Prozesskammer sind vakuumdicht dabei über eine Schleusentür verbun den und dadurch getrennt voneinander evakuierbar und die Transporteinrichtung ermög licht den Übergang der Aufnahmevorrichtung für das Pulverbett von der einen Kammer in die andere.
Dass die Vorkammer während des Betriebes fortwährend mit der Prozesskammer verbun den ist, bedeutet insbesondere, dass die Vorkammer grundsätzlich mit der Prozesskammer verbunden bleibt. Für Wartungszwecke außerhalb des normalen Anlagenbetriebs kann die Vorkammer aber von der Prozesskammer demontiert werden.
Dies ermöglicht eine kontrollierte Abkühlphase des Werkstücks, ohne lange Leerlaufzeiten der Anlage. Denn es ist möglich, noch während der Fertigung des Werkstücks in der Pro zesskammer in der Vorkammer ein weiteres Pulverbett in einer weiteren Aufnahmevorrich tung vorzubereiten, ohne das Vakuum der Prozesskammer aufzuheben. Dadurch kann ein fertiges Werkstück nach der Fertigung in der Vorkammer abkühlen, während die Prozess kammer bereits mit der nächsten Aufnahmevorrichtung bestückt wird. Im Gegensatz dazu war es bisher allenfalls aus der Bearbeitung von vorhandenen Werkstücken bekannt, die fertigen Werkstücke ein- und auszuschleusen.
Werden beispielsweise zwei Vorkammern an einer Prozesskammer verwendet, so kann die bewegliche Aufnahmevorrichtung für das Pulverbett nach der Herstellung des Werkstücks in die zweite Vorkammer transportiert werden. Anschließend oder währenddessen kann die nächste bewegliche Aufnahmevorrichtung aus der ersten Vorkammer in die Prozess kammer transportiert werden.
Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht daher paralleles Fertigen und Abkühlen und da mit eine beträchtliche Zeitersparnis hinsichtlich der Nebenzeiten des additiven Herstel lungsprozesses. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die bewegliche Aufnahmevorrichtung einen Baubehäl ter aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, das Pulverbett aufzunehmen, und in welchem das Werkstück additiv herstellbar ist.
Die Baubehälter zweier Aufnahmevorrichtungen können dabei unterschiedlich groß di mensioniert werden. Auf diese Weise können bewegliche Aufnahmevorrichtungen mit un terschiedlich großem Bauraum in die Elektronenstrahlanlage eingebracht werden, sodass sich die Größe des Pulverbetts an das Werkstück oder die Werkstücke anpassen lassen, wodurch sich wiederum beispielsweise der Materialeinsatz an pulverförmigem Material optimieren lässt. Zusätzlich zum Zeitgewinn wird dadurch zusätzliche Variabilität der An lage geschaffen und die Wirtschaftlichkeit durch geringeren Pulververbrauch verbessert.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die bewegliche Aufnahmevorrichtung einen Vorratsbe hälter für den pulverförmigen Werkstoff aufweist.
Dadurch, dass auch der Vorratsbehälter für den pulverförmigen Werkstoff in die Aufnah mevorrichtung integriert ist, können nacheinander Werkstücke aus unterschiedlichem Ma terial hergestellt werden, ohne dass die Prozesskammer geflutet und evakuiert werden müsste. Dies erhöht die Flexibilität der Anlage. Zudem entfällt das Nachfüllen des pulver förmigen Werkstoffs in der Prozesskammer. Darüber hinaus kann so die Menge des sich in der Vakuumkammer befindlichen pulverförmigen Materials kleiner gehalten werden, wodurch sich der Absaugungsverlust verringert.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die bewegliche Aufnahmevorrichtung eine Pulverauf tragvorrichtung, insbesondere ein Rakelsystem, aufweist, die dazu eingerichtet ist, den pulverförmigen Werkstoff von dem Vorratsbehälter in den Baubehälter zu überführen, um dort jeweils das Pulverbett für die additive Herstellung des Werkstücks zu erzeugen.
Obwohl es grundsätzlich möglich ist, das Rakelsystem in der Prozesskammer zu belassen, ist es vorteilhaft, wenn auch das Rakelsystem von der beweglichen Aufnahmevorrichtung mitgeführt wird. Denn das Rakelsystem weist mitunter einen komplexeren mechanischen Aufbau auf, sodass es dort einer Wartung leichter zugänglich ist. Vorzugsweise wird das gesamte Rakelsystem von der beweglichen Aufnahmevorrichtung mitgeführt. Es ist aber auch möglich, dass nur ein Pulverauftragteil, wie beispielsweise eine Rakel, von der be weglichen Aufnahmevorrichtung mitgeführt wird, während Antriebsaktuatoren des Rakel systems dauerhaft in der Prozesskammer verbleiben.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Transporteinrichtung dazu eingerichtet ist, eine erste bewegliche Aufnahmevorrichtung, die sich zunächst in der Vorkammer befindet, ge gen eine zweite bewegliche Aufnahmevorrichtung auszutauschen, welche sich in der Pro zesskammer befindet.
In diesem Zusammenhang bedeutet "austauschen" hier nur die generelle Anordnung in der jeweiligen Kammer und nicht einen Austausch an exakte die gleiche Position. Bei spielsweise kann die erste Aufnahmevorrichtung zunächst aus der Vorkammer heraus, ne ben die sich in der Prozesskammer befindliche, zweite Aufnahmevorrichtung transportiert werden. Anschließend kann dann die zweite Aufnahmevorrichtung in die Vorkammer transportiert werden. Durch entsprechende Ablenkung des Elektronenstrahls kann dabei der Herstellungsprozess sowohl an der ursprünglichen Position in der Prozesskammer aber auch an der anderen Position der Aufnahmevorrichtung erfolgen.
Durch den Austausch zweier beweglicher Aufnahmevorrichtungen wird nur eine Vorkam mer als Schleuse benötigt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Transporteinrichtung mindestens zwei Transport bahnen aufweist, entlang welchen mindestens zwei bewegliche Aufnahmevorrichtungen aneinander vorbei zwischen der Vorkammer und der Prozesskammer hin und her trans portierbar sind.
Durch eine solche Transporteinrichtung wird die Zeit zum Austausch der beweglichen Auf nahmevorrichtungen reduziert, da die beiden Aufnahmevorrichtungen quasi im gleichen Schritt transportiert werden können. Die beiden Transportbahnen können dabei durch eine gemeinsame Schleusentüre aber auch durch zwei nebeneinander liegende Schleusen türen führen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die mindestens zwei Transportbahnen parallel zueinan der verlaufen. Dies vereinfacht den Aufbau der Transporteinrichtung.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Vorkammer und/oder die Aufnahmevorrichtung mindestens eine Temperaturmesseinrichtung aufweist.
Dadurch kann der Abkühlprozess, welcher insbesondere in der Vorkammer stattfinden kann, überwacht werden. Auch kann die Temperatur des Werkstücks, des Pulverbetts und/oder eines andern Bestandteils der Anlage bestimmt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mit der Vorkammer eine Be- und Entladestation ver bunden ist, über welche die mindestens eine bewegliche Aufnahmevorrichtung in die Elektronenstrahlanlage eingebracht oder aus dieser ausgebracht werden kann.
Zu diesem Zweck kann die Vorkammer eine weitere Schleusentüre aufweisen, durch wel che die Aufnahmevorrichtung in Vorkammer eingebracht oder aus dieser ausgebracht werden kann. Im einfachsten Fall kann die Be- und Entladestation beispielsweise ein Schie nensystem umfassen, auf welches die Aufnahmevorrichtung aufgesetzt werden kann, um diese in die Vorkammer einzuschieben.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Elektronenstrahlanlage eine Steuereinheit für die Transporteinrichtung umfasst.
Obwohl denkbar ist, die Transporteinrichtung für eine händische Bedienung durch den Be nutzer einzurichten, ist es vorteilhaft, wenn die Transporteinrichtung über eine Steuerein heit und entsprechende Aktuatoren automatisiert betrieben wird. Dadurch lassen sich kür zere Taktzeiten erreichen. Die Steuereinheit kann insbesondere den Prozess abhängig von den gemessenen Temperaturen regeln sowie die Transporteinrichtung und/oder die Schleusentür steuern.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die eingangs genannte Aufgabe von einem Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks gelöst, das folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer oben genannten Elektronenstrahlanlage; b) Herstellen eines ersten Werkstücks in einer ersten beweglichen Aufnahmevorrich tung durch Bearbeiten des pulverförmigen Werkstoffs im Pulverbett mittels Elekt ronenstrahlung in der Prozesskammer; c) Bestücken der Vorkammer mit einer zweiten beweglichen Aufnahmevorrichtung und anschließendes Evakuieren der Vorkammer; d) Transportieren der ersten beweglichen Aufnahmevorrichtung von der Prozesskam mer in die Vorkammer; e) Transportieren der zweiten beweglichen Vorrichtung von der Vorkammer in die Prozess kam mer; f) Herstellen eines zweiten Werkstücks in der zweiten beweglichen Aufnahmevorrich tung durch Bearbeiten des pulverförmigen Werkstoffs im Pulverbett mittels Elekt ronenstrahlung in der Prozesskammer; g) Abkühlen des ersten Werkstücks in der ersten beweglichen Aufnahmevorrichtung in der Vorkammer. Bei einem solchen Herstellungsverfahren können die bereits gefertigten Werkstücke ent sprechend einem optimierten zeitlichen Temperaturprofil bis zu einer bestimmten Tempe ratur abkühlen, während zeitgleich die Herstellung eines weiteren Werkstücks läuft. Auch kann durch dosiertes Belüften der Vorkammer ein beschleunigtes Abkühlen erreicht wer den. Da die durch ein solches Herstellungsverfahren gefertigten Werkstücke somit besser entsprechend ihres Temperaturprofilbedarfs abgekühlt werden, heben sich diese Werkstü cke auch durch ihre Qualität von anderweitig gefertigten Werkstücken ab.
Vorzugsweise ist der folgende Schritt vorgesehen:
Entnehmen der ersten beweglichen Aufnahmevorrichtung zusammen mit dem Werkstück aus der Vorkammer. Dadurch, dass nicht nur das Werkstück sondern die gesamte Aufnahmevorrichtung ent nommen wird, kann das Pulverbett bzw. der Vorratsbehälter einfacher für die Herstellung des nächsten Werkstückes vorbereitet werden.
Werkstücke, die mit den erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen An lage gefertigt werden, finden unter anderem in der Luft- und Raumfahrt als Turbinen schaufeln, Pumpenräder und Getriebehalterungen in Helikoptern, in der Automobilindust rie als Turboladerräder sowie Radspeichen, in der Medizintechnik als orthopädische Im plantate und Prothesen, als Wärmetauscher und im Werkzeug- und Formenbau Anwen dung.
Der pulverförmige Werkstoff kann alle elektrisch leitfähigen, für das Elektronenstrahlver fahren geeigneten Materialien umfassen. Bevorzugte Beispiele sind metallische oder kera mische Werkstoffe, insbesondere Titan, Kupfer, Nickel, Aluminium und Legierungen davon wie z.B. Ti-6AI-4V, eine Legierung aus Titan, 6 wt% Aluminium und 4 wt% Vanadium, AISilOMg und Titanaluminide (TiAl).
Weitere beispielhafte Werkstoffe sind Nickelbasis-Legierungen wie z.B. NiCr19NbMo, Ei sen und Eisenlegierungen, insbesondere Stähle wie Werkzeugstahl und rostfreier Stahl, Kupfer und Legierungen davon, Refraktärmetalle, insbesondere Niob, Molybdän, Wolfram und Legierungen davon, Edelmetalle, insbesondere Gold, Magnesium und Legierungen davon, Kobaltbasis-Legierungen wie z.B. CoCrMo, Hochentropielegierungen wie z.B. Al- CoCrFeNi und CoCrFeNiTi, sowie Formgedächtnislegierungen.
Vorzugsweise weist der verwendete pulverförmige Werkstoff eine mittlere Korngröße D50 von 10 pm bis 150 pm auf.
Ein weiterer Aspekt der Anmeldung befasst sich mit einer besseren Wartungsmöglichkeit der Anlage und der Vermeidung von Kontaminationen in einer Anlage zur additiven Her stellung eines Werkstücks.
In einer Strahlanlage, insbesondere in einer Elektronenstrahlanlage, kommen bestimmte Teile der Anlage mit dem pulverförmigen Werkstoff, der für den Herstellungsprozess ver- wendet wird, in Berührung. Es besteht somit das Risiko, dass bei Umstellung auf einen an deren Werkstoff für einen nachfolgenden Bauprozess der neue Werkstoff mit Pulverresten aus dem vorangegangenen Prozess kontaminiert wird. Auch können Pulverreste die Funk tion der Anlage beeinträchtigen.
Unabhängig von der oben genannten Schleusenlösung ist daher eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, besser Wartungsmöglichkeiten zu schaffen und/oder das Konta minationsrisiko zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird von einer Anlage zur additiven Herstellung eines Werkstücks, gelöst, umfassend a) eine Prozesskammer, die vorzugsweise evakuierbar ist, b) einen Baubehälter, in welchem das Werkstück herstellbar ist, c) einen Vorratsbehälter für pulverförmigen Werkstoff, d) eine Pulverauftragvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, den pulverförmigen Werk stoff von dem Vorratsbehälter in ein Pulverbett im Baubehälter zu überführen, e) einen Strahlerzeuger, der dazu eingerichtet ist, in der Prozesskammer einen Ener giestrahl, insbesondere einen Elektronenstrahl, auf lateral unterschiedliche Orte des Pulverbetts zu richten, wobei f) die Pulverauftragvorrichtung aus der Prozesskammer entnehmbar ist.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Pulverauftragvorrichtung derart ausge staltet ist, dass sie im üblichen Betrieb zwischen zwei aufeinander folgend hergestellten Werkstücken auf einfache Weise aus der Prozesskammer entnommen werden kann und somit insbesondere in der Prozesskammer nicht fest verbaut ist.
Entnehmbar bedeutet in diesem Fall, dass die Bestandteile ohne großen Aufwand wie z.B. bauliche Veränderungen oder mit Werkzeugen aus der Anlage entfernt werden können. So kann die Pulverauftragvorrichtung beispielsweise entlang einer Führungseinrichtung aus der Prozesskammer herausgezogen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Rakel auf der Aufnahmevorrichtung befes tigt und die gesamte Aufnahmevorrichtung kann vollständig aus der Prozesskammer ent fernt werden. Bevorzugt kann die Rakel und/oder die Aufnahmevorrichtung vollständig aus der Prozesskammer und/oder der Anlage entnommen werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Anlage mindestens eine bewegliche Aufnahmevor richtung umfasst, welche den Baubehälter, den Vorratsbehälters und die Pulverauftragvor richtung aufweist.
Auf diese Weise sind die Hauptkomponenten der Anlage, die mit dem pulverförmigen Werkstoff in Berührung kommen in einer mobilen, kompakten Einheit zusammengefasst. Bei Umstellung auf einen anderen Werkstoff kann so das Risiko einer Kontaminierung des neuen Werkstoffs mit Pulverresten aus dem vorangegangenen Prozess verringert werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die mindestens eine bewegliche Aufnahmevorrichtung aus der Prozesskammer in die Prozesskammer hinein und aus dieser heraus transportier bar ist.
Die bewegliche Aufnahmevorrichtung stellt eine mobile, kompakte Einheit dar, die in der Handhabung beim Transport derselben in bzw. aus der Prozesskammer Vorteile hat. Für den Transport kann eine Transporteinrichtung, beispielweise ein Kettenzug, vorgesehen sein, welche die bewegliche Aufnahmevorrichtung vor allem innerhalb der Prozesskammer bewegt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die mindestens eine bewegliche Aufnahmevorrichtung dazu eingerichtet ist, Baubehälter und/oder Vorratsbehälter mit unterschiedlichen Abmes sungen, insbesondere unterschiedlichen Volumina, aufzunehmen.
Dadurch können der Platzbedarf und Materialverbrauch genau an den Herstellungspro zess und/oder das Werkstück angepasst werden. Die Außenmaße der Aufnahmevorrich tung können dabei gleich bleiben. Vor allem etwaige Mittel zur Zusammenarbeit mit einer Transporteinrichtung können gleich bleiben. Die Abmessungen der Behälter können sich von Aufnahmevorrichtung zu Aufnahmevorrichtung unterscheiden. Vorzugsweise ist die Aufnahmevorrichtung aber derart modularer aufgebaut, dass an einem vorgegebenen Tragrahmen Behälter unterschiedlicher Abmessung einsetzbar sind.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass alle prozessberührenden Bauteile aus der Prozesskam mer entnehmbar sind.
Als prozessberührend werden hier alle Bestandteile der Anlage angesehen, die gewollt mit dem pulverförmigen Werkstoff, insbesondere zur Vorbereitung des Schmelzvorgangs und/oder während des Schmelzvorgangs, in Berührung kommen; z.B. die bewegliche Auf nahmevorrichtung mit Baubehälter und Pulvervorratsbehälter sowie die Pulverauftragsvor richtung aber auch etwaige Überlauf- und/oder Pulverrestbehälter. Anlagenteil, wie bei spielsweise Pumpen oder Prozesskammerwände, die beispielsweise aufgrund des elektro statischen Verblasens des Pulvers ungewollt mit aufgewirbeltem Pulver in Berührung kom men, werden für die vorliegende Erfindung nicht als prozessberührende Teile angesehen.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe von einer beweglichen Auf nahmevorrichtung für eine Anlage zur additiven Herstellung eines Werkstücks aus einem pulverförmigen Werkstoff gelöst, umfassend einen Baubehälter, in welchem das Werk stück schichtweise herstellbar ist, wobei a) die bewegliche Aufnahmevorrichtung eine Pulverauftragvorrichtung, insbesondere eine Rakel, aufweist, die dazu eingerichtet ist, den pulverförmigen Werkstoff von einem Vorratsbehälter in ein Pulverbett im Baubehälter zu überführen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass auch der Vorratsbehälter für den pulverförmigen Werk stoff Bestandteil der beweglichen Aufnahmevorrichtung ist.
Dies hat den Vorteil, dass sämtliche Hauptkomponenten Bestandteil der beweglichen Auf nahmevorrichtung sind. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Aufnahmevorrichtung einen Tragrahmen umfasst, der mindestens zwei thermisch entkoppelte Abschnitte aufweist.
Dies kann dadurch realisiert werden, dass der Tragrahmen mindestens zwei Abschnitte aufweist, die miteinander nicht in direktem Kontakt stehen. An einem Abschnitt kann die Pulverauftragvorrichtung befestigt werden, an einem zweiten Abschnitt kann der Baube hälter befestigt werden. Dies erleichtert das Temperaturmanagement. Da während der Herstellung des Werkstücks auf der Prozessebene höhere Temperaturen entstehen als in der Umgebung ist das Material des Baubehälters sowie der benachbarten Baugruppen stärkeren thermischen Belastungen und Spannungen ausgesetzt. Rund um die Rakel muss jedoch auf höchste Präzision geachtet werden, da Veränderungen in der Position der Ra kel große Auswirkungen auf die Qualität des Werkstücks haben. Materialausdehnung in Folge von Temperaturschwankungen müssen daher so gering wie möglich gehalten wer den. Durch den Tragrahmen mit zwei voneinander thermisch entkoppelten Abschnitten, wird eine schädliche Wärmeausbreitung auf die Rakel unterbunden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Baubehälter und die Pulverauftragvorrichtung an unterschiedlichen Abschnitten des Tragrahmens befestigt sind.
Hinsichtlich eines Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur additiven Herstel lung eines Werkstücks gelöst, das die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer der oben erläuterten Strahlanlagen; b) Herstellen eines Werkstücks durch Bearbeiten des pulverförmigen Werkstoffs mit tels eines Energiestrahls in der Prozesskammer; und c) Entnehmen der Pulverauftragvorrichtung aus der Prozesskammer.
Dadurch kann die Pulverauftragvorrichtung einfach gewartet und insbesondere von Pul verresten gereinigt werden.
Die zuletzt im Hinblick auf eine entnehmbare Pulverauftragvorrichtung genannten Merk male und Vorteile sind sowohl bei Elektronenstrahlanlagen als auch bei Laserstrahlanlagen vorteilhaft. Insbesondere sind diese Merkmale und Vorteile aber auch bei den zu Beginn der Anmeldung genannten Anlagen mit einer Vorkammer und einer Prozesskammer an wendbar und teilweise besonders vorteilhaft. Die Anmelderin behält sich daher das Recht vor, diese Merkmale und Vorteile mit den Merkmalen und Vorteilen der anfangs genann ten Anlagen zu kombinieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Elektronenstrahlanlage für die additive Herstellung eines Werkstücks;
Figur 2 eine Seitenansicht der Elektronenstrahlanlage;
Figur 3 eine Draufsicht auf die Elektronenstrahlanlage;
Figur 4 eine isometrische Ansicht einer Aufnahmevorrichtung für die Elektronenstrahl anlage;
Figur 5 eine Seitenansicht einer Elektronenstrahlanlage nach einem anderen Ausfüh rungsbeispiel mit zwei Vorkammern;
Figuren 6a-6d Draufsichten verschiedener Ausführungsformen der Elektronenstrahlanlage mit unterschiedlichen Anordnungen der Vorkammer;
Figur 7a eine Seitenansicht einer Elektronenstrahlanlage mit einer vertikalen Anordnung der Vorkammer;
Figur 7b eine Seitenansicht einer Elektronenstrahlanlage mit einer vertikalen Anordnung der Vorkammer;
Figur 8a eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform der Aufnahmevorrichtung für die Elektronenstrahlanlage
Figur 8b eine isometrische Ansicht einer Anlage zur additiven Herstellung eines Werk stücks mit einer beweglichen Aufnahmevorrichtung. BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Figur 1 zeigt schematisch das Prinzip einer erfindungsgemäßen Elektronenstrahlanlage 10, die eine Prozesskammer 12 und eine Vorkammer 14 umfasst, welche über eine Schleusen türe 16 mit der Prozesskammer 12 verbunden ist.
Sowohl die Prozesskammer 12 als auch die Vorkammer 14 werden durch Vakuumgehäuse definiert, die über nicht näher dargestellte, allgemein bekannte Absaugvorrichtungen und Vakuumpumpen auf Drücke im Bereich von 105 bis 102 mbar evakuierbar sind. Bei ge schlossener Schleusentüre 16 können die Prozesskammer 12 und die Vorkammer 14 je doch getrennt voneinander evakuiert und belüftet werden. Die Elektronenstrahlanlage 10 kann dazu an der Prozesskammer 12 und/oder der Vorkammer 14 einen hier nicht gezeig ten Gaseinlass für z.B. ein Inertgas aufweisen.
Ferner ist an der Vorkammer 14 eine weitere Schleusentüre 18 zu einer außerhalb der Vor kammer 14 angeordnete optionale Be- und Entladestation 20 vorgesehen (vgl. auch Figur 2).
Meist an einem Flansch des Vakuumgehäuses angeordnet weist die Elektronenstrahlan lage 10 einen Elektronenstrahlerzeuger 22 zusammen mit einer Ablenkvorrichtung 24 auf, mit dessen Hilfe in der Prozesskammer 12 ein Elektronenstrahl 26 erzeugt und abgelenkt werden kann.
Wie anhand der Figuren 1 und 3 erkennbar ist, sind im hier gezeigten Ausführungsbeispiel als Transporteinrichtung 30 für eine bewegliche Aufnahmevorrichtung 32 in der Prozess kammer 12, in der Vorkammer 14 und als Teil der Be- und Entladestation 20 Schienen 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b vorgesehen.
Die Schienen 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b sind im Bereich der beiden Schleusentüren 16 und 18 unterbrochen, sodass bei geschlossenen Schleusentüren 16 und 18 die Schienen 34a, 34b vollständig in der Prozesskammer 12 und die Schienen 36a, 36b vollständig in der Vorkammer 14 angeordnet sind. Die Transporteinrichtung 30 ermöglicht es, über hier nicht im Detail ausgeführte Aktua toren 40, wie beispielsweise angetriebene Rollen, die bewegliche Aufnahmevorrichtung 32 zwischen der Vorkammer 14 und der Prozesskammer 12 und gegebenenfalls der Be- und Entladestation hin- und herzutransportieren.
Zudem ist aus Figur 3 ersichtlich, dass die Transporteinrichtung 30 mit den Schienen 34a, 36a, 38a und den Schienen 34b, 36b, 38b zwei parallele Transportbahnen aufweist, sodass zwei bewegliche Aufnahmevorrichtungen 32 aneinander vorbei von der Vorkammer 14 in die Prozesskammer 12 und zurück transportierbar sind.
In der Prozesskammer 12 schließt sich ein Koordinatentisch 39 an die Transporteinrichtung 30 an, welcher die Aufnahmevorrichtung 32 in der Prozesskammer 12 lateral positionieren und bewegen kann.
Eine derartige bewegliche Aufnahmevorrichtung 32 ist in Figur 4 gezeigt.
Die Aufnahmevorrichtung 32 weist zunächst einen Tragrahmen 33 als Basiskomponente auf, mit der die Transporteinrichtung 30 zusammenwirkt.
Die Aufnahmevorrichtung 32 weist ferner einen Baubehälter 40 auf, in welchem ein Pulver bett 42 (vgl. Figur 1) aufgenommen werden kann, aus welchem in einem additiven Herstel lungsprozess (3D-Druck) ein Werkstück 43 hergestellt werden kann.
Des Weiteren umfasst die Aufnahmevorrichtung 32 einen Vorratsbehälter 44, der hier ne ben dem Baubehälter 40 angeordnet ist, in welchem pulverförmiges Material 46 vorgehal ten wird.
Sowohl der Baubehälter 40 als auch der Vorratsbehälter 44 sind als separate Komponen ten in den Tragrahmen 33 eingesetzt und können so für jeden Herstellungsprozess indivi duell, d.h. insbesondere unterschiedlich groß, gewählt werden. Alternativ können der Trag rahmen 33 und die Behälter 40, 44 aber auch fest verbunden oder gar einstückig ausge führt sein, sodass die Aufnahmevorrichtung 32 als Ganzes je nach Herstellungsprozess ausgetauscht wird. Der Baubehälter 40 umfasst seinerseits eine bewegliche Grundplatte 48, die über einen in der Prozesskammer 12 angeordneten Hubkolben 50 angehoben und abgesenkt werden kann.
Gleiches gilt für den Vorratsbehälter 44, welcher ebenfalls eine bewegliche Grundplatte 52 aufweist, die über einen zweiten Hubkolben 54 angehoben und abgesenkt werden kann.
Oberhalb der beiden Behälter 40, 44 ist eine Rakel 56 als Pulverauftragvorrichtung vorge sehen, mit welcher sich durch eine Verfahrbewegung jeweils als oberste lose Schicht das pulverförmige Material 46 von dem Vorratsbehälter 44 zu dem Baubehälter 40 räkeln und zu einem Pulverbett 42 eben auftragen lässt.
Die beiden Grundplatten 48 und 52 werden dabei Schicht für Schicht gegenläufig bewegt, sodass der Baubehälter 40 nach und nach größer und der Vorratsbehälter 44 entspre chend der benötigten Pulvermenge kleiner wird.
In einer einfachsten Bauform haben die beiden Behälter 40, 44 gleichen Gesamtquer schnitt. Bei unterschiedlichen Gesamtquerschnitten muss die Bewegung der Grundplatte 52 des Vorratsbehälters 44 an die benötigte Pulvermenge entsprechend angepasst wer den.
Sowohl der Vorratsbehälter 44 als auch die Pulverauftragvorrichtung können aber alterna tiv auch unabhängig von der Aufnahmevorrichtung 32 in der Prozesskammer 12 angeord net sein.
Weiters kann die Aufnahmevorrichtung 32 einen Pulverüberlauf 58 sowie über dem Bau behälter 44 ein Hitzeschild aufweisen.
Eine Steuereinheit 60 ist mit den wesentlichen Komponenten der Elektronenstrahlanlage 10, insbesondere mit dem Elektronenstrahlerzeuger 22, den Aktoren der Transporteinrich tung 30, den Schleusentüren 16, 18 sowie mit den Hubkolben 50, 54 verbunden, um das gesamte Herstellungsverfahren zu steuern.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren arbeitet wie folgt: Zur Herstellung eines Werkstücks 43 in der erfindungsgemäßen Elektronenstrahlanlage 10 wird eine Aufnahmevorrichtung 32 mit einem Baubehälter 40 zur Aufnahme eines Pulver betts 42 über die Transporteinrichtung 30 in der Prozesskammer 12 positioniert.
Das pulverförmige Material 46 wird dabei im Vorratsbehälter 44 angeordnet.
Im nächsten Schritt wird die Prozesskammer 12 evakuiert. Nach Erreichen des Zieldrucks beginnt der Fertigungsprozess des Werkstücks 43. Hierfür wird mit der Pulverauftragvor richtung Schicht für Schicht des pulverförmigen Werkstoffs 46 im Baubehälter 40 aufgetra gen und jede Schicht jeweils mit dem Elektronenstrahl 26 partiell verfestigt.
Die relative Bewegung des Elektronenstrahls 26 zum Pulverbett 42 kann durch Ablenkung des Elektronenstrahls 26 mit der Ablenkvorrichtung 24 erfolgen oder durch Verfahren des Koordinatentisches 39.
Optional wird das pulverförmige Material 46 vor dem Schmelzschritt in einem Vorheiz schritt vorgeheizt, um Pulververluste und Prozessunterbrechungen durch elektrostatische Verblasungen des Materials 46 zu vermeiden.
Während das erste Werkstück 43 in der evakuierten Prozesskammer 12 gefertigt wird, kann in einer weiteren Aufnahmevorrichtung 32 außerhalb der Elektronenstrahlanlage 10 der nächste Baubehälter 40 und ggf. der nächste Vorratsbehälter 44 vorbereitet werden. Diese zweite Aufnahmevorrichtung 32 wird dann in der Vorkammer 14 platziert, wobei die Schleusentüre 16 zur Prozesskammer 12 geschlossen bleiben kann. Dann wird die Vor kammer 14 ebenfalls evakuiert.
Da jede bewegliche Aufnahmevorrichtung 32 individuell vorbereitet werden kann, kann auch der Vorratsbehälter 44 jeweils mit einem anderen Material 46 gefüllt werden. So kön nen nacheinander unterschiedliche Werkstücke 43 aus unterschiedlichem Material herge stellt werden.
Um den Pulververbrauch zu minimieren, werden Baubehälter 40 mit unterschiedlichen Vo lumina bereitgestellt, welche in Abhängigkeit von der Größe des Werkstücks 43 gewählt werden können und mittels der Aufnahmevorrichtung 32 in die Elektronenstrahlanlage 10 eingebracht werden.
Nach Fertigstellung des ersten Werkstücks 43 wird die Schleusentür 16 zwischen Vorkam mer 14 und Prozesskammer 12 geöffnet. Das fertige Werkstück 43 wird auf einer Trans portbahn der Transporteinrichtung 30 in die Vorkammer 14 befördert. Die zweite Aufnah mevorrichtung 32 wird auf der zweiten Transportbahn in die Prozesskammer 12 befördert.
Während nun in der Prozesskammer 12 der Herstellungsprozess des zweiten Werkstücks 43 beginnt, kann in der Vorkammer 14 das erste Werkstück 43 abkühlen. Dieser Vorgang kann durch Einleiten eines Inertgases wie z.B. Helium beschleunigt bzw. genau definiert werden. Durch in der Elektronenstrahlanlage 10 und/oder an der Aufnahmevorrichtung 32 platzierten Temperaturmesseinrichtungen 62 wird der Abkühlprozess des Werkstücks 43 überwacht.
Um den Prozess, insbesondere den Abkühl prozess, zu überwachen, wird die Temperatur an verschiedenen Stellen in der Elektronenstrahlanlage 10 und an der Aufnahmevorrich tung 32 mittels Temperaturmesseinrichtungen 62 gemessen. Bevorzugte Messpunkte sind unter anderem an der Grundplatte 48 des Baubehälters 40, an den Wänden des Baubehäl ters 40, des Vorratsbehälters 44 und/oder des Pulverüberlaufs 58, an der Rakel 56, insbe sondere einem Rakelträger und/oder entlang der Rakelschiene, und Kombinationen da von. Auch in den Kammern können Temperaturmesseinrichtungen 62 angebracht sein, zum Beispiel an einer Seitenwand oder Decke der Vorkammer 14 oder Prozesskammer 12.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit 60 dazu ausgelegt, das Ab kühlen zu überwachen und automatisch bei Erreichen einer bestimmten Temperatur die Vorkammer 14 zu fluten, die Schleusentür 18 zu öffnen und die Aufnahmevorrichtung 32 aus der Vorkammer 14 zu transportieren.
Dann kann wieder eine Aufnahmevorrichtung 32 vorbereitet werden und in der Vorkam mer 12 platziert werden.
Abbildung 5 zeigt eine Ausführungsform der Elektronenstrahlanlage 10 mit zwei Vorkam mern 12. Bei dieser Ausführungsform kann die Transporteinrichtung 30 eine, zwei oder vier T ransportbahnen aufweisen. Mit dieser Anlage ist es möglich, den Zeitbedarf für das Abkühlen pro Werkstück 43 noch zusätzlich zu reduzieren, da mehrere Werkstücke 43 in mehreren Aufnahmevorrichtungen 32 zeitgleich abkühlen können.
Auch kann bei der Verwendung von zwei Vorkammern 14 die Transporteinrichtung 30 mit nur einer Transportbahn ausgestattet sein, sodass im Durchlaufprinzip eine Vorkammer 14 immer zum Beladen und die andere Vorkammer 14 immer zum Abkühlen und Entladen verwendet wird. Dies reduziert die Komplexität der Transporteinrichtung 30.
Figuren 6a-d und 7 zeigen Ausführungsformen der Elektronenstrahlanlage 10 mit verrin gertem Volumen der Prozesskammer 12 und optimierten Transportwegen der Aufnahme vorrichtung 32.
Die Prozesskammer 12 der in Figuren 6a-d und 7 gezeigten Ausführungsformen ist zur Aufnahme von genau einer beweglichen Aufnahmevorrichtung 32 ausgelegt.
Figur 6d zeigt eine Ausführungsform der Elektronenstrahlanlage 10 mit einer Drehscheibe in der Vorkammer.
Die Be- und Entladestation 20 kann, wie in Figur 7 dargestellt, in Form eines abgeschlosse nen Arbeitsraumes ausgebildet sein. Bevorzugt ist Be- und Entladestation 20 eine Glo- vebox mit einer Pulverabsaugung zum sicheren Entpacken des Werkstücks. Die Be- und Entladestation 20 kann in Form einer Transporteinheit ausgebildet sein, die an die Vor kammer andocken kann.
Figur 7 zeigt eine Ausführungsform der Elektronenstrahlanlage 10 mit einer vertikalen An ordnung der Vorkammer 14. Die Vorkammer 14 ist mit einem Aufzug 15 versehen. Der Aufzug ist ausgelegt, um mindestens zwei bewegliche Aufnahmevorrichtungen 32 vertikal übereinander angeordnet aufzunehmen. Die in Figur 7 gezeigte Vorkammer weist zwei Haltepositionen für den Aufzug auf. In Figur 7 befindet sich der Aufzug 15 in der unteren Position und ermöglicht den Transport von der Be- und Entladestation 20 in die zweite Beladeebene 15b des Aufzugs. Die erste Beladeebene 15a des Aufzugs ist ebenfalls dazu ausgelegt, eine bewegliche Aufnahmevorrichtung 32 aufzunehmen. Die obere Halteposi tion weist in Figur 7 das Referenzzeichen 17 auf. Nach einer möglichen Betriebsart wird der Aufzug 15 mit einer Aufnahmevorrichtung 32 bestückt und die Vorkammer 14 evakuiert. Anschließend wird die Schleusentür 16 geöffnet und die Aufnahmevorrichtung 32 in die Prozesskammer transportiert. Schleusentür 16 wird wieder geschlossen. Während der Bearbeitung des Pulvers mit dem Elektronenstrahl in der Prozesskammer, wird die Schleusentür 18 der Vorkammer 14 geöffnet und der Auf zug 15 mit einer weiteren beweglichen Aufnahmevorrichtung 32 bestückt. Anschließend wird die Schleusentür 18 geschlossen und die Vorkammer 14 evakuiert.
Alternativ dazu kann der Aufzug 15 beim Beladen bereits mit zwei Aufnahmevorrichtun gen bestückt werden. Dazu wird der Aufzug von der ersten in die zweite Halteposition be wegt oder umgekehrt.
Vor Beendigung des Pulverbearbeitungsschrittes wird der Aufzug in eine Position ge bracht, bei der die noch freie Beladeebene und die Schleusentür 16 anschließt. Nach Been digung des Pulverbearbeitungsschrittes wird die Schleusentür 16 geöffnet und die Auf nahmevorrichtung mit dem bearbeiteten Pulver von der Prozesskammer 12 in die freie Po sition des Aufzugs transportiert. Anschließend wird der Aufzug bewegt, die Aufnahmevor richtung 32 mit dem unbearbeiteten Pulver in die Prozesskammer transportiert und mit dem Elektronenstrahl bearbeitet.
Während des Pulverbearbeitungsschrittes der zweiten Aufnahmevorrichtung bleibt die heiße Aufnahmevorrichtung 32 mit dem bearbeiteten Pulver in der Vorkammer und kühlt ab. Bei unterstützten Abkühlprozessen wird die Aufnahmevorrichtung in eine vorteilhafte Position gebracht, z.B. in den oberen Bereich der Vorkammer oder nahe dem Einlass des Kühlmittels.
Bei Erreichen der gewünschten Temperatur, oder vor Beendigung des Pulverbearbeitungs schrittes der zweiten Aufnahmevorrichtung wird der Aufzug in eine geeignete Position ge bracht, die Schleusentür 18 geöffnet und die Aufnahmevorrichtung aus der Vorkammer transportiert. Anschließend kann eine dritte Aufnahmevorrichtung in die Vorkammer ein gebracht, die Schleusentür 18 geschlossen und die Vorkammer evakuiert werden. Der Tausch mit der Aufnahmevorrichtung mit dem bearbeiteten Pulver erfolgt in derselben Weise wie oben beschrieben. Der Prozess kann beliebig oft wiederholt werden. Die vertikale Ausführungsform der Vorkammer ist besonders vorteilhaft, da zusätzlich zur verbesserten Nutzung der Elektronenstrahlanlage bezüglich der Verweildauer und Evaku ierungsproblematik der Platzbedarf, vor allem hinsichtlich der Standfläche der Anlage, re duziert wird.
Alternativ dazu kann die Elektronenstrahlanlage 10 mit zwei Vorkammern 14 und zwei Transportbahnen ausgebildet sein. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Elektronenstrahlanlage 10 eine Vielzahl an Prozesskammern 12 und Vorkammern 14, zwi schen welchen die erfindungsgemäßen beweglichen Aufnahmevorrichtungen 32 mit Hilfe der Transporteinrichtung 30 hin und her bewegt werden.
Durch die Parallelisierung des Fertigungs- und Abkühlprozesses kann die Verweildauer des Werkstücks 43 in der Prozesskammer 12 deutlich reduziert werden und somit die Auslas tung der Elektronenstrahlanlage 10 optimiert werden.
Figur 8a zeigt eine isometrische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der bewegli chen Aufnahmevorrichtung 32 für die Elektronenstrahlanlage.
Diese bewegliche Aufnahmevorrichtung 32 umfasst einen Tragrahmen 33, an welchem ein Baubehälter 40, ein Vorratsbehälter 44 und ein Pulverüberlauf 58 sowie eine Rakeleinheit als Pulverauftragvorrichtung 56 aufgenommen sind.
Die Rakeleinheit weist hierbei eine oder mehrere Rakeln 45 auf, die über einen Rakelträger entlang von Schienen bewegt werden können. Aktuatoren zum Bewegen der Rakel 45 sind hingegen im Inneren der Prozesskammer 12 angeordnet und in den Figuren nicht gezeigt.
In den Figuren ebenfalls nicht ersichtlich ist, dass der Tragrahmen 33 zwei Abschnitte auf weist, die voneinander thermisch entkoppelt sind. Das Rakelsystem 45 und der Baubehäl ter 40 sind dabei nicht am selben Abschnitt befestigt, sodass diese thermisch entkoppelt sind.
Figur 8b zeigt eine isometrische Ansicht einer Anlage 10 zur additiven Herstellung eines Werkstücks mit einer beweglichen Aufnahmevorrichtung 32. Die bewegliche Aufnahmevorrichtung 32 kann vollständig durch die Tür 16 aus der Anlage 10 entnommen werden. In dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung 32 aus der Pro zesskammer 12 entlang von Schienen herausgeschoben werden. Keinerlei Umbauschritte sind nötig, um die bewegliche Aufnahmevorrichtung 32 zu entnehmen. Die Aktuatoren für die Hubkolben 50 und 54 (siehe Figur 1), für die Bewegung der Rakel 45 sowie optional für eine Transporteinrichtung, verbleiben in der Prozesskammer 12 und weisen eine geeignete Schnittstelle zur beweglichen Aufnahmevorrichtung 32 auf.
Eine evakuierbare Vorkammer sowie eine Be- und Entladestation sind hier optional, er leichtern jedoch das Handling und Verkürzen die Nebenzeiten im Herstellungsprozess. Durch die vollständige Entnahme der beweglichen Aufnahmevorrichtung 32 werden Ser vicetätigkeiten wie Reinigung, Reparatur etc. deutlich vereinfacht. Die bessere Zugänglich keit verringert das Risiko einer Kontamination mit Fremdpartikeln bei Werkstoffwechsel.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Elektronenstrahlanlage (10) zur additiven Herstellung eines Werkstücks (43), umfas send a) eine Prozesskammer (12), die evakuierbar ist, b) einen Elektronenstrahlerzeuger (22), der dazu eingerichtet ist, in der Prozesskam- mer (12) einen Elektronenstrahl (26) auf lateral unterschiedliche Orte eines Pulver betts (42) aus einem zu bearbeitenden pulverförmigen Werkstoff (46) zu richten, gekennzeichnet durch c) mindestens eine Vorkammer (14), die evakuierbar ist und die im Betrieb der Elekt ronenstrahlanlage (10) fortwährend mit der Prozesskammer (12) vakuumdicht über eine Schleusentür (16) verbunden ist, d) mindestens eine bewegliche Aufnahmevorrichtung (32) zur Aufnahme des Pulver betts (42) und e) eine Transporteinrichtung (30), mit der die mindestens eine Aufnahmevorrichtung (32) von der Vorkammer (14) in die Prozesskammer (12) transportiert werden kann.
2. Elektronenstrahlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegli che Aufnahmevorrichtung (32) einen Baubehälter (40) aufweist, welcher dazu einge richtet ist, das Pulverbett (42) aufzunehmen, und in welchem das Werkstück (43) addi tiv herstellbar ist.
3. Elektronenstrahlanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegli che Aufnahmevorrichtung (32) einen Vorratsbehälter (44) für den pulverförmigen Werkstoff (26) aufweist.
4. Elektronenstrahlanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegli che Aufnahmevorrichtung (32) eine Pulverauftragvorrichtung (56, 45) aufweist, die dazu eingerichtet ist, den pulverförmigen Werkstoff (46) von dem Vorratsbehälter (44) in den Baubehälter (40) zu überführen, um dort jeweils das Pulverbett (42) für die ad ditive Herstellung des Werkstücks (43) zu erzeugen.
5. Elektronenstrahlanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Transporteinrichtung (30) dazu eingerichtet ist, eine erste bewegli- che Aufnahmevorrichtung (32), die sich zunächst in der Vorkammer (14) befindet, ge gen eine zweite bewegliche Aufnahmevorrichtung (32) auszutauschen, welche sich in der Prozesskammer (12) befindet.
6. Elektronenstrahlanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Transporteinrichtung (30) mindestens zwei Transportbahnen auf- weist, entlang welchen mindestens zwei bewegliche Aufnahmevorrichtungen (32) an einander vorbei zwischen der Vorkammer (14) und der Prozesskammer (12) hin und her transportierbar sind.
7. Elektronenstrahlanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Vorkammer (14) und/oder die Aufnahmevorrichtung (32) mindes- tens eine Temperaturmesseinrichtung (62) aufweist.
8. Elektronenstrahlanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass mit der Vorkammer (14) eine Be- und Entladestation (20) verbunden ist, über welche die mindestens eine bewegliche Aufnahmevorrichtung (32) in die Elektro nenstrahlanlage (10) eingebracht oder aus dieser ausgebracht werden kann.
9. Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks (43) umfassend folgende
Schritte: a) Bereitstellen einer Elektronenstrahlanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; b) Herstellen eines ersten Werkstücks (43) in einer ersten beweglichen Aufnahme- Vorrichtung (32) durch Bearbeiten des pulverförmigen Werkstoffs (46) im Pulver bett (42) mittels eines Elektronenstrahls (26) in der Prozesskammer (12); c) Bestücken der Vorkammer (14) mit einer zweiten beweglichen Aufnahmevorrich tung (32) und anschließendes Evakuieren der Vorkammer (14); d) Transportieren der ersten beweglichen Aufnahmevorrichtung (32) von der Pro zesskammer (12) in die Vorkammer (14) oder in eine andere Vorkammer (14); e) Transportieren der zweiten beweglichen Vorrichtung (32) von der Vorkammer (14) in die Prozesskammer (12); f) Herstellen eines zweiten Werkstücks (43) in der zweiten beweglichen Aufnahme vorrichtung (32) durch Bearbeiten des pulverförmigen Werkstoffs (46) im Pulver bett (42) mittels eines Elektronenstrahls (26) in der Prozesskammer (12); g) Abkühlen des ersten Werkstücks (43) in der ersten beweglichen Aufnahmevor richtung (32) in der Vorkammer (14).
10. Verfahren nach Anspruch 9, umfassend den Schritt: a) Entnehmen der ersten beweglichen Vorrichtung (32) zusammen mit dem Werk stück (43) aus der Vorkammer (14).
11. Anlage (10) zur additiven Herstellung eines Werkstücks (43), umfassend a) eine Prozesskammer (12), die vorzugsweise evakuierbar ist, b) einen Baubehälter (40) in welchem das Werkstück (43) herstellbar ist, c) einen Vorratsbehälter (44) für pulverförmigen Werkstoff (46), d) eine Pulverauftragvorrichtung (56, 45), die dazu eingerichtet ist, den pulverförmi gen Werkstoff (46) von dem Vorratsbehälter (44) in ein Pulverbett (42) im Baube hälter (40) zu überführen, e) einen Strahlerzeuger (22), der dazu eingerichtet ist, in der Prozesskammer (12) ei nen Energiestrahl, insbesondere einen Elektronenstrahl (26), auf lateral unter schiedliche Orte des Pulverbetts (42) zu richten, dadurch gekennzeichnet, dass f) die Pulverauftragvorrichtung (56, 45) aus der Prozesskammer entnehmbar ist.
12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (10) mindestens eine bewegliche Aufnahmevorrichtung (32) umfasst, welche den Baubehälter (40), den Vorratsbehälters (44) und die Pulverauftragvorrichtung (56, 45) aufweist.
13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine beweg liche Aufnahmevorrichtung (32) aus der Prozesskammer in die Prozesskammer (12) hinein und aus dieser heraus transportierbar ist.
14. Anlage nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine bewegliche Aufnahmevorrichtung (32) dazu eingerichtet ist, Baubehälter (40) und/oder Vorratsbehälter (44) mit unterschiedlichen Abmessungen, insbesondere un terschiedlichen Volumina, aufzunehmen.
15. Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass alle pro zessberührenden Bauteile aus der Prozesskammer (12) entnehmbar sind.
16. Bewegliche Aufnahmevorrichtung (32) für eine Anlage (10) zur additiven Herstellung eines Werkstücks (43) aus einem pulverförmigen Werkstoff (46), umfassend einen Bau behälter (40), in welchem das Werkstück (43) schichtweise herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass a) die bewegliche Aufnahmevorrichtung (32) eine Pulverauftragvorrichtung (56, 45), insbesondere eine Rakel (45), aufweist, die dazu eingerichtet ist, den pulverförmi gen Werkstoff (46) von einem Vorratsbehälter (44) in ein Pulverbett (42) im Bau behälter (40) zu überführen.
17. Bewegliche Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Vorratsbehälter (44) für den pulverförmigen Werkstoff (26) Bestandteil der beweglichen Aufnahmevorrichtung (32) ist.
18. Bewegliche Aufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch ge kennzeichnet, dass die Aufnahmevorrichtung (32) einen Tragrahmen (33) umfasst, der mindestens zwei thermisch entkoppelte Abschnitte aufweist.
19. Bewegliche Aufnahmevorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei der Baubehälter (40) und die Pulverauftragvorrichtung (56, 45) an unterschiedlichen Ab schnitten des Tragrahmens (33) befestigt sind.
20. Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks (43), umfassend die Schritte a) Bereitstellen einer Strahlanlage (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 15; b) Herstellen eines Werkstücks durch Bearbeiten des pulverförmigen Werkstoffs (46) mittels eines Energiestrahls (26) in der Prozesskammer (12); und c) Entnehmen der Pulverauftragvorrichtung (56, 45) aus der Prozesskammer (12).
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