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DE102016202696B4 - Device for the additive manufacturing of three-dimensional components - Google Patents

Device for the additive manufacturing of three-dimensional components Download PDF

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DE102016202696B4
DE102016202696B4 DE102016202696.8A DE102016202696A DE102016202696B4 DE 102016202696 B4 DE102016202696 B4 DE 102016202696B4 DE 102016202696 A DE102016202696 A DE 102016202696A DE 102016202696 B4 DE102016202696 B4 DE 102016202696B4
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DE
Germany
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coating element
layer
powdery material
powder bed
vibrations
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Active
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Inventor
Christine Anstätt
Wolfgang Reimann
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Abstract

Vorrichtung zur additiven Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen, bei der ein Pulverbett (2) schichtweise sukzessive aufgebaut und
jede einzelne Schicht mit einem zweidimensional auslenkbaren Energiestrahl so beeinflusst wird, dass eine lokal definierte Verfestigung des jeweils eingesetzten pulverförmigen Werkstoffs durch eine Sinterung oder ein temporäres Schmelzen, mit dem das Pulverbett (2) ausgebildet wird, erreicht wird; wobei
für die Ausbildung der einzelnen mit dem pulverförmigen Werkstoff gebildeten Schichten mit konstanter vorgebbarer Schichtdicke mindestens ein Beschichtungselement (1), das ausgehend von einem Reservoir für den pulverförmigen Werkstoff in einer Achsrichtung parallel und in einem vorgebbaren Abstand zur Oberfläche eines Pulverbettträgers, in dem das Pulverbett (2) sukzessive mit den einzelnen aus dem pulverförmigen Werkstoff gebildeten Schichten (3) aufgenommen ist, bewegbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das mindestens eine Beschichtungselement (1) in Form eines RakeIs, einer Rolle oder einer Doppelklinge ausgebildet und während der Bewegung zur Ausbildung jeweils einer Schicht (3) in Schwingung versetzbar ist, wobei am Beschichtungselement (1) Piezoaktoren, die als Phased Array ausgebildet sind, mit denen Schwingungen generierbar und in das Beschichtungselement (1) einkoppelbar sind, vorhanden ist
und
durch das mindestens eine Beschichtungselement (1) eine Gasströmung auf die gesamte jeweilige Schicht (3) gerichtet ist, so dass eine Fluidisierung des pulverförmigen Werkstoffs mit konstanter Schichtdicke ohne Agglomerate erreichbar ist.

Figure DE102016202696B4_0000
Device for the additive production of three-dimensional components, in which a powder bed (2) is built up successively in layers and
each individual layer is influenced with a two-dimensionally deflectable energy beam in such a way that a locally defined solidification of the powdery material used in each case is achieved by sintering or a temporary melting with which the powder bed (2) is formed; in which
For the formation of the individual layers formed with the powdery material with a constant, predefinable layer thickness, at least one coating element (1), which, starting from a reservoir for the powdery material, runs parallel to one another in an axial direction and at a predeterminable distance from the surface of a powder bed support in which the powder bed ( 2) is successively taken up with the individual layers (3) formed from the powdery material, is movable,
characterized in that
the at least one coating element (1) is designed in the form of a rake, a roller or a double blade and can be set in vibration during the movement to form a layer (3), piezo actuators on the coating element (1) being designed as a phased array, with which vibrations can be generated and coupled into the coating element (1) is present
and
a gas flow is directed through the at least one coating element (1) onto the entire respective layer (3), so that fluidization of the powdery material with a constant layer thickness can be achieved without agglomerates.
Figure DE102016202696B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen. Additive Fertigungsverfahren basieren auf einem schichtweisen Aufbau von Gegenständen. Hierbei können je nach Art des Ausgangswerkstoffes verschiedene Verfahren unterschieden werden. Bei pulverbettbasierten Verfahren sind sphärische Pulver die Ausgangswerkstoffe. Dieser pulverförmige Werkstoff wird in einzelnen Schichten von ca. 30 µm - ca. 50 µm in einem Bauraum verteilt und anschließend mit einem Laser oder Elektronenstrahl verschmolzen oder versintert.The invention relates to a device for the additive manufacture of three-dimensional components. Additive manufacturing processes are based on a layered structure of objects. Different methods can be distinguished depending on the type of starting material. In powder bed-based processes, spherical powders are the starting materials. This powdery material is distributed in individual layers of approx. 30 µm - approx. 50 µm in one space and then fused or sintered with a laser or electron beam.

Der flächige schichtweise Pulverauftrag erfolgt üblicherweise mit Hilfe eines Beschichters, der aus einem Rakel, einem Roller oder einer Doppelklinge besteht.The layered application of powder is usually carried out with the help of a coater, which consists of a doctor blade, a roller or a double blade.

Die bisher versuchten Ansätze finden bei Pulvern mit schlechter Fließfähigkeit keine Anwendung oder sind mit einem erheblich erhöhten Pulververbrauch verbunden. Ursächlich dafür sind Pulveragglomerationen, also Verklumpungen des Pulvers auf Grund von Van-der-Waals-Kräften zwischen den einzelnen Partikeln. Gefördert wird dieses Verhalten unter anderem durch

  • • eine nicht sphärische Pulverform
  • • einen zu hohen Feinanteil des Pulvers
  • • eine zu hohe Feuchtigkeit des Pulvers
The approaches tried so far are not used for powders with poor flowability or are associated with a considerably increased powder consumption. This is due to powder agglomerations, i.e. powder clumping due to Van der Waals forces between the individual particles. This behavior is promoted by, among other things
  • • a non-spherical powder form
  • • too high a proportion of the powder
  • • The powder is too moist

Hierdurch ist kein gleichmäßiger Pulverauftrag in einer Schichtebene möglich, wodurch das Verfahren für Pulver, die zu diesem Verhalten neigen, nicht geeignet ist. Bisher eingesetzte pulverförmige Werkstoffe weisen daher eine hohe Sphärizität und eine kleine Partikelgrößenverteilung auf, wodurch sie sehr kostenintensiv sind und die Herstellungskosten von so hergestellten Bauteilen erheblich erhöhen. Es finden bisher Partikelgrößen im Bereich 45 µm bis 65 µm Einsatz. Die einzelnen Partikel sind dabei zumindest nahezu vollständig sphärisch. In der Regel werden Pulver, die durch Verdüsung hergestellt worden sind, für die in Rede stehenden additiven Herstellungsverfahren eingesetzt.As a result, it is not possible to apply the powder evenly in one layer plane, which means that the process is not suitable for powders that tend to this behavior. Powdery materials used to date therefore have a high sphericity and a small particle size distribution, which makes them very cost-intensive and considerably increases the manufacturing costs of components manufactured in this way. So far, particle sizes in the range of 45 µm to 65 µm have been used. The individual particles are at least almost completely spherical. As a rule, powders which have been produced by atomization are used for the additive production processes in question.

Aus DE 94 00 364 U1 ist eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts bekannt.Out DE 94 00 364 U1 a device for producing a three-dimensional object is known.

US 2015 / 0 132 173 A1 betrifft ein Verfahren, bei dem ein Pulverbett mit Laserstrahlung und Masken prozessiert wird. US 2015/0 132 173 A1 relates to a method in which a powder bed is processed with laser radiation and masks.

Eine koaxiale Düse zur Laseroberflächenbehandlung mit Zufuhr von pulverförmigem Materials ist in DE 693 00 757 T2 offenbart.A coaxial nozzle for laser surface treatment with the supply of powdery material is disclosed in DE 693 00 757 T2.

In DE 199 35 274 C1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus einer Werkstoffkombination beschrieben.DE 199 35 274 C1 describes a device and a method for producing components from a combination of materials.

DE 195 33 960 C2 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von metallischen Werkstücken. DE 195 33 960 C2 relates to a method and an apparatus for producing metallic workpieces.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur additiven Fertigung sind aus WO 2014/ 199 150 A1 bekannt.A device and a method for additive manufacturing are out WO 2014/199 150 A1 known.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Herstellungskosten bei diesen additiven Herstellungsverfahren zu reduzieren, was insbesondere durch die Ermöglichung des Einsatzes kostengünstigerer pulverförmiger Werkstoffe mit geringeren Anforderungen an die Herstellung und Lagerung erreicht werden sollte. Weiterführend sollte es möglich sein, Pulver mit geringerer Korngröße zu verarbeiten, wodurch sich eine geringere Oberlfächenrauheit erreichen lassen würde.It is therefore an object of the invention to reduce the manufacturing costs in these additive manufacturing processes, which should be achieved in particular by enabling the use of less expensive powdery materials with lower manufacturing and storage requirements. Furthermore, it should be possible to process powder with a smaller grain size, which would result in a lower surface roughness.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention, this object is achieved with a device which has the features of claim 1. Advantageous refinements and developments of the invention can be realized with features designated in the subordinate claims.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen wird ein Pulverbett schichtweise sukzessive aufgebaut. Dabei wird jede einzelne Schicht mit einem zweidimensional auslenkbaren Energiestrahl so beeinflusst, dass eine lokal definierte Verfestigung des jeweils eingesetzten pulverförmigen Werkstoff, mit dem das Pulverbett ausgebildet wird, durch eine Sinterung oder ein temporäres Schmelzen erreicht wird.With the device according to the invention for the additive production of three-dimensional components, a powder bed is built up successively in layers. Each individual layer is influenced with a two-dimensionally deflectable energy beam in such a way that locally defined solidification of the respectively used powdery material with which the powder bed is formed is achieved by sintering or temporary melting.

Für die Ausbildung der einzelnen mit dem pulverförmigen Werkstoff gebildeten Schichten mit konstanter vorgebbarer Schichtdicke ist mindestens ein Beschichtungselement vorhanden, das ausgehend von einem Reservoir für den pulverförmigen Werkstoff in einer Achsrichtung parallel und in einem vorgebbaren Abstand zur Oberfläche eines Pulverbettträgers, in dem das Pulverbett sukzessive mit den einzelnen aus dem pulverförmigen Werkstoff gebildeten Schichten aufgenommen ist, bewegbar ist. Durch die parallele Bewegung und Einhaltung dieses Abstandes können die einzelnen Schichten mit konstanter Schichtdicke erhalten werden.For the formation of the individual layers formed with the powdery material with a constant predeterminable layer thickness, there is at least one coating element which, starting from a reservoir for the powdery material, is parallel in an axial direction and at a predeterminable distance from the surface of a powder bed support in which the powder bed is successively included the individual layers formed from the powdery material is accommodated, is movable. Due to the parallel movement and compliance with this distance, the individual layers can be obtained with a constant layer thickness.

Das mindestens eine eingesetzte Beschichtungselement ist während der Bewegung zur Ausbildung jeweils einer Schicht in Schwingung versetzbar. Dabei werden Schwingungen in das mindestens ein Beschichtungselement eingekoppelt und die Schwingungsbewegung zumindest in die jeweils mit dem Beschichtungselement momentan ausgebildete Schicht übertragen, wodurch sich Agglomerate auflösen bzw. trennen lassen.The at least one coating element used can be set in vibration during the movement to form a layer. Vibrations are coupled into the at least one coating element and the vibratory movement at least into the respective one Transfer coating element currently formed layer, whereby agglomerates can be dissolved or separated.

Zusätzlich ist durch das mindestens eine Beschichtungselement eine Gasströmung auf den pulverförmigen, die gesamte jeweilige Schicht bildenden Werkstoff, gerichtet. Mit der Gasströmung wird eine Fluidisierung des pulverförmigen Werkstoffs mit dem die jeweilige Schicht gebildet wird, erreicht, wodurch ebenfalls eine konstante Schichtdicke ohne Agglomerate eingehalten werden kann.In addition, a gas flow is directed through the at least one coating element onto the powdery material that forms the entire respective layer. With the gas flow, a fluidization of the powdery material with which the respective layer is formed is achieved, whereby a constant layer thickness can also be maintained without agglomerates.

Durch die Vibrationen und die Fluidisierung können pulverförmige Werkstoffe mit reduzierter Qualität und reduzierten Anforderungen an die Sphärizität und Partikelgrößenverteilung verarbeitet werden, die ansonsten nicht geeignet wären.The vibrations and fluidization mean that powdery materials with reduced quality and reduced requirements for sphericity and particle size distribution can be processed, which would otherwise not be suitable.

Als Beschichtungselement wird ein Rakel, eine Rolle oder eine Doppelklinge und als Energiestrahl kann ein Laserstrahl oder Elektronenstrahl eingesetzt werden. Es sind auch ein kombinierter Einsatz von Elektronen- und Laserstrahl möglich.A doctor blade, a roller or a double blade is used as the coating element and a laser beam or electron beam can be used as the energy beam. A combined use of electron and laser beams is also possible.

So sind am Beschichtungselement Piezoaktoren, die als Phased Array ausgebildet sind und mit denen Schwingungen generierbar und in das Beschichtungselement einkoppelbar sind, vorhanden. Dabei können Schwingungen von einem Punkt eingekoppelt und in das Pulver gerichtet werden, so dass sich eine divergente Ausbreitung der Schwingungswellen ergibt. Bei Einsatz mehrerer Schwingungserreger, wie dies insbesondere Piezoaktoren sind, können Schwingungen aus verschiedenen Richtungen gleichzeitig oder alternierend eingekoppelt werden. Dadurch kann es zu Überlagerungen von Wellenfronten und Interferenzeffekten kommen. Interferenzen können aber auch durch reflektierte Wellen hervorgerufen werden.Piezo actuators, which are designed as a phased array and with which vibrations can be generated and coupled into the coating element, are present on the coating element. Vibrations can be injected from one point and directed into the powder, so that there is a divergent propagation of the vibration waves. When using several vibration exciters, such as in particular piezo actuators, vibrations from different directions can be coupled in simultaneously or alternately. This can lead to overlapping of wave fronts and interference effects. Interference can also be caused by reflected waves.

Schwingungen können beispielsweise in horizontaler oder vertikaler Richtung in Bezug zur Oberfläche der jeweiligen Schicht eingekoppelt werden. Es kann aber auch mit einem Winkel der ungleich 90° zu diesen beiden Richtungen liegt genutzt werden.Vibrations can be coupled in, for example, in the horizontal or vertical direction with respect to the surface of the respective layer. But it can also be used with an angle that is not equal to 90 ° to these two directions.

Der Einfallswinkel oder die Richtung von Schwingungswellen kann auch während der Ausbildung einer jeweiligen Schicht verändert werden. Dabei kann die Wellenfront einem Beschichtungselement während seiner Vorschubbewegung bei der Ausbildung einer Schicht nachgeführt werden. Hierzu kann beispielsweise ein so genanntes Phased Array, das mit mehreren Piezoaktoren, die einzeln ansteuerbar sind, gebildet ist, eingesetzt werden.The angle of incidence or the direction of vibration waves can also be changed during the formation of a respective layer. The wavefront can track a coating element during its feed movement when a layer is formed. For this purpose, a so-called phased array can be used, for example, which is formed with several piezo actuators that can be controlled individually.

Schwingungen können auch innerhalb eines Frequenzintervalls während der Ausbildung einer Schicht eingesetzt werden. Es können so Schwingungen mit voneinander verschiedenen Frequenzen genutzt werden. Generell sollten Schwingungen im Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 600 Hz eingesetzt werden, unabhängig davon, ob mit konstanter Frequenz oder veränderten Frequenzen gearbeitet wird. Die Amplitude der Schwingungen sollte bis zu 50 µm gewählt werden.Vibrations can also be used within a frequency interval during the formation of a layer. Vibrations with different frequencies can be used. In general, vibrations in the frequency range between 100 Hz and 600 Hz should be used, regardless of whether you are working with a constant frequency or changing frequencies. The amplitude of the vibrations should be chosen up to 50 µm.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn Schwingungen mit der jeweiligen Resonanzfrequenz einkoppelbar sind. Dies kann die Resonanzfrequenz des jeweiligen Beschichtungselements, des Pulverbettträgers mit dem darin aufgenommen Pulverbett oder die Resonanzfrequenz im Bereich der jeweils auszubildenden Schicht sein. Da sich die Resonanzfrequenz des Pulverbettträgers beim Aufbau des Pulverbetts verändert, kann dies durch Nachjustierung der jeweiligen Frequenz mit der Schwingungen in den Pulverbettträger eingekoppelt werden, durch eine Anpassung der jeweiligen Erregerfrequenz mit der Schwingungen eingekoppelt werden, berücksichtigt werden.It is particularly advantageous if vibrations can be coupled in at the respective resonance frequency. This can be the resonance frequency of the respective coating element, the powder bed carrier with the powder bed accommodated therein, or the resonance frequency in the region of the layer to be formed in each case. Since the resonance frequency of the powder bed carrier changes when setting up the powder bed, this can be taken into account by readjusting the respective frequency with the vibrations in the powder bed carrier, by adapting the respective excitation frequency with the vibrations being coupled in.

Am Beschichtungselement kann mindestens eine Öffnung für den Austritt eines Gases, das über eine zentrale Zuführung dem Beschichtungselement zuführbar ist, vorhanden sein. Dabei kann eine Öffnung in Form eines entsprechend der Schichtdimensionierung ausgewählten langen Spaltes vorhanden sein. Mehrere Öffnungen sollten bevorzugt äquidistant zueinander angeordnet sein und jeweils eine gleichgroße freie Querschnittsfläche für den Gasaustritt aufweisen, wodurch eine gleichmäßige Gasströmung, was den Volumenstrom und die Strömungsgeschwindigkeit in der Schicht und insbesondere im Bereich der Schicht, der vom jeweiligen Beschichtungselement momentan über die gesamte Breite der Schicht ausgebildet wird, betrifft.At least one opening for the exit of a gas, which can be supplied to the coating element via a central feed, can be present on the coating element. There may be an opening in the form of a long gap selected in accordance with the layer dimensions. A plurality of openings should preferably be arranged equidistant from one another and each have an equally large free cross-sectional area for the gas outlet, as a result of which a uniform gas flow, which means the volume flow and the flow velocity in the layer and in particular in the region of the layer, from the respective coating element currently over the entire width of the Layer is formed concerns.

Das Gas mit dem der Gasstrom zur Fluidisierung ausgebildet wird, kann in einem innerhalb des Beschichtungselements ausgebildeten Hohlraum zugeführt werden. Dazu kann das Beschichtungselement bevorzugt doppelwandig ausgebildet sein und der Gasstrom zwischen einer Innenwand und einer Außenwand zu mindestens einer Öffnung geführt werden. Der Gasstrom kann so aus der mindestens einen Öffnung in die jeweilige aus pulverförmigen Werkstoff gebildete Schicht austreten.The gas with which the gas stream is formed for fluidization can be supplied in a cavity formed within the coating element. For this purpose, the coating element can preferably be double-walled and the gas flow can be conducted between an inner wall and an outer wall to at least one opening. The gas stream can thus emerge from the at least one opening into the respective layer formed from powdery material.

Der Volumenstrom des aus der mindestens einen Öffnung austretenden Gasstroms kann gesteuert oder geregelt werden.The volume flow of the gas stream emerging from the at least one opening can be controlled or regulated.

Für eine Regelung kann bevorzugt eine Videokamera mit elektronischer Bilderfassung und Auswertung zur Überwachung der jeweils ausgebildeten Schicht vorhanden sein. Damit kann erkannt werden, ob eine ausreichende Fluidisierung im Bereich der momentan ausgebildeten Schicht des Pulverbetts erreicht worden ist oder nicht. Dementsprechend kann der Volumenstrom des austretenden Gasstromes erhöht oder reduziert werden, wodurch sich natürlich auch die Strömungsgeschwindigkeit und die Art der ausgebildeten Strömung zwischen laminar und turbulent beeinflussen lässt.For control purposes, a video camera with electronic image acquisition and evaluation for monitoring the layer formed in each case can preferably be present. It can thus be recognized whether sufficient fluidization has been achieved in the region of the layer of the powder bed that is currently being formed or not. Accordingly, the volume flow of the exiting gas stream can be increased or reduced, which of course also allows the flow velocity and the type of flow formed to be influenced between laminar and turbulent.

In einer einfacheren Ausführung kann der Volumenstrom des aus der mindestens einen Öffnung austretenden Gasstromes periodisch gesteuert werden, so dass er zwischen einem Minimum und einem Maximum periodisch verändert werden kann, wodurch die Fluidisierung des pulverförmigen Werkstoffs mit dem die jeweilige Schicht ausgebildet wird, vorteilhaft beeinflusst werden kann.In a simpler embodiment, the volume flow of the gas stream emerging from the at least one opening can be controlled periodically, so that it can be changed periodically between a minimum and a maximum, as a result of which the fluidization of the powdery material with which the respective layer is formed is advantageously influenced can.

Mit der Erfindung ist eine großflächige Beschichtung des Bauraumes mit pulverförmigem Werkstoff mit jeweils konstanter Schichtdicke sicher möglich, wobei sich der zusätzliche dafür erforderliche Aufwand in Grenzen hält. Es können die zwischen partikulären Kräfte der einzelnen Partikel gelöst werden. Es können Werkstoffe mit schlechten Fließeigenschaften, hohem Feinanteil oder nicht-sphärischer pulverförmiger Werkstoff für diese Art der additiven bzw. generativen Herstellung dreidimensionaler Bauteile eingesetzt werden, die vorher zumindest weitestgehend vom Einsatz ausgeschlossen waren. Außerdem kann die Oberflächengüte der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Bauteile verbessert werden.With the invention, a large-area coating of the installation space with powdery material with a constant layer thickness is possible, the additional effort required being kept within limits. The between particulate forces of the individual particles can be solved. Materials with poor flow properties, high fines content or non-spherical powdery material can be used for this type of additive or generative production of three-dimensional components that were previously at least largely excluded from use. In addition, the surface quality of the components produced with the device according to the invention can be improved.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielshaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below by way of example.

Dabei zeigen:

  • 1 in schematischer Seitenansicht ein Beispiel einer Vorrichtung mit einem in Schwingung versetzbaren Beschichtungselement und
  • 2 in schematischer Seitenansicht ein Beispiel einer Vorrichtung mit der eine Gasströmung auf eine Schicht eines pulverförmigen Werkstoffs, die auf einem Pulverbett ausgebildet ist, zur Fluidisierung des pulverförmigen Werkstoffs der Schicht gerichtet werden kann.
Show:
  • 1 in a schematic side view an example of a device with a vibrating coating element and
  • 2nd In a schematic side view, an example of a device with which a gas flow can be directed onto a layer of a powdery material, which is formed on a powder bed, for fluidizing the powdery material of the layer.

Vorangestellt soll festgehalten werden, dass die in den 1 und 2 gezeigten Beispiele genauso miteinander kombiniert an einer Vorrichtung gemeinsam eingesetzt werden können, wie dies auch mit im allgemeinen Teil der Beschreibung erläuterten Ausführungsmöglichkeiten der Fall ist.It should be noted in advance that those in the 1 and 2nd The examples shown can be used together in combination with one another on a device, as is also the case with the design options explained in the general part of the description.

Die 1 zeigt ein in einem nicht dargestellten Pulverbettträger aufgenommenes Pulverbett 2. Auf die Oberfläche des Pulverbetts 2 wird eine Schicht 3 von nicht miteinander verbundenen Partikeln eines pulverförmigen Werkstoffs mit einem Beschichtungselement 1 mit konstanter Schichtdicke ausgebildet, indem ein Rakel, das bei diesem Beispiel als Beschichtungselement 1 eingesetzt ist, ausgehend von einem am äußeren Rand angeordneten Reservoir (nicht dargestellt), in dem der jeweilige pulverförmige Werkstoff vorgehalten wird, bewegt wird. Die in Richtung der Oberfläche des Pulverbetts 2 angeordnete Kante ist in einem vorgebbaren Abstand zur Oberfläche des Pulverbetts 2 bzw. dem Boden des Pulverbettträgers geführt ist. Mit dem Abstand ist die Schichtdicke der auszubildenden Schicht 3 vorgegeben. Diese Kante des Beschichtungselements 1 ist parallel zur Oberfläche des Pulverbetts 2 und der Oberfläche des Pulverbettträgers, auf der das Pulverbett 2 angeordnet ist, ausgerichtet. Das Beschichtungselement 1 wird in die Zeichnungsebene hinein oder heraus bewegt, um die Schicht 3 auszubilden.The 1 shows a powder bed accommodated in a powder bed support, not shown 2nd . On the surface of the powder bed 2nd becomes a shift 3rd of non-interconnected particles of a powdery material with a coating element 1 formed with a constant layer thickness by a doctor blade, which in this example serves as a coating element 1 is used, is moved starting from a reservoir arranged on the outer edge (not shown) in which the respective powdery material is kept. The towards the surface of the powder bed 2nd arranged edge is at a predetermined distance from the surface of the powder bed 2nd or the bottom of the powder bed support is guided. With the distance is the layer thickness of the layer to be formed 3rd given. This edge of the coating element 1 is parallel to the surface of the powder bed 2nd and the surface of the powder bed support on which the powder bed 2nd is arranged, aligned. The coating element 1 is moved in or out of the drawing layer to the layer 3rd to train.

Dabei wird das Beschichtungselement 1 mit einem daran befestigten und ebenfalls nicht dargestellten Piezoaktor in Schwingung versetzt. Bei diesem Beispiel wirken die Schwingungen senkrecht, was mit dem Doppelpfeil veranschaulicht ist. Durch die Schwingungen kann ein fließen der Partikel des pulverförmigen Werkstoffs in der Schicht 3 erreicht werden, wodurch eine konstante Schichtdicke der Schicht 3 über die gesamte Fläche erreicht werden kann.The coating element 1 vibrated with a piezo actuator attached to it and also not shown. In this example, the vibrations act vertically, which is illustrated by the double arrow. The vibrations can cause the particles of the powdery material to flow in the layer 3rd can be achieved, whereby a constant layer thickness of the layer 3rd can be reached over the entire area.

In nicht dargestellter Form können Schwingungen auch allein oder zusätzlich in horizontaler Richtung also parallel zur Oberfläche des Pulverbetts 2 in das Beschichtungselement 1 eingekoppelt werden.In a form not shown, vibrations can also be used alone or additionally in the horizontal direction, ie parallel to the surface of the powder bed 2nd in the coating element 1 be coupled.

Nach der Ausbildung der Schicht 3 wird ein Laserstrahl zweidimensional so bewegt oder verschwenkt, dass sein Brennfleck eine vorggebare Kontur abfährt, um in der Schicht eine Ebene eines herzustellenden Bauteils durch ein Verschmelzen der Partikel des pulverförmigen Werkstoffs im Einflussbereich des Brennflecks des Laserstrahls zu erreichen. Im Anschluss daran wird erneut eine Schicht, wie oben beschrieben, eine neue Schicht 3 ausgebildet und wiederum nachfolgend daran mit dem Laserstrahl entsprechend bearbeitet, bis das Bauteil in dreidimensionaler Form fertig hergestellt ist und der verbliebene nicht verfestigte und verschmolzene pulverförmige Werkstoff entfernt werden kann. Ggf. kann es erforderlich sein, dass Bauteil vom Pulverbettträger mittels eines Trennverfahrens zu entfernen.After formation of the shift 3rd a laser beam is moved or pivoted two-dimensionally such that its focal spot travels a predetermined contour in order to reach a plane of a component to be produced in the layer by fusing the particles of the powdery material in the area of influence of the focal spot of the laser beam. Subsequently, a layer becomes a new layer as described above 3rd trained and in turn subsequently processed accordingly with the laser beam until the component is finished in three-dimensional form and the remaining non-solidified and fused powdery material can be removed. Possibly. it may be necessary to remove the component from the powder bed support using a separation process.

Es können Schwingungen im Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 600 Hz eingesetzt werden. Das Beschichtungselement 1 und damit auch die Schicht 3 weisen eine Breite bis zu 250 mm auf. Als pulverförmiger Werkstoff können metallische, keramische und auch Polymere bzw. andere organische Werkstoffe eingesetzt werden.Vibrations in the frequency range between 100 Hz and 600 Hz can be used. The coating element 1 and with it the layer 3rd have a width of up to 250 mm. Metallic, ceramic and also polymers or other organic materials can be used as the powdery material.

Bei dem in 2 gezeigten Beispiel sind im Beschichtungselement 1 mehrere Öffnungen 1.1 vorhanden, aus denen ein Gasstrom austreten kann, der durch das Innere des Beschichtungselements 1 den Öffnungen 1.1 zugeführt werden kann. Die Öffnungen 1.1 haben einen Durchmesser von 0,5 mm. Sie sind bei diesem Beispiel in zwei Reihen vertikal übereinander und äquidistant mit einem Abstand von jeweils 1 mm nebeneinander und die beiden Reihen in einem Abstand von 2 mm übereinander angeordnet. Die untere Reihe hat einen Abstand zur in Richtung Pulverbett 2 weisenden Kante des Beschichtungselements 1 von 1 mm.At the in 2nd shown example are in the coating element 1 multiple openings 1.1 present, from which a gas stream can escape, which through the interior of the coating element 1 the openings 1.1 can be supplied. The openings 1.1 have a diameter of 0.5 mm. In this example, they are arranged in two rows vertically one above the other and equidistantly with a distance of 1 mm next to each other and the two rows at a distance of 2 mm above each other. The lower row is at a distance from the powder bed 2nd facing edge of the coating element 1 of 1 mm.

Ein Gasvolumenstrom wird durch sämtliche Öffnungen 1.1 geführt. Vorteilhaft sind die Bohrungen für die Öffnungen 1.1 schräg geneigt ausgebildet, so dass der Gasstrom in einem entsprechend geneigten Winkel in Richtung auf die auszubildende Schicht 3 gerichtet werden kann.A gas volume flow is through all openings 1.1 guided. The holes for the openings are advantageous 1.1 formed obliquely inclined so that the gas flow at a correspondingly inclined angle towards the layer to be formed 3rd can be directed.

Der Gasstrom kann im einfachsten Fall mit Luft aber auch mit einem inerten Gas ausgebildet werden.In the simplest case, the gas stream can be formed with air or with an inert gas.

Claims (9)

Vorrichtung zur additiven Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen, bei der ein Pulverbett (2) schichtweise sukzessive aufgebaut und jede einzelne Schicht mit einem zweidimensional auslenkbaren Energiestrahl so beeinflusst wird, dass eine lokal definierte Verfestigung des jeweils eingesetzten pulverförmigen Werkstoffs durch eine Sinterung oder ein temporäres Schmelzen, mit dem das Pulverbett (2) ausgebildet wird, erreicht wird; wobei für die Ausbildung der einzelnen mit dem pulverförmigen Werkstoff gebildeten Schichten mit konstanter vorgebbarer Schichtdicke mindestens ein Beschichtungselement (1), das ausgehend von einem Reservoir für den pulverförmigen Werkstoff in einer Achsrichtung parallel und in einem vorgebbaren Abstand zur Oberfläche eines Pulverbettträgers, in dem das Pulverbett (2) sukzessive mit den einzelnen aus dem pulverförmigen Werkstoff gebildeten Schichten (3) aufgenommen ist, bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Beschichtungselement (1) in Form eines RakeIs, einer Rolle oder einer Doppelklinge ausgebildet und während der Bewegung zur Ausbildung jeweils einer Schicht (3) in Schwingung versetzbar ist, wobei am Beschichtungselement (1) Piezoaktoren, die als Phased Array ausgebildet sind, mit denen Schwingungen generierbar und in das Beschichtungselement (1) einkoppelbar sind, vorhanden ist und durch das mindestens eine Beschichtungselement (1) eine Gasströmung auf die gesamte jeweilige Schicht (3) gerichtet ist, so dass eine Fluidisierung des pulverförmigen Werkstoffs mit konstanter Schichtdicke ohne Agglomerate erreichbar ist.Device for the additive manufacturing of three-dimensional components, in which a powder bed (2) is built up successively in layers and each individual layer is influenced with a two-dimensionally deflectable energy beam in such a way that locally defined solidification of the powdery material used in each case by sintering or temporary melting which the powder bed (2) is formed is achieved; At least one coating element (1), which starts from a reservoir for the powdery material in an axial direction parallel and at a predeterminable distance from the surface of a powder bed support in which the powder bed is formed, for the formation of the individual layers formed with the powdery material with a constant, predefinable layer thickness (2) is successively received with the individual layers (3) formed from the powdery material, is movable, characterized in that the at least one coating element (1) is designed in the form of a rake, a roller or a double blade and during the movement for the formation In each case one layer (3) can be set in vibration, piezo actuators, which are designed as a phased array, with which vibrations can be generated and coupled into the coating element (1), are present on the coating element (1) and by the at least one coating element (1 ) a gas flow g is directed onto the entire respective layer (3), so that fluidization of the powdery material with a constant layer thickness can be achieved without agglomerates. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl ein Laserstrahl oder Elektronenstrahl ist.Device after Claim 1 , characterized in that the energy beam is a laser beam or electron beam. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Beschichtungselement (1) mindestens eine Öffnung (1.1) für den Austritt eines Gases, das über eine zentrale Zuführung dem Beschichtungselement (1) zuführbar ist, vorhanden ist, wobei mehrere Öffnungen (1.1) bevorzugt äquidistant zueinander angeordnet sind und jeweils eine gleiche freie Querschnittsfläche für den Gasaustritt aufweisen.Device after Claim 1 or 2nd , characterized in that there is at least one opening (1.1) on the coating element (1) for the exit of a gas which can be supplied to the coating element (1) via a central feed, several openings (1.1) preferably being arranged equidistant from one another and each have the same free cross-sectional area for the gas outlet. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in einen innerhalb des Beschichtungselements ausgebildeten Hohlraum zuführbar ist, wobei das Beschichtungselement (1) bevorzugt doppelwandig ausgebildet ist und der Gasstrom zwischen einer Innenwand und einer Außenwand zu mindestens einer Öffnung geführt ist, und der Gasstrom aus der mindestens einen Öffnung in die jeweilige aus pulverförmigem Werkstoff gebildete Schicht austritt oder auf die Schicht (3) gerichtet ist.Device after Claim 1 , 2nd or 3rd , characterized in that the gas can be fed into a cavity formed within the coating element, wherein the coating element (1) is preferably double-walled and the gas flow between an inner wall and an outer wall is guided to at least one opening, and the gas flow from the at least one Opening emerges into the respective layer formed from powdery material or is directed towards the layer (3). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des aus der mindestens einen Öffnung austretenden Gasstroms steuerbar oder regelbar ist; wobei für eine Regelung bevorzugt eine Videokamera mit elektronischer Bilderfassung und Auswertung zur Überwachung der jeweils ausgebildeten Schicht vorhanden ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the volume flow of the gas stream emerging from the at least one opening can be controlled or regulated; a video camera with electronic image acquisition and evaluation for monitoring the layer formed in each case is preferably provided for regulation. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des aus der mindestens einen Öffnung austretenden Gasstromes periodisch steuerbar ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the volume flow of the gas stream emerging from the at least one opening is periodically controllable. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schwingungen innerhalb eines Frequenzintervalls während der Ausbildung einer Schicht eingesetzt sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that vibrations are used within a frequency interval during the formation of a layer. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schwingungen mit der jeweiligen Resonanzfrequenz einkoppelbar sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that vibrations can be coupled in with the respective resonance frequency. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schwingungen von unterschiedlichen Positionen und/oder mit unterschiedlichen Winkeln oder Richtungen einkoppelbar sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that vibrations from different positions and / or with different angles or directions can be coupled.
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