DE102017222645A1

DE102017222645A1 - Einrichtung zur Schutzgaszufuhr und Erwärmung und/oder Pulverzufuhr sowie Vorrichtung und Verfahren zur additiven Herstellung von Bauteilen und Bauteil

Info

Publication number: DE102017222645A1
Application number: DE102017222645.5A
Authority: DE
Inventors: Ole Geisen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2019-06-13
Also published as: WO2019115140A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (7) zur Schutzgaszufuhr und Erwärmung und/oder Pulverzufuhr für eine Vorrichtung zum additiven Herstellen von Bauteilen aus dem Pulverbett (1), umfassend- Schutzgasmittel, die zum Zu- und insbesondere Abführen eines Schutzgases ausgebildet sind, und- Pulvermittel, die zur Bereitstellung einer Mehrzahl von übereinanderliegenden Lagen eines pulverförmigen Materials in dem Bauraum (3) einer Vorrichtung zur additiven Herstellung von Bauteilen ausgebildet sind, und/oder- Erwärmungsmittel, die zur Erwärmung wenigstens eines bereits additiv aus dem Pulverbett (1) gefertigten Bauteilabschnittes (8) und/oder eines Abschnittes eines Pulverbettes (1) und/oder einer Arbeitsplattform (4) einer Vorrichtung zur additiven Herstellung von Bauteilen ausgebildet sind, wobei Mittel vorgesehen sind, über welche die Schutzgasmittel und die Pulver- und/oder Erwärmungsmittel gemeinsam bewegbar, insbesondere verfahrbar oberhalb der Arbeitsplattform (4) bzw. des Pulverbettes (1) einer Vorrichtung zur additiven Herstellung von Bauteilen gelagert werden können oder gelagert sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum additiven Herstellen von Bauteilen sowie ein Bauteil.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Schutzgaszufuhr und Erwärmung und/oder Pulverzufuhr für eine Vorrichtung zum additiven Herstellen von Bauteilen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum additiven Herstellen von Bauteilen, umfassend einen Bauraum, in dem insbesondere auf einer Arbeitsplattform ein Pulverbett zum additiven Aufbau wenigstens eines Bauteils bereitgestellt werden kann oder bereitsteht, eine Energiestrahleinrichtung, die ausgebildet ist, um wenigstens einen Energiestrahl, bevorzugt mehrere Energiestrahlen zum selektiven Aufschmelzen und/oder Sintern eines in dem Bauraum bereitgestellten Pulverbettes bereitzustellen und den wenigstens einen Energiestrahl über ein in dem Bauraum bereitgestelltes Pulverbett gemäß vorgegebener Bauteilgeometrie zu verfahren. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum additiven Herstellen von Bauteilen und ein Bauteil.
Verfahren und Vorrichtung zur additiven Herstellung von Bauteilen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Als Beispiel für ein solches Verfahren sei das selektive Laserschmelzen (englisch: Selective Laser Melting - SLM) aus dem Pulverbett genannt. Hierbei handelt es sich um ein Aufbauverfahren, bei dem nacheinander eine Vielzahl von pulverförmigen Materiallagen übereinanderliegend bereitgestellt und jede Lage mittels eines oder mehrerer Laserstrahlen gemäß vorgegebener Bauteilgeometrie lokal aufgeschmolzen wird. Dabei werden so viele Lagen bereitgestellt, und jeweils mit wenigstens einem Laserstrahl gescannt, bis das herzustellende Bauteil fertiggestellt ist. Alternativ zu einem oder mehreren Laserstrahl(en) können auch andere Energiestahlen, etwa Elektronenstrahlen zum Einsatz kommen (englisch: Selective Electron Beam Melting - SEBM). Auch kann alternativ oder zusätzlich zu einem Schmelzen ein Sintern des bereitgestellten Materials erfolgen (englisch: Selective Laser Sintering - SLS, bzw. Selective Elektron Beam Sintering - SEBS).
Aus der DE 10 2014 222 302 A1 beispielsweise gehen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Herstellung von Bauteilen durch SLM aus dem Pulverbett hervor. Der schichtweise Aufbau erfolgt dabei in hinlänglich bekannter Weise in dem durch den Innenraum eines Fertigungszylinders definierten Bauraum der Vorrichtung auf einer höhenverstellbaren Arbeitsplattform. Es sind Mittel zur Bereitstellung von Pulverlagen vorgesehen, die einen neben der Arbeitsplattform angeordneten Vorratszylinder mit einem anhebbaren Boden und eine als Rakel ausgebildete Verteileinrichtung, mittels derer Pulver aus dem Vorrats- in den Fertigungszylinder gefördert und glattgezogen werden kann, umfassen. Die bereitgestellten Lagen werden zum Erhalt eines Bauteils mit mehreren Laserstrahlen gescannt.
Ein im Rahmen der additiven Herstellung von Bauteilen auftretendes Problem besteht darin, dass während des Scanvorganges Plasma, Debris, Schweißspritzer und/oder Rauch erzeugt werden. Hierdurch kann auf der einen Hand der Energiestrahl blockiert und so die Intensität unerwünscht abgeschwächt werden, und auf der anderen Hand kann es zu Ablagerungen in Bereichen einer Materiallage kommen, die noch zu scannen sind, wodurch zusätzliche Oberflächenrauheit verursacht werden und es zur Bildung von Materiallagen ungleichmäßiger Dicke kommen kann.
Um dieses Problem zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, ist es bekannt, einen Schutzgasstrom in dem Bauraum oberhalb der bearbeiteten Materiallage zu erzeugen. Aus der WO 2014/125280 A2 und der DE 10 2013 215 377 A1 beispielsweise ist dies vorbekannt. Dabei lehrt letztere Druckschrift, dass die offenbarte Schutzgaseinrichtung Mittel zur beweglichen Lagerung oberhalb der Arbeitsplattform bzw. des Pulverbettes umfasst. Dies macht es möglich, die Schutzgaseinrichtung mit dem aktuellen Auftreffpunkt des Energiestrahls auf dem Pulverbett mitzuführen.
Eine weitere Problemstellung beim additiven Fertigen besteht darin, dass der Energieeintrag durch den einen oder die mehreren Energie-, insbesondere Laserstrahlen stark lokal und die Möglichkeit der Wärmeableitung insbesondere im Falle des Pulverbetts vergleichsweise schlecht ist. Daher können hohe thermische Gradienten auftreten und es kann zur Bildung von Warmrissen führen. Diese Problematik ist insbesondere in demjenigen Falle gegeben, dass Bauteile aus schwer schweißbaren Materialien herzustellen sind. Rein beispielhaft seien hier hochwarmfeste Legierungen sowie Ni-, Co- und Fe-Basiselemente genannt, wie sie u.a. für Lauf- und Leitschaufeln sowie Brennerkomponenten von Turbinen zum Einsatz kommen.
Um auch schwer schweißbare Werkstoffe im Rahmen der additiven Fertigung einsetzen zu können, bietet eine zusätzliche Erwärmung, insbesondere Vorwärmung auf Temperaturen von beispielsweise über 1000°C eine vielversprechende Möglichkeit. Werden die zu scannende Materiallage und/oder ein darunter ggf. bereits vorhandener Bauteilabschnitt bzw. eine darunter befindliche Arbeitsplattform vor und/oder während des Scanvorganges zusätzlich erwärmt, kann ein schnelles Auskühlen und das damit verbundene Heißrissbildungsrisiko vermieden bzw. zumindest reduziert werden.
Eine zusätzliche Erwärmung durch induktive Heizung mittels wenigstens einer oberhalb und/oder um das Pulverbett angeordneten Spule im Rahmen von SLM bzw. SLS ist in der EP 2 572 815 A1 beschrieben. Auch aus der DE 10 2012 206 122 A1 geht hervor, dass im Rahmen eines additiven Fertigungsverfahrens, etwa dem Laserpulverauftragsschweißen oder selektiven Bestrahlen eines Pulverbetts, eine zusätzliche, konkret induktive Erwärmung des herzustellenden Bauteils erfolgt. Dabei sieht dieses Dokument vor, dass die wenigstens eine Induktionsspule bewegbar ist und ihre Position während der additiven Herstellung verändert wird.
Die zusätzliche Erwärmung ermöglicht den Erhalt besserer Ergebnisse, insbesondere den Erhalt von Bauteilen mit verbesserten Eigenschaften, da die Bildung von Rissen - auch unter Verwendung schwer schweißbarer Werkstoffe - vermieden oder zumindest reduziert wird.
Insbesondere in demjenigen Falle, dass sowohl eine Schutzgasbereitstellung als auch eine zusätzliche Erwärmung gewünscht bzw. erforderlich ist, kann es zu einer gegenseitigen negativen Beeinflussung kommen, können sich etwa sehr unterschiedlichen Strömungsverhältnisses des Schutzgases einstellen, was wiederum zu schlechteren Ergebnisse führen kann. Auch hat es sich als problematisch erwiesen, eine zusätzliche etwa induktive Erwärmung im Falle großer Bauräume und/oder Mehrlasersysteme zu realisieren.
Im Lichte dessen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur additiven Fertigung anzugeben, welche bzw. welches die Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet.
Diese Aufgabe wird einerseits gelöst durch eine Einrichtung zur Schutzgaszufuhr und Erwärmung und/oder Pulverzufuhr für eine Vorrichtung zum additiven Herstellen von Bauteilen aus dem Pulverbett, die oberhalb einer bzw. eines in einem Bauraum der Vorrichtung zur additiven Herstellung vorgesehenen Arbeitsplattform bzw. Pulverbettes anzuordnen oder angeordnet ist, umfassend

- Schutzgasmittel, die zum Zu- und insbesondere Abführen eines Schutzgases ausgebildet sind, und
- Pulvermittel, die zur Bereitstellung einer Mehrzahl von übereinanderliegenden Lagen eines pulverförmigen Materials in dem Bauraum einer Vorrichtung zur additiven Herstellung von Bauteilen ausgebildet sind, und/oder
- Erwärmungsmittel, die zur insbesondere induktiven Erwärmung wenigstens eines bereits additiv aus dem Pulverbett gefertigten Bauteilabschnittes und/oder eines Abschnittes eines Pulverbettes und/oder einer Arbeitsplattform einer Vorrichtung zur additiven Herstellung ausgebildet sind,

Bei der Vorrichtung zum additiven Herstellen von Bauteilen aus dem Pulverbett der eingangsgenannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass diese eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Schutzgaszufuhr und Erwärmung und/oder Pulverzufuhr umfasst, die oberhalb der bzw. des in dem Bauraum der Vorrichtung zur additiven Herstellung vorgesehenen Arbeitsplattform bzw. Pulverbettes angeordnet ist.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht mit anderen Worten darin, die Schutzgasführung, die Mittel zur Erwärmung, die etwa durch eine oder mehrere Induktionsspule(n) gegeben sein bzw. (eine) solche umfassen können, und/oder die Pulvermittel als eine bzw. in einer Einheit bereit zu stellen und die Mittel gemeinsam zu verfahren. So kann in einer einheitlichen Bewegung mit dem Schutzgasstrom und der Erwärmung dem Auftreffpunkt des wenigstens einen Energiestrahles gefolgt und gleichzeitig eine neue Pulverlage bereitgestellt werden.
In ganz besonders bevorzugter Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Einrichtung sowohl Schutzgasmittel als auch Erwärmungs- und Pulvermittel und diese werden allesamt gemeinsam bewegt, insbesondere verfahren.
Die erfindungsgemäße Einrichtung und damit auch eine mit einer solchen ausgestattete Vorrichtung zur additiven Fertigung bietet eine Vielzahl von Vorteilen. Eine negative Beeinflussung einer Relativbewegung der beispielsweise durch Induktionsspulen gegebenen Erwärmungsmittel relativ zu den Schutzgasmitteln in gleicher Richtung wird durch die erfindungsgemäße gemeinsame Bewegung vermieden. Somit kann während eines Scanvorgangs mit einem oder mehreren Energie-, insbesondere Laserstrahlen ohne negative Wechselwirkungen gleichzeitig eine zusätzliche Erwärmung und ein Schutz vor Rauch, Plasma, Debris und dergleichen ermöglicht werden. Sind auch Pulvermittel vorgesehen, werden diese bevorzugt mit den Schutzgas- und ggf. Erwärmungsmitteln mitbewegt, so dass während eines Scanvorgangs, wenn bereits eine Schutzgasbereitstellung und zusätzliche Erwärmung möglich sind, gleichzeitig die nächste Pulverlage auf der Oberseite des Pulverbettes bereitgestellt werden kann, wodurch eine Zeitersparnis und somit eine besonders effiziente Bauteilherstellung möglich wird. Dabei wird die ohnehin erfolgende Bewegung der Schutzgasmittel, über welche diese dem oder den Auftreffpunkten des bzw. der Energiestrahlen folgen, dann auch für den Pulverauftrag über die Ausdehnung des Pulverbettes genutzt. Es wird eine besonders effiziente Vorgehensweise, insbesondere auch eine gleichzeitige Nutzung aller Mittel ermöglicht.
Die Mittel, die dazu ausgebildet sind, dass die Schutzgas-, Pulver und/oder Erwärmungsmittel bei bestimmungsgemäßer Montage der erfindungsgemäßen Einrichtung oberhalb der Arbeitsplattform bzw. des Pulverbettes in den Bauraum einer Vorrichtung zur additiven Bauteilfertigung gemeinsam bewegbar gelagert werden können bzw. gelagert sind, umfassen in bevorzugter Ausgestaltung ein bewegbar gelagertes bzw. lagerbares Gestell, an dem die Mittel gehalten sind.
Entsprechend zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zum additiven Herstellen von Bauteilen, welche eine erfindungsgemäße Einrichtung umfasst, in vorteilhafter Weiterbildung dadurch aus, dass die Einrichtung ein Gestell umfasst, an dem die Schutzgasmittel und die Erwärmungs- und/oder Pulvermittel gehalten sind und das Gestell relativ zu der Arbeitsplattform der Vorrichtung bzw. einem insbesondere darauf bereitgestellten Pulverbett relativ verfahrbar gehalten ist.
Das Gestell ist bevorzugt rahmenförmig ausgebildet und/oder diesem sind Verfahrmittel zugeordnet, über welche das Gestell insbesondere linear verfahrbar oberhalb einer Arbeitsplattform bzw. eines Pulverbettes einer Vorrichtung zur additiven Fertigung gehalten werden kann oder gehalten wird. Ein Gestell bildet eine besonders einfache konstruktive Maßnahme für eine gemeinsame bewegbare Lagerung der genannten Mittel. Es sei angemerkt, dass sich eine Rahmenform als besonders geeignet erwiesen hat, diese jedoch nicht erforderlich ist. In besonders simpler Ausbildung könnte z.B. auch ein streben- bzw. balkenförmiges Gestell Verwendung finden. Das Gestell kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein.
Die Bewegung des Gestells kann insbesondere sowohl für das Mitführen des Schutzgasstromes als auch das Mitführen der Erwärmungsmittel, etwa Induktionsspule(n) als auch den Pulverauftrag zum Erhalt einer weitere Pulverlage genutzt werden. Das Gestell ist zweckmäßiger Weise motorisiert verfahrbar.
Ist ein Gestell zum Tragen und gemeinsamen bewegen der Schutzgas-, Erwärmungs- und insbesondere Pulvermittel vorgesehen, ist die Einrichtung auch besonders gut vor allem nach oben hin skalierbar, indem z.B. das Gestell vergrößert und/oder beispielsweise die Anzahl von daran gehaltenen Induktionsspulen als Erwärmungsmittel und/oder von Schutzgaseis- und/oder Auslässen erhöht bzw. deren Größe erhöht wird. So können die erfindungsgemäßen Vorteile auf besonders einfache Weise auch für vergleichsweise große Bauräume und Mehrlasersysteme erzielt werden.
Sind dem Gestell Verfahrmittel zugeordnet, können diese beispielsweise eine bei bestimmungsgemäßer Montage der erfindungsgemäßen Einrichtung oberhalb der Arbeitsplattform bzw. des Pulverbettes einer Vorrichtung zur additiven Fertigung befestigte Schiene umfassen, an welcher das Gestell dann bevorzug linear verfahrbar - etwa über eine oder mehrere Rollen - gehalten ist.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich ferner dadurch aus, dass die Schutzgas- und/oder die Pulvermittel ortsfest an dem Gestell gehalten sind und/oder die Erwärmungsmittel ihrerseits verfahrbar an dem Gestell gehalten sind, dies bevorzugt linear entlang einer zugehörigen Verfahrachse. Die Anordnung ist dann insbesondere derart, dass die Erwärmungsmittel, beispielsweise eine oder mehrere Induktionsspulen, entlang einer Achse bewegbar an dem Gestell gehalten sind, die zumindest im Wesentlichen orthogonal zu der Verfahrachse des Gestells orientiert ist. So können zwei Bewegungsrichtungen in der Ebene oberhalb eines Pulverbettes abgedeckt sein. Auch hat sich gezeigt, dass eine Relativbewegung der Erwärmungsmittel, beispielsweise einer oder mehrerer Induktionsspulen, zu dem Schutzgasstrom in orthogonaler Richtung zu keiner oder nur geringfügiger Beeinflussung des Schutzgasstromes führt. Die Erwärmungsmittel sind dann zweckmäßiger Weise motorisiert verfahrbar an dem Gestell gehalten, so dass eine Steuerung der Bewegung auf einfache Weise möglich ist.
Die Schutzgasmittel der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in vorteilhafter Ausgestaltung zur Bereitstellung wenigstens eines bevorzugt im Wesentlichen laminaren Schutzgasstroms ausgebildet. Sie können beispielsweise wenigstens einen insbesondere balkenförmigen Schutzgaseinlass und wenigstens einen dem Schutzgaseinlass insbesondere gegenüberliegenden bevorzugt balkenförmigen Schutzgasauslass umfassen. Sind der Ein- und Auslass balkenförmig ausgebildet, sind diese insbesondere zumindest im Wesentlichen parallel zueinander orientiert. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Schutzgaseinlass eine Mehrzahl von nebeneinanderliegenden und/oder übereinanderliegenden Schutzgasdüsen aufweist. Beispielsweise kann eine Mehrzahl von in einer Zeile nebeneinanderliegend angeordneten Schutzgasdüsen vorgesehen sein. Auch können mehrere derartiger Zeilen übereinanderliegend vorhanden sein. Durch die Mehrzahl von Schutzgasdüsen kann ein laminarer Schutzgasstrom oberhalb eines in einem Bauraum einer Vorrichtung zur additiven Herstellung bereitstehenden Pulverbettes, insbesondere über dessen gesamte Breite, auf einfache Weise erzeugt werden. Der eine oder die mehreren Schutzgasauslässe können ferner ausgebildet sein, um Schutzgas abzusaugen bzw. diesem oder diesen können Mittel zur Absaugung von Schutzgas zugeordnet sein.
Die Schutzgaszuvor aus einem externen Reservoir zu dem wenigstens einen Schutzgaseinlass der erfindungsgemäßen Einrichtung kann, zur Gewährleistung der Bewegungsfreiheit der Schutzgasmittel, beispielsweise über flexible Schläuche realisiert sein. Umfasst der wenigstens eine Schutzgaseinlass eine Mehrzahl von Schutzgasdüsen, kann auch eine Mehrzahl von flexiblen Schläuchen insbesondere eine der Anzahl der Schutzgasdüsen entsprechende Anzahl flexibler Schläuche vorgesehen sein. In gleicher Weise kann die Schutzgasabfuhr über wenigstens einen Schutzgasauslass der erfindungsgemäßen Einrichtung insbesondere zurück zu einem Reservoir über einen oder mehrere flexible Schläuche erfolgen.
Die Ausdehnung des Gestells in einer Raumrichtung und/oder die Dimensionierung des wenigstens einen Schutzgasein- und/oder -auslasses in einer Raumrichtung ist bevorzugt an die Ausdehnung des zu bearbeitenden Pulverbettes in der Raumrichtung angepasst, so dass das gesamte Pulverbett mit einem Schutzgasstrom abgedeckt und/oder mit den Erwärmungsmitteln erreicht werden kann.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Erwärmungsmittel wenigstens eine, bevorzugt mehrere Induktionsspulen zur induktiven Erwärmung umfasst, und insbesondere die wenigstens eine Induktionsspule bewegbar an einem Gestell der Einrichtung gehalten ist. Die induktive Erwärmung beispielsweise eines bereits additiv aus einem Pulverbett gefertigten Bauteilabschnittes und/oder eines Abschnittes eines Pulverbettes und/oder einer Arbeitsplattform hat sich als besonders geeignete Form der zusätzlichen Erwärmung erwiesen. Andere Möglichkeiten der zusätzlichen Erwärmung, etwa die Heizung mittels IR-Strahlen oder auch die Heizung mittels Elektronenstrahlen oder die resistive Heizung sind jedoch nicht ausgeschlossen.
Hinsichtlich der Pulvermittel der erfindungsgemäßen Einrichtung kann weiterhin vorgesehen sein, dass diese einen an einem Gestell der Einrichtung gehaltenen Pulverbehälter umfassen. Dieser kann sich beispielsweise ebenfalls durch eine Balkenform auszeichnen und weist bevorzugt wenigstens eine unterseitige, insbesondere längliche Pulverzufuhröffnung auf. Weiterhin können die Pulvermittel eine oder mehrere unterseitig an dem Pulverbehälter gehaltene Rollen und/oder Rakeln zum glattstreifen von aus dem Pulverbehälter unterseitig herausgelassen Pulver umfassen. So können auf besonders einfache Weise Pulverlagen bevorzugt gleichmäßiger Dicke bereitgestellt werden, indem der Pulverbehälter zusammen mit den Schutzgasmitteln und insbesondere Erwärmungsmitteln oberhalb des Pulverbettes verfahren wird. Der Abstand der Mittel zum Glattstreichen, etwa Rolle(n) und/oder Rakel(n), zur Oberseite der vorangegangenen Lage definiert dann die Schichtdicke. Umfassen die Pulvermittel einen Pulverbehälter, ist dessen Ausdehnung in einer Raumrichtung, insbesondere seine Längsausdehnung bevorzugt an die Ausdehnung des Pulverbettes in einer Raumrichtung angepasst, so dass eine Pulverlage entsprechender Größe erhalten werden kann, wenn der Pulverbehälter zusammen mit den Schutzgas- und Erwärmungsmitteln oberhalb des Bettes verfahren wird.
Eine ganz besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass sie zwei bevorzugt spiegelverkehrt ausgebildete Bearbeitungsbereiche umfasst, wobei in jedem der beiden Bearbeitungsbereiche Schutzgasmittel zum Zu- und insbesondere Abführen eines Schutzgases sowie Erwärmungsmittel zur Erwärmung eines bereits additiv aus einem Pulverbett gefertigten Bauteilabschnittes und/oder eines Abschnittes eines Pulverbettes und/oder einer Arbeitsplattform vorgesehen sind, und besonders bevorzugt Pulvermittel zwischen den beiden Bearbeitungsbereichen angeordnet sind.
Dann kann in Weiterbildung vorgesehen sein, dass in jedem der beiden Bearbeitungsbereiche ein bevorzugt balkenförmiger Schutzgaseinlass und ein dem Schutzgaseinlass bevorzugt gegenüberliegender insbesondere balkenförmiger Schutzgasauslass vorgesehen ist, und/oder in jedem der beiden Bearbeitungsbereiche wenigstens eine, bevorzugt zwei Induktionsspulen vorgesehen sind.
Umfasst die erfindungsgemäße Einrichtung zwei bevorzugt spiegelverkehrt zueinander ausgebildete Bearbeitungsbereiche, kann besonders effizient gearbeitet werden. Insbesondere kann in beiden Bearbeitungsbereichen ein Scanvorgang mit einem oder mehreren Energiestrahlen erfolgen und beispielsweise zwei Bauteile bzw. Bauteilabschnitte können gleichzeitig aus dem Pulverbett hergestellt werden. Auch ist es möglich, dass, während in dem einen Bearbeitungsbereich ein Scanvorgang stattfindet, mit den Erwärmungsmitteln des anderen Bearbeitungsbereichs ein bereits hergestelltes, noch im Pulverbett liegendes Bauteil bzw. Bauteilabschnitt erwärmt wird, also simultan zu einem benachbarten Scanvorgang eine nachträgliche Wärmebehandlung stattfindet.
Umfasst die erfindungsgemäße Einrichtung zwei bevorzugt spiegelverkehrte Bearbeitungsbereiche, ist besonders bevorzugt etwa mittig in einem rahmenförmigen Gestell der Einrichtung ein Pulverbehälter der Pulvermittel vorgesehen und zu jeweils einer Seite des Pulverbehälters ist ein Schutzgasauslass angeordnet, wobei eine an dem Schutzgasauslass vorgesehene Schutzgasauslassöffnung jeweils von dem Pulverbehälter abgewandt ist. Dem jeweiligen Auslass gegenüberliegend, insbesondere an den beiden gegenüberliegenden Enden eines rahmenförmigen Gestells der erfindungsgemäßen Einrichtung, sind dann bevorzugt zwei zugehörige Schutzgaseinlässe angeordnet. Dann kann in beiden Bearbeitungsbereichen ein laminarer Schutzgasstrom jeweils von den gegenüberliegenden Außenseiten des Gestells zur Mitte hin erzeugt und mittig simultan neues Pulver aufgetragen werden. Eine spiegelverkehrte Ausgestaltung ermöglicht eine entgegengesetzte Ausrichtung des Schutzgasstromes in den beiden Bearbeitungsbereichen und dies wiederum, dass der Schutzgasstrom sowohl für eine Vor- als auch eine Rückbewegung der Mittel, insbesondere eines diese tragenden Gestells entlang einer zugehörigen Verfahrachse zur Fortschreitungsrichtung des wenigstens einen Energiestrahls auf der Pulverlage entgegensetzt orientiert werden kann.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum additiven Herstellen wenigstens eines Bauteils aus dem Pulverbett unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem

- die die Schutzgasmittel und die Pulver- und/oder Erwärmungsmittel gemeinsam oberhalb der Arbeitsplattform insbesondere linear verfahren werden und nacheinander mehrere Pulverlagen mittels der Pulvermittel als Pulverbett bereitgestellt werden,
- wobei die Pulverlagen jeweils mit wenigstens einem Energiestrahl gemäß vorgegebener Bauteilgeometrie lokal aufgeschmolzen und/oder gesintert werden,
- wobei mit den Schutzgasmitteln der Einrichtung oberhalb des Pulverbettes ein bevorzugt laminarer Schutzgasstrom erzeugt wird, während mit dem wenigstens einem Energiestrahl Pulver aufgeschmolzen und/oder gesintert wird,
- wobei mit den Erwärmungsmitteln eine zusätzliche Erwärmung eines aus dem Pulverbett bereits gefertigten Bauteilabschnittes und/oder der Arbeitsplattform und/oder des Pulverbettes erfolgt, während Pulver aufgeschmolzen und/oder gesintert wird,
- und insbesondere mit den Pulvermitteln gleichzeitig Pulver aufgetragen wird.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass eine erfindungsgemäße Einrichtung mit zwei Bearbeitungsbereichen zum Einsatz kommt und

- mehrere nebeneinanderliegende Bauteile bzw. Bauteilabschnitte aus dem Pulverbett hergestellt werden,
- wobei mit wenigstens einem Energiestrahl in einem ersten Bereich des Pulverbettes Pulver aufgeschmolzen und/oder gesintert wird, während mit den Schutzgasmitteln eines Bearbeitungsbereiches der Einrichtung oberhalb des ersten Pulverbettbereiches ein bevorzugt laminarer Schutzgasstrom erzeugt wird,
- und mit den Erwärmungsmitteln dieses Bearbeitungsbereiches insbesondere gleichzeitig eine zusätzliche Erwärmung eines in dem ersten Pulverbettbereich bereits aus dem Pulverbett gefertigten Bauteilabschnittes und/oder der Arbeitsplattform unter dem ersten Pulverbettbereich und/oder des ersten Pulverbettbereiches erfolgt,
- und mit den Erwärmungsmitteln des zweiten Bearbeitungsbereiches der Einrichtung insbesondere gleichzeitig eine zusätzliche Erwärmung eines in einem zweiten Pulverbettbereich bereits aus dem Pulverbett gefertigten Bauteilabschnittes erfolgt,
- und insbesondere gleichzeitig Pulver mit den Pulvermitteln aufgetragen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine besonders effiziente additive Fertigung von Bauteilen, dies insbesondere auch in vergleichsweise großen Bauräumen. Dies gilt ganz besonders für die Ausgestaltung mit gleichzeitigem Scanvorgang in dem einen Arbeitsbereich und nachträglicher Wärmebehandlung in dem anderen bei bevorzugt gleichzeitiger Herstellung einer jeweils neuen Pulverlage.
Dabei kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Schutzgas-, Erwärmungs- und insbesondere Pulvermittel, etwa über ein Gestell, an welchem diese gehalten sind, entlang einer vorgegebenen Achse oberhalb eines Pulverbettes kontinuierlich oder auch schrittweise verfahren werden, wobei zunächst mit dem Scannen in einem ersten Bereich des Pulverbettes begonnen wird, während dort unter Nutzung des ersten Bearbeitungsbereiches ein Schutzgasstrom bereitgestellt und eine insbesondere induktive zusätzliche Erwärmung erfolgt, und, wenn der zweite Bearbeitungsbereich oberhalb des zuvor gescannten Bauteil(abschnitt)s ankommt, mit dessen Erwärmungsmitteln eine nachträgliche Wärmebehandlung durchgeführt wird, während unter gleichzeitiger Nutzung der Schutzgas- und Erwärmungsmittel des ersten Bearbeitungsbereichs ein anderer Pulverbettabschnitt gescannt wird. Dabei kann dann während des gesamten Verfahrens des Gestells mit den Pulvermitteln Pulver neu aufgetragen und bevorzugt glattgestrichen werden, um die nächste Lage zu erhalten. Nachdem die Mittel in die eine Richtung einmal komplett über das Pulverbett bzw. einen zu bearbeitenden Teilbereich dieses verfahren wurde, kann die Bewegungsrichtung umgekehrt und die Vorgehensweise wiederholt werden.
Schließlich ist Gegenstand der Erfindung ein Bauteil, welches unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäße Einrichtung und Vorrichtung sowie erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die Zeichnung deutlich. Darin ist

1 eine schematische teilweise geschnittene Darstellung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung von Bauteilen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine vergrößerte schematische teilweise geschnittene Darstellung der Einrichtung zur Schutzgaszufuhr und Erwärmung und Pulverzufuhr der Vorrichtung aus 1 oberhalb des teilweise dargestellten Pulverbettes;
3 eine vergrößerte schematische Aufsicht auf die Einrichtung zur Schutzgaszufuhr und Erwärmung und Pulverzufuhr der Vorrichtung aus 1;
4 die Einrichtung aus den 1 bis 3 an bis 10 unterschiedlichen Positionen oberhalb des Pulverbettes zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
11 eine schematische Darstellung des von den Spulen der Vorrichtung aus 1 überfahrenen Bereiches bei schrittweiser Bewegung des Gestells;
12 eine schematische Darstellung des von den Spulen der Vorrichtung aus 1 überfahrenen Bereiches bei kontinuierlicher Bewegung des Gestells; und
13 eine schematische Aufsicht auf die Laserstrahleinrichtung und den Bauraum der Vorrichtung aus 1.

Die 1 zeigt in schematischer teilweise geschnittener Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum additiven Herstellen von Bauteilen aus dem Pulverbett 1. Diese umfasst einen Fertigungszylinder 2, der einen Bauraum 3 definiert, in welchem im Betrieb eines oder mehrere Bauteile additiv aus dem Pulverbett 1 gefertigt werden. Der schichtweise Bauteilaufbau erfolgt dabei auf einer Arbeitsplattform 4 der Vorrichtung, welche - wie durch einen entsprechenden Pfeil in der 1 angedeutet - höhenverstellbar in dem Fertigungszylinder 2 gehalten ist.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine oberhalb der Arbeitsplattform 4 angeordnete Laserstrahleinrichtung 5, welche ausgebildet ist, um mehrere, vorliegend zwei Laserstrahlen 6 zu emittieren und mit diesen in dem Bauraum 3 der Vorrichtung bereitgestellte Pulverlagen selektiv gemäß einer vorgegebenen Bauteilgeometrie aufzuschmelzen. Zur entsprechenden Ablenkung der Laserstrahlen 6 umfasst die Laserstrahleinrichtung 5 eine in den Figuren nicht erkennbare Scaneinrichtung. Diese kann auf beliebige, aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannte Weise ausgebildet sein.
Zu der Vorrichtung gehört ferner eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Schutzgaszufuhr, Erwärmung und Pulverzufuhr 7, die oberhalb des Fertigungszylinders 2 und der darin vorgesehenen Arbeitsplattform 4 sowie dem Pulverbett 1 angeordnet ist. Eine vergrößerte Seitenansicht sowie eine vergrößerte Aufsicht der Einrichtung 7 können den 2 sowie 3 entnommen werden. Es sei angemerkt, dass die weiteren Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung in diesen beiden Figuren sowie den 4 bis 10, auf die weiter unten noch eingegangen wird, nicht dargestellt, sondern darin neben der erfindungsgemäße Einrichtung 7 jeweils nur das Pulverbett 1 sowie zwei darin schon additiv hergestellte Bauteilabschnitte 8 erkennbar sind. Von den Laserstrahlen 6 ist ferner in den 1, 2, 4, 6 und 9 nur einer zu erkennen.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung 7 umfasst ein rahmenförmiges Gestell 9, welches entlang einer vorgegebenen Achse bewegbar oberhalb der Arbeitsplattform 4 und dem darauf befindlichen Pulverbett 2 gehalten ist. Die Mittel zur bewegbaren Lagerung des Gestells umfassen vorliegend eine in den Figuren nicht gezeigte ortsfest fixierte Schiene, an der das Gestell 9 mittels in den Figuren ebenfalls nicht erkennbarer Rollen gelagert ist, so dass es entlang der Schiene in x-Richtung und somit einer horizontalen Ebene oberhalb des Pulverbettes 1 vor- und zurückbewegbar ist. In den Figuren ist die jeweils aktuelle Bewegungsrichtung des Gestells 9 auch durch einen jeweils oberhalb dieses dargestellten Pfeil angedeutet.
An dem Gestell 9 der Einrichtung 7 sind Schutzgasmittel zum Zu- und Abführen eines Schutzgases in den Bauraum 3 sowie Erwärmungsmittel und Pulvermittel gehalten. Die Erwärmungsmittel sind zur zusätzlichen induktiven Erwärmung bereits additiv in dem Pulverbett 1 gefertigter Bauteilabschnitte 8 beziehungsweise - insbesondere für die allererste auf der Arbeitsplattform 4 bereitgestellte Pulverlage - der Arbeitsplattform 4 ausgebildet. Die Pulvermittel dienen der Bereitstellung einer Mehrzahl von übereinanderliegenden Lagen pulverförmigen Materials in dem Bauraum 3 der Vorrichtung.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfassend die Schutzgasmittel konkret zwei balkenförmige Schutzgaseinlässe 10, die an gegenüberliegenden Enden des Gestells 9 gehalten sind, sowie zwei balkenförmige Schutzgasauslässe 11, die sich etwa mittig an dem Gestell 9 befinden und jeweils gegenüberliegend der Schutzgaseinlässe 10 angeordnet sind. Es sind jeweils zwei Schutzgaseinlässe 10 und Schutzgasauslässe 11 vorgesehen, da die Einrichtung 7 vorliegend zwei spiegelverkehrt ausgebildete Bearbeitungsbereiche 12, 13 umfasst, mit denen simultan und/oder nacheinander Bearbeitungsschritte im Rahmen der additiven Herstellung von Bauteilen erfolgen können. Für die Erzeugung eines zumindest im Wesentlichen laminaren Schutzgasstromes oberhalb des Pulverbettes 1 in dem jeweiligen Bearbeitungsbereich 12, 13 weist jeder der beiden Schutzgaseinlässe 10 jeweils eine Mehrzahl von Schutzgasdüsen 14 auf, die in insgesamt drei Reihen übereinander und 15 Spalten nebeneinander in der Art eines Arrays angeordnet sind. Den Schutzgasdüsen 14 für die Schutzgaszufuhr gegenüberliegend befindet sich jeweils eine rechteckige beziehungsweise schlitzförmige Schutzgasauslassöffnung 15 des jeweiligen Schutzgasauslasses 11. Die Schutzgasmittel der erfindungsgemäßen Einrichtung 7 umfassend weiterhin eine Vielzahl von flexiblen Schläuchen 16, von denen vorliegend jeweils sechs Schläuche zu einem der Schutzgaseinlässe 10 führen und jeweils einer mit einem Schutzgasauslass 11 verbunden ist. Wie insbesondere in der 3 erkennbar, erstrecken sich sowohl die Schutzgaseinlässe 10 als auch die Schutzgasauslässe 11 jeweils über die gesamte Breite des Gestells 9 also über die gesamte Ausdehnung des Gestells 9 in Y-Richtung, so dass über die gesamte Breite des Pulverbettes 1 ein gleichmäßiger insbesondere laminarer Schutzgasstrom 17 bereitgestellt werden kann. In den 2 bis 6, 9 und 10 ist der laminare Schutzgasstrom 17 durch entsprechende horizontale Pfeile oberhalb des Pulverbettes 1 angedeutet. Die Dimensionierung von Gestell 9 und Schutzgas Ein- und Auslässen 10, 11 ist derart gewählt, dass sie mindestens der Ausdehnung des Pulverbettes 1 in Y-Richtung beziehungsweise des möglichen, also mit den Laserstrahlen 6 erreichbaren Scanbereiches entspricht.
Die an dem Gestell 9 gehaltenen Erwärmungsmittel der erfindungsgemäßen Einrichtung 7 umfassen vier Induktionsspulen 18. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die vier Spulen 18 an dem Gestell 9 in Y-Richtung vor- und zurückbewegbar gehalten, so dass eine Relativbewegung der Spulen 18 gegenüber dem Gestell 9 möglich ist, die orthogonal zu der Bewegungsrichtung des Gestells 9 in X-Richtung orientiert ist.
Durch die bewegbare Lagerung des Gestells 9 in X-Richtung und die bewegbare Lagerung der Spulen 18 an dem Gestell 9 in Y-Richtung kann dem Auftreffpunkt der Laserstrahlen 6 in der horizontalen Ebene gefolgt werden.
Es sei angemerkt, dass die Induktionsspulen 18 zusätzlich auch in X-Richtung bewegbar in dem Gestell 9 gelagert sein können, so dass auch eine Relativbewegung der Spulen 18 gegenüber dem Gestell 9 in X-Richtung möglich ist, um die Flexibilität weiter zu erhöhen. Erforderlich ist dies jedoch nicht.
Die ebenfalls an dem Gestell 9 gehaltenen Pulvermittel der erfindungsgemäßen Einrichtung 7 umfassen vorliegend einen Pulverbehälter 19, der etwa mittig an dem Gestell 9 gehalten ist und, wie insbesondere in der 3 erkennbar, zumindest in etwa parallel zu den balkenförmigen Schutzgasein- und auslässen 10, 11 orientiert ist, und sich, genau wie diese, über die gesamte Ausdehnung des Gestells 9 in Y-Richtung erstreckt. Der Pulverbehälter 19 weist unterseitig eine in den Figuren nicht erkennbare schlitzförmige Pulverauslassöffnung auf, die sich nahezu über seine gesamte Ausdehnung erstreckt.
Es sind ferner unterseitig an dem Pulverbehältern 19 zwei an gegenüberliegenden Endbereichen angeordnete Rollen 20 vorgesehen, die dazu dienen, aus dem Pulverbehälter 19 ausgelassenes Pulver zum Erhalt einer Lage gleichmäßiger Dicke glattzustreichen. Wie beispielsweise der 1 entnehmbar, kommt dabei zum Glattstreichen immer nur eine der beiden Rollen 20 zum Einsatz und es werden zwei Rollen aus dem Grunde benötigt, dass das Gestell 9 in beide Richtungen entlang der Y-Achse verfahren wird. Die Pulvermittel umfassen weiterhin eine Pulverzuführleitung 21, die seitlich in den Pulverbehälter 19 mündet und allein in der Aufsicht gemäß 3 erkennbar ist.
Die additive Fertigung von Bauteilen gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1 wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf die 4 bis 10 näher erläutert.
Die additive Fertigung umfasst in hinlänglich bekannter Weise die Bereitstellung eimehrerer Pulverlagen nach- und aufeinander in dem Bauraum 3 der Vorrichtung und deren Scannen mittels der Laserstrahlen 6 zum lokalen Aufschmelzen.
Dabei kommt die hier beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung 7 zum Einsatz, um die Pulverlagen bereitzustellen, um während der Scanvorgänge einen laminaren Schutzgasstrom 17 oberhalb des Pulverbettes 1 zu erzeugen und um während der Scanvorgänge sowie diesen nachgelagert bereits additiv gefertigte Bauteilabschnitte 8 bzw. die Arbeitsplattform 4 induktiv zu erwärmen. Das Gestell 9 wird dafür oberhalb des Pulverbettes 1 zwischen der in 4 erkennbaren rechten Endlage und der in den 8 und 9 erkennbaren linken Endlage kontinuierlich hin und her verfahren.
Die sich bis zur Fertigstellung der herzustellenden Bauteile wiederholenden Schritte werden im Folgenden beispielhaft erläutert, wobei in 4 zu einem Zeitpunkt begonnen wird, an dem bereits zwei Bauteilabschnitte 8 in dem Pulverbett 1 additiv gefertigt wurden und aktuell eine weitere Pulverlage zunächst im Bereich des in 4 rechten Bauteils mittels der zwei Laserstrahlen 6 der Laserstrahleinrichtung 5 gemäß vorgegebener Bauteilgeometrie gescannt werden. Bei den vorangegangenen Lagen wurde entsprechend - mit der ersten Pulverlage beginnend auf der Arbeitsplattform 4 - vorgegangen.
Wie aus der 4 hervorgeht, befindet der in den Figuren linke Bearbeitungsbereich 12 der Einrichtung 7 aktuell oberhalb des rechten Bauteilabschnitts 8 und es erfolgt mittels der beiden Induktionsspulen 18 dieses Bearbeitungsbereiches 12 eine zusätzliche induktive Erwärmung des bereits gefertigten Bauteilabschnitts 8 unterhalb der zu scannenden Pulverlager, während Pulver lokal mit den Laserstrahlen 6 aufgeschmolzen wird. Um dem Fortschreiten der Laserstrahlen 6 entlang der X-Achse nach links hin zu folgen, wird das Gestell 9 kontinuierlich mit geeigneter Geschwindigkeit in dieser Richtung bewegt. Gleichzeitig werden die Induktionsspulen 18 des Bearbeitungsbereiches 12 relativ zu dem Gestell 9 in Y-Richtung Verfahren, um mit der zusätzlichen Erwärmung auch der Bewegung der Laserstrahlen in dieser Richtung zu folgen. So kann erreicht werden, dass der Auftreffpunkt der Laserstrahlen 6 zum Beispiel immer jeweils zentriert unter einer Spule 18 liegt.
Während des Scanvorgangs und der zusätzlichen Erwärmung wird mit der erfindungsgemäßen Einrichtung 7 in dem Bearbeitungsbereich 12 ein zumindest im Wesentlichen laminarer Schutzgasstrom 17 oberhalb des Pulverbettes 1 für den Scanvorgang des rechten Bauteilabschnitts 8 bereitgestellt. Dazu wird Schutzgas über flexible Schläuche 16 in den Schutzgaseinlass 11 gefördert, über die Mehrzahl der Schutzgasdüsen 14 ausgelassen und über den gegenüberliegenden Schutzgasauslass 11 mit stützförmiger Schutzgasauslassöffnung 15 abgesaugt.
Sobald das Gestell 9 so weit nach links verfahren wurde, dass die Pulverauslassöffnung an der Unterseite des Pulverbehälters 19 das rechte Ende des Pulverbetts 1 erreicht hat, wird zum Erhalt der nächsten Lage Pulver aus dem Pulverbehälter 19 unterseitig herausgelassen und mittels der rechten Rolle 20 glattgestrichen.
Die Laserstrahlen 6 der Laserstrahleinrichtung 5 werden deaktiviert, sobald der Scanvorgang der Lage im Bereich des rechten Bauteilabschnittes 8 abgeschlossen ist und die Spulen 18 werden deaktiviert. In 5 ist der Zustand gezeigt, in dem aktuell kein Scannen von Pulver erfolgt, da sich die Induktionsspulen 18 des linken Bearbeitungsbereiches 12 noch zwischen den beiden Bauteilabschnitten 8 befinden, also den linken Bauteilabschnitt 8 noch nicht erreicht haben. Erreichen die Spulen 18 diesen, kann eine induktive Erwärmung erfolgen und ein Scanvorgang der Pulverlage oberhalb dieses Bauteilabschnittes 8 mit den zwei Laserstrahlen 6 erfolgt. Gleichzeitig wird mit den beiden Induktionsspulen 18 des rechten Bearbeitungsbereiches 13 eine nachgelagerten Wärmebehandlung des zuvor gescannten rechten Bauteilabschnittes 8 bewirkt (6). Es sei angemerkt, dass die zusätzliche induktive Erwärmung in den 4, 6 sowie 7 und 9 jeweils durch einen von der Induktionsspule 18 auf den darunterliegenden Bauteilabschnitt 8 gerichteten Pfeil angedeutet ist.
Das Gestell 9 wird kontinuierlich weiter nach links verfahren und sobald der Scanvorgang mit den Laserstrahlen 6 im Bereich vom linken Bauteilabschnitt 8 abgeschlossen ist, werden die Laserstrahlen 6 erneut deaktiviert und auch die Spulen 18 ausgeschaltet. Pulver wird weiterhin aus dem Pulverbehälter ausgelassen und mit der rechten Rolle 20 glattgestrichen. Dies solange, bis der Pulverbehälter 19 das linke Ende des Pulverbettes 1 erreicht, wie in 7 erkennbar. Dann befinden sich die beiden Induktionsspulen 18 des rechten Bearbeitungsbereiches 13 der Einrichtung 7 oberhalb des linken Bauteilabschnittes 8 und es erfolgt eine nachgelagerte induktive Wärmebehandlung dieses Bauteilabschnittes 8.
Sobald sich der Pulverbehälter 19, wie in 8 erkennbar, vollständig links des Pulverbettes 1 befindet, wird das Pulverbett durch herabsenken der Arbeitsplattform 4 (vgl. 1) um eine Schichtdicke 22 nach unten verfahren und die Bewegungsrichtung des Gestells 9 wird umgedreht.
Dann kann, wie in 9 erkennbar, mit den Induktionsspulen 18 des rechten Bearbeitungsbereiches 13 der Einrichtung 7 eine zusätzliche induktive Erwärmung des linken Bauteilabschnittes 8 erfolgen, während die darauf zuvor hergestellte Pulverlage mittels der Laserstrahlen 6 gescannt wird und gleichzeitig mit den Schutzgasmitteln des rechten Bearbeitungsbereiches 13 der Einrichtung 7 ein laminarer Schutzgasstrom oberhalb des Pulverbettes 1 erzeugt wird. Es sei angemerkt, dass der Schutzgasstrom 17 vorteilhafterweise immer entgegengesetzt der Fortschreitungsrichtung der Laserstrahlen 6 orientiert ist. Dies ist auch der Grund, warum die beiden Bearbeitungsbereiche 12, 13 spiegelverkehrt ausgebildet sind, also sich beide Schutzgaseinlässe 10 an gegenüberliegenden Ende und sich beide Schutzgasauslässe 1 mittig des Gestells 9 befinden, so dass ein Schutzgasstrom 17 immer von außen nach innen und somit entgegengesetzt der Fortschreitungsrichtung der Laserstrahlen 6 erzeugt werden kann.
Nachdem der Scanvorgang im Bereich des linken Bauteilabschnittes 8 abgeschlossen ist, erfolgt erneut vorübergehend nur ein Materialauftrag (vgl. 10). Dann erfolgt ein Scanvorgang im Bereich des rechten Bauteilabschnittes 8 mit zusätzlicher Erwärmung der Induktionsspulen 18 des rechten Bearbeitungsbereiches 13 bei gleichzeitiger nachträglicher Wärmebehandlung des linken Bauteilabschnittes 8 mit den Induktionsspulen 18 des linken Bearbeitungsbereiches 12, anschließend eine nachträgliche Wärmebehandlung des rechten Bauteilabschnittes 8 mit den Induktionsspulen 18 des linken Bearbeitungsbereiches 12, anschließend eine Invertierung der Bewegungsrichtung des Gestells 9 und eine Wiederholung sämtlicher Schritte so oft, bis die Bauteile fertiggestellt sind, was in den Figuren nicht mehr gezeigt ist.
Die 11 und 12 zeigen rein schematisch, welche Bereiche von den jeweils 2 Induktionsspulen 18 der beiden Bearbeitungsbereiche 12, 13 abgedeckt werden, wenn das Gestell 9, wie beim oben beschrieben Beispiel kontinuierlich (11) bzw. alternativ dazu schrittweise (12) in Y-Richtung verfahren wird. Wie man erkennen kann, kann ein unter den Spulen 18 befindliches Pulverbett lückenlos abgedeckt und somit über den gesamten Bereich eine gleichmäßige, zusätzliche induktive Erwärmung erreicht werden.
Die 13 zeigt eine Aufsicht auf einen Bauraum 3 mit Pulverbett 1 in rein schematischer Darstellung, wobei mit kreisförmigen Bereiche 23 angedeutet ist, wo oberhalb des Pulverbettes 1 - für den Fall von insgesamt vier Laserstrahlen 6 - die Laserstrahlen 6 emittiert und abgelenkt werden. Es sind weiterhin beispielhaft Auftreffpunkte 24 der vier Laserstrahlen 6 in einem streifenförmigen Laserbearbeitungsbereich 25 gezeigt und das Scanfeld 26 der Laserstrahlen 6 ist durch gestrichelte Linien angedeutet. Der Auftreffpunkt 24 für den Fall der Laserstrahleinrichtung 5 mit zwei Laserstrahlen 6, wie oben beschrieben, ist auch in der 1, dort jeweils mittig in einer der Spulen 18, gezeigt.
Wie anhand der vorstehenden Beschreibung erkennbar, werden mit der vorliegenden Erfindung mehrere Vorteile erreicht. Einerseits kann eine Verarbeitung auch schwer schweißbarer Werkstoffe, dies auch bei vergleichsweise großem Bauraum problemlos erfolgen. Das Konzept ermöglicht dabei das gleichzeitige Arbeiten mit mehreren Lasern und mehreren Induktionsspulen in mehreren Bearbeitungsbereichen und es kann eine über den gesamten Bauraum homogene Schutzgasströmung erreicht werden, die sich immer am Ort des Bedarfes, nämlich der aktuellen Interaktionszone zwischen dem einen oder mehreren Energiestrahlen und dem Pulvermaterial befindet. Das System ist daher skalierbar ohne Abstriche bei der Qualität. Das Scannen, die Bereitstellung neuer Pulverlagen sowie die zum Scannen zusätzliche und nachträgliche Erwärmung können gleichzeitig ohne negative Wechselwirkungen erfolgen, wodurch eine sehr hohe Effizienz gewährleistet werden kann. Separate Schritte beispielsweise für das Scannen einerseits und die Lagenbereitstellung andererseits, wie gemäß dem Stand der Technik vorgesehen, sind nicht erforderlich.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Wie vorstehend bereits betont ist das System beliebig skalierbar, beispielsweise kann eine andere, insbesondere höhere Anzahl von Induktionsspulen 18 vorgesehen sein und/oder mehr als zwei Bearbeitungsbereiche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014222302 A1 [0003]
WO 2014/125280 A2 [0005]
DE 102013215377 A1 [0005]
EP 2572815 A1 [0008]
DE 102012206122 A1 [0008]

Claims

Einrichtung (7) zur Schutzgaszufuhr und Erwärmung und/oder Pulverzufuhr für eine Vorrichtung zum additiven Herstellen von Bauteilen aus dem Pulverbett (1), die oberhalb einer bzw. eines in einem Bauraum (3) der Vorrichtung zur additiven Herstellung vorgesehenen Arbeitsplattform (4) bzw. Pulverbettes (1) anzuordnen oder angeordnet ist, umfassend - Schutzgasmittel, die zum Zu- und insbesondere Abführen eines Schutzgases ausgebildet sind, und - Pulvermittel, die zur Bereitstellung einer Mehrzahl von übereinanderliegenden Lagen eines pulverförmigen Materials in dem Bauraum (3) einer Vorrichtung zur additiven Herstellung von Bauteilen ausgebildet sind, und/oder - Erwärmungsmittel, die zur insbesondere induktiven Erwärmung wenigstens eines bereits additiv aus dem Pulverbett (1) gefertigten Bauteilabschnittes (8) und/oder eines Abschnittes eines Pulverbettes (1) und/oder einer Arbeitsplattform (4) einer Vorrichtung zur additiven Herstellung von Bauteilen ausgebildet sind, wobei Mittel vorgesehen sind, über welche die Schutzgasmittel und die Pulver- und/oder Erwärmungsmittel gemeinsam bewegbar, insbesondere verfahrbar oberhalb der Arbeitsplattform (4) bzw. des Pulverbettes (1) einer Vorrichtung zur additiven Herstellung von Bauteilen gelagert werden können oder gelagert sind.
Einrichtung (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung ein bevorzugt rahmenförmiges Gestell (9) umfasst, an dem die Schutzgasmittel und die Erwärmungs- und/oder Pulvermittel gehalten sind, und dem Gestell (9) bevorzugt Verfahrmittel zugeordnet sind, über welche das Gestell (9) insbesondere linear verfahrbar oberhalb der Arbeitsplattform (4) bzw. des Pulverbettes (1) gehalten werden kann oder gehalten wird.
Einrichtung (7) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrmittel eine bei bestimmungsgemäßer Montage oberhalb der Arbeitsplattform (4) bzw. des Pulverbettes (1) befestigte Schiene umfassen, an welcher das Gestell (9) bevorzugt linear verfahrbar gehalten ist.
Einrichtung (7) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasmittel und/oder die Pulvermittel ortsfest an dem Gestell (9) gehalten sind.
Einrichtung (7) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungsmittel bevorzugt entlang einer Verfahrachse linear verfahrbar an dem Gestell (9) gehalten sind, wobei die Anordnung insbesondere derart ist, dass die Erwärmungsmittel entlang einer Achse bewegbar an dem Gestell (9) gehalten sind, die zumindest im Wesentlichen orthogonal zu der Verfahrachse des Gestells (9) orientiert ist.
Einrichtung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasmittel zur Bereitstellung wenigstens eines bevorzugt zumindest im Wesentlichen laminaren Schutzgasstromes (17) ausgebildet sind.
Einrichtung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasmittel wenigstens einen bevorzugt balkenförmigen Schutzgaseinlass (10) und wenigstens einen dem Schutzgaseinlass (10) insbesondere gegenüberliegenden bevorzugt balkenförmigen Schutzgasauslass (11) umfassen, wobei der wenigstens eine Schutzgaseinlass (10) insbesondere eine Mehrzahl von nebeneinanderliegenden und/oder übereinanderliegenden Schutzgasdüsen (14) aufweist.
Einrichtung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungsmittel wenigstens eine, bevorzugt mehrere Induktionsspulen (18) umfasst, und insbesondere die wenigstens eine Induktionsspule (18) bewegbar an einem Gestell (9) der Einrichtung (7) gehalten ist.
Einrichtung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermittel einen insbesondere an einem Gestell (9) der Einrichtung (7) gehaltenen Pulverbehälter (19) mit wenigstens einer unterseitigen, bevorzugt länglichen Pulverzufuhröffnung, und wenigstens eine, bevorzugt zwei an dem Pulverbehälter (19) unterseitig gehaltene Rollen (20) und/oder Rakeln zum Glattstreifen von aus dem Pulverbehälter (19) unterseitig herausgelassenen Pulver umfassen.
Einrichtung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (7) zwei bevorzugt spiegelverkehrt ausgebildete Bearbeitungsbereiche (12, 13) umfasst, wobei in jedem der beiden Bearbeitungsbereiche (12, 13) Schutzgasmittel zum Zu- und insbesondere Abführen eines Schutzgases sowie Erwärmungsmittel zur Erwärmung eines bereits additiv aus einem Pulverbett (1) gefertigten Bauteilabschnittes (8) und/oder eines Abschnittes eines Pulverbettes (1) und/oder einer Arbeitsplattform (4) vorgesehen sind, und besonders bevorzugt die Pulvermittel zwischen den beiden Bearbeitungsbereichen (12, 13) angeordnet sind, wobei insbesondere in jedem der beiden Bearbeitungsbereiche (12, 13) ein bevorzugt balkenförmiger Schutzgaseinlass (10) und ein dem Schutzgaseinlass (10) insbesondere gegenüberliegender bevorzugt balkenförmiger Schutzgasauslass (11) vorgesehen sind, und/oder in jedem der beiden Bearbeitungsbereiche (12, 13) wenigstens eine, bevorzugt zwei Induktionsspulen (18) vorgesehen sind.
Vorrichtung zum additiven Herstellen von Bauteilen aus dem Pulverbett (1), umfassend - einen Bauraum (3), in dem insbesondere auf einer Arbeitsplattform (4) ein Pulverbett (1) zum additiven Aufbau wenigstens eines Bauteils bereitgestellt werden kann oder bereitsteht, - eine Energiestrahleinrichtung (5), die ausgebildet ist, um wenigstens einen Energiestrahl (6), bevorzugt mehrere Energiestrahlen (6) zum selektiven Aufschmelzen und/oder Sintern eines in dem Bauraum (3) bereitgestellten Pulverbettes (1) bereitzustellen und den wenigstens einen Energiestrahl (6) über ein in dem Bauraum (3) bereitgestelltes Pulverbett (1) gemäß vorgegebener Bauteilgeometrie zu verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin umfasst - eine Einrichtung (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die oberhalb der bzw. des in dem Bauraum (3) der Vorrichtung zur additiven Herstellung vorgesehenen Arbeitsplattform (4) bzw. Pulverbettes (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (7) ein Gestell (9) umfasst, an dem die Schutzgasmittel und die Erwärmungs- und/oder Pulvermittel gehalten sind und das Gestell (9) relativ zu der Arbeitsplattform (4) bzw. einem insbesondere darauf bereitgestellten Pulverbett (1) relativ verfahrbar gehalten ist.
Verfahren zum additiven Herstellen wenigstens eines Bauteils aus dem Pulverbett (1) unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, bei dem - die die Schutzgasmittel und die Pulver- und/oder Erwärmungsmittel gemeinsam oberhalb der Arbeitsplattform (4) insbesondere linear verfahren werden und nacheinander mehrere Pulverlagen mittels der Pulvermittel als Pulverbett (1) bereitgestellt werden, - wobei die Pulverlagen jeweils mit wenigstens einem Energiestrahl (6) gemäß vorgegebener Bauteilgeometrie lokal aufgeschmolzen und/oder gesintert werden, - wobei mit den Schutzgasmitteln der Einrichtung (7) oberhalb des Pulverbettes (1) ein bevorzugt laminarer Schutzgasstrom (17) erzeugt wird, während mit dem wenigstens einem Energiestrahl (6) Pulver aufgeschmolzen und/oder gesintert wird, - wobei mit den Erwärmungsmitteln eine zusätzliche Erwärmung eines aus dem Pulverbett (1) bereits gefertigten Bauteilabschnittes (8) und/oder der Arbeitsplattform (4) und/oder des Pulverbettes (1) erfolgt, während Pulver aufgeschmolzen und/oder gesintert wird, - und insbesondere mit den Pulvermitteln Pulver aufgetragen wird, während Pulver aufgeschmolzen und/oder gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 13 zum additiven Herstellen wenigstens eines Bauteils aus dem Pulverbett (1) unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, die eine Einrichtung (7) nach Anspruch 10 umfasst, bei dem - mehrere nebeneinanderliegende Bauteile bzw. Bauteilabschnitte (8) aus dem Pulverbett (1) hergestellt werden, - wobei mit wenigstens einem Energiestrahl (6) in einem ersten Bereich des Pulverbettes (1) Pulver aufgeschmolzen und/oder gesintert wird, während mit den Schutzgasmitteln eines Bearbeitungsbereiches (12, 13) der Einrichtung (7) oberhalb des ersten Pulverbettbereiches ein bevorzugt laminarer Schutzgasstrom (17) erzeugt wird, - und mit den Erwärmungsmitteln dieses Bearbeitungsbereiches (12, 13) insbesondere gleichzeitig eine zusätzliche Erwärmung eines in dem ersten Pulverbettbereich bereits aus dem Pulverbett (1) gefertigten Bauteilabschnittes (8) und/oder der Arbeitsplattform (4) unter dem ersten Pulverbettbereich und/oder des ersten Pulverbettbereiches erfolgt, - und mit den Erwärmungsmitteln des zweiten Bearbeitungsbereiches (12, 13) der Einrichtung (7) insbesondere gleichzeitig eine zusätzliche Erwärmung eines in einem zweiten Pulverbettbereich bereits aus dem Pulverbett (1) gefertigten Bauteilabschnittes (8) erfolgt, - und insbesondere gleichzeitig Pulver mit den Pulvermitteln aufgetragen wird.
Bauteil hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 13 oder 14.