DE102017223259A1

DE102017223259A1 - Verfahren und vorrichtung zur reinigung teilweise hergestellter bauteile während der generativen herstellung

Info

Publication number: DE102017223259A1
Application number: DE102017223259.5A
Authority: DE
Inventors: Laura Bürger; Johannes Casper; Andreas Jakimov; Jürgen Kraus; Steffen Schlothauer; Karl-Heinz Dusel; Alexander Ladewig; Christian Liebl; Sebastian Rott
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2019-06-19
Also published as: WO2019120348A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. Vorrichtung zur generativen Herstellung von Bauteilen durch schichtweises Aufbringen von Pulvermaterial auf einem Substrat oder einem vorher hergestellten Teil eines Bauteils und zumindest teilweise stoffschlüssiges Verbinden des Pulvermaterials in der Pulverschicht entsprechend der Bauteilschnittkontur entlang der Pulverschicht und mit einem darunter liegenden Festkörpermaterial des Bauteils oder Substrats zur Ausbildung von mehreren übereinander angeordneten Festkörperschichten (14) durch einen hochenergetischen Strahl (13), wobei nach dem stoffschlüssigen Verbinden des Pulvermaterials die soeben erzeugte Festkörperschicht (14) von Pulvermaterial durch Vibrieren gereinigt wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Herstellung von Bauteilen durch schichtweises Aufbringen und stoffschlüssiges Verbinden von Pulvermaterial sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens.
STAND DER TECHNIK
Generative Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Bauteils werden in der Industrie für das sogenannte Rapid - Tooling, Rapid - Pototyping oder bei der Herstellung von Serienprodukten im Rahmen des Rapid - Manufacturing eingesetzt. Beispiele für generative Herstellungsverfahren mittels eines hochenergetischen Strahls sind das selektive Laserschmelzen, das selektive Lasersintern, das Elektronenstrahlschmelzen und vergleichbare Verfahren.
Bei diesen Verfahren wird das zu erzeugende Bauteil schichtweise aus Pulvermaterial aufgebaut, wobei das Pulvermaterial entsprechend der aufzubringenden Schicht in einer Pulverlage auf einem Substrat oder einem bereits hergestellten Teil eines Bauteils aufgebracht wird, um anschließend durch Aufschmelzen oder Sintern des Pulvers durch den hochenergetischen Strahl eine Verbindung des Pulvermaterials untereinander und zu dem Bauteil zu schaffen. Andere generative Verfahren, wie beispielsweise in der WO 2017/087572 A1 beschrieben, verwenden das selektive Aufbringen von Klebstoff oder dergleichen, um Pulverpartikel zumindest in einem Zwischenschritt in der gewünschten Form zu fixieren und nach dem Entfernen von überschüssigem Pulvermaterial den so entstandenen Grünkörper durch Schmelzen oder Sintern in das fertige Bauteil umzuwandeln.
Um eine Pulverlage mit einem hochenergetischen Strahl auf dem Bauteil zu erzeugen, kann ein Pulverbett verwendet werden, in welchem der bereits erzeugte Teil des Bauteils angeordnet ist und in der Richtung des Aufbaus des Bauteils von einer Pulverlage überdeckt ist, die selektiv entsprechend der Kontur in der Schnittebene des zu erzeugenden Bauteils auf dem Bauteil abgeschieden werden soll. Die Oberfläche des Pulverbetts wird dabei so gewählt, dass zwischen dem bereits erzeugten Bauteil und der Oberfläche des Pulverbetts die Pulverlage mit der gewünschten Dicke vorliegt, die im nächsten Schritt als Festkörperschicht auf dem Bauteil durch Aufschmelzen oder Sintern und nachfolgendes Wiedererstarren abgeschieden werden soll. Durch selektives Schmelzen oder Sintern entsprechend dem Schnittmuster des zu erzeugenden Bauteils in der jeweiligen Lage und nachfolgendes Erstarren können dreidimensionale Gegenstände erzeugt werden.
Aus dem Stand der Technik sind bereits entsprechende Vorrichtungen und Verfahren bekannt, wie sie unter anderem in der DE 10 2013 223 587A1 und der WO 2015/196 149 A1 beschrieben sind. Weiterhin sind Verfahren und Vorrichtungen zur Nachbehandlung von generativ hergestellten Bauteilen bekannt, wie beispielsweise aus der US 2017/0036401 A1 .
Bei der generativen Herstellung muss sichergestellt werden, dass keine Verunreinigungen in die abzuscheidende Pulverschicht eingebracht werden, um eine negative Beeinflussung der Eigenschaften des generativ hergestellten Bauteils zu vermeiden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zu generativen Herstellung von Bauteilen bereitzustellen, bei welchem die Einbringung von Fehlstellen vermieden oder diese zumindest stark reduziert werden kann. Insbesondere soll somit ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung von generativ erzeugten Bauteilen bereitgestellt werden, die es ermöglichen, möglichst fehlerfreie und homogene Bauteilen zu erzeugen, wobei gleichwohl das Verfahren effizient und zuverlässig durchführbar sein soll und der Aufwand für eine entsprechende Vorrichtung gering gehalten werden soll.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur generativen Herstellung von Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung schlägt zur Verbesserung der Fehlerfreiheit von generativ hergestellten Bauteilen vor, dass nach dem Abscheiden einer Festkörperschicht, also nach dem Aufbringen von Pulvermaterial und stoffschlüssigem Verbinden des Pulvermaterials an sich und mit einem darunter liegenden Material eines Substrats oder eines bereits hergestellten Bauteils, zumindest die zuletzt abgeschiedene Festkörperschicht vom Pulvermaterial durch Vibration gereinigt wird. Dadurch lässt sich sicherstellen, dass keine losen Pulverpartikel in die nächste aufzubringende Schicht eingebaut werden.
Insbesondere kann die Reinigung der Festkörperschicht von Pulvermaterial durch Vibration nach jeder Abscheidung einer Festkörperschicht erfolgen, sodass zwischen jeweils zwei aufeinander folgende Abscheidungen von Festkörperschichten jeweils eine Reinigung durch Vibration durchgeführt wird.
Darüber hinaus kann die Reinigung durch Vibration zur Entfernung von lose haftendem Pulvermaterial abhängig von der Bauteilgeometrie oder den Anforderungen an die Fehlerfreiheit nur vor oder nah der Abscheidung bestimmter Festkörperschichten erfolgen, beispielsweise bei der Herstellung von besonders beanspruchten oder dünnen Bauteilbereichen oder wenn besonders dicke Pulverlagen in einem Abscheidevorgang aufgebracht werden, sodass lose Pulverpartikel in darunterliegenden Schichten nicht mehr gesintert oder aufgeschmolzen werden können.
Insbesondere kann aber die Reinigung durch Vibration während des Herstellungsprozesses, also vor der endgültigen Fertigstellung des Bauteils eingesetzt werden, um Fehlstellen im Bauteil zu vermeiden.
Das für die Reinigung bzw. Entfernung lose anhaftender Pulverpartikel eingesetzte Vibrieren kann durch entsprechende Vibration des bereits teilweise hergestellten Bauteils und / oder durch Vibration einer Bauteilaufnahme erfolgen, auf der das herzustellende Bauteil während des Herstellungsprozesses gelagert ist. Hierzu weist eine entsprechende Vorrichtung zur generativen Herstellung von Bauteilen eine Vibrationseinrichtung auf, die mindestens einen Aktuator zur Schwingungserzeugung und / oder mindestens einen Ultraschallsender umfassen kann.
Entsprechend kann die Vibration insbesondere mit Ultraschallfrequenz durchgeführt werden.
Die Reinigung der Festkörperschicht von lose anhaftendem Pulvermaterial durch Vibration kann durch eine Vielzahl von verschiedenen Reinigungsmethoden unterstützt werden, die gleichzeitig oder zeitversetzt durchgeführt werden können und eine geeignete Entfernung von losem Pulvermaterial ermöglichen. Insbesondere können mechanische Verfahren zur Entfernung des Pulvermaterials, wie Bürsten, Abstreifen, oder auch berührungslose Methoden zur Entfernung von Pulvermaterial eingesetzt werden, wie beispielsweise das Absaugen oder das Sprühen oder Spritzen mit einem Fluid, insbesondere mit Druckluft oder anderen Gasen. Beim Einsatz des Absaugens von Pulvermaterial kann die entsprechende Vorrichtung eine Absaugvorrichtung aufweisen, die insbesondere an einem Schieber für die Aufbringung einer Pulverschicht angeordnet sein kann.
Für die Reinigung kann das bereits teilweise hergestellte Bauteil aus einem umgebenden Pulverbett angehoben werden.
Das stoffschlüssige Verbinden des Pulvermaterials kann durch alle bekannten Verfahren für die generative Herstellung von Bauteilen durch selektives Bestrahlen mit einem hochenergetischen Strahl durchgeführt werden, insbesondere durch selektives Laserstrahlschmelzen, selektives Laserstrahlsintern, selektives Elektronenstrahlschmelzen oder selektives Elektronenstrahlsintern.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur generativen Herstellung von Bauteilen am Beispiel des selektiven Laserschmelzens und in
2 eine Darstellung des Verfahrensablaufs gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen deutlich, wobei die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
Die 1 zeigt in einer rein schematischen Darstellung eine Vorrichtung 1, wie sie beispielsweise für das selektive Laserschmelzen zur generativen Herstellung eines Bauteils Verwendung finden kann. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Hubtisch 2, auf dessen Plattform ein Halbzeug 3 (Teil eines Bauteils) angeordnet ist, auf dem schichtweise Material abgeschieden wird, um ein dreidimensionales Bauteil zu erzeugen. Hierzu wird mittels des Schiebers 8 Pulver 10, das sich oberhalb eines Hubtisches 9 in einem Pulvervorrat befindet, schichtweise über das Halbzeug 3 geschoben und anschließend durch den Laserstrahl 13 eines Lasers 4 durch Aufschmelzen mit dem bereits vorhandenen Halbzeug 3 verbunden. Die Verbindung des Pulvermaterials in einer Pulverschicht mit dem Halbzeug 3 erfolgt durch den Laser 4 abhängig von der gewünschten Kontur des zu fertigenden Bauteils, sodass beliebige, dreidimensionale Formen erzeugt werden können. Entsprechend wird der Laserstrahl 13 über das Pulverbett 12 geführt, um durch unterschiedliche Auftreffpunkte auf dem Pulverbett entsprechend der Kontur des dreidimensionalen Bauteils in der der herzustellenden Schichtebene entsprechenden Schnittebene Pulvermaterial aufzuschmelzen und mit dem bereits erzeugten Teil eines Bauteils oder einem anfänglich bereit gestellten Substrat zu verbinden. Hierbei kann der Laserstrahl 13 durch eine geeignete Ablenkeinheit über die Oberfläche des Pulverbetts 12 geführt werden und/oder das Pulverbett bzw. der Hubtisch 2 könnten gegenüber dem Laserstrahl 13 bewegt werden.
Um unerwünschte Reaktionen mit der Umgebungsatmosphäre beim Aufschmelzen oder Sintern zu vermeiden, kann der Prozess in einem abgeschlossenen Raum, der durch ein Gehäuse 11 der Vorrichtung 1 bereit gestellt wird, stattfinden und es kann zudem eine inerte Gasatmosphäre bereit gestellt werden, um beispielsweise Oxidation des Pulvermaterials und dergleichen beim Abscheiden zu vermeiden. Als inertes Gas kann beispielsweise Stickstoff verwendet werden, welches über eine nicht dargestellte Gasversorgung bereitgestellt werden kann.
Anstelle des Inertgases könnte auch ein anderes Prozessgas verwendet werden, wenn beispielsweise eine reaktive Abscheidung des Pulvermaterials gewünscht ist.
Darüber hinaus sind auch andere Strahlungsarten denkbar, wie beispielsweise Elektronenstrahlen oder andere Teilchenstrahlen oder Lichtstrahlen, die bei der Stereolithographie eingesetzt werden.
Der Schieber 8 ist gleichzeitig als Nivellier- und Glättungsschieber ausgebildet, um die Pulverlage oberhalb des Halbzeugs 3 zu glätten und auf eine bestimmte Lagendicke einzustellen. Allerdings ist es auch vorstellbar, dass der Schieber 8 lediglich die grobe Bereitstellung des Pulvermaterials bewirkt und ein zusätzlicher (hier nicht gezeigt) Nivellier- und Glättungsschieber eingesetzt wird.
Der Nivellier- und Glättungsschieber 8 dient dazu, die gewünschte Dicke D der Pulverlage 5, wie sie in der Detailansicht der 1 dargestellt ist, definiert einzustellen und zudem dafür zu sorgen, dass die Pulverbettoberfläche 6 der Pulverlage 5 glatt und eben ausgebildet ist, da ansonsten Ungenauigkeiten und Unregelmäßigkeiten im erzeugten Bauteil entstehen könnten.
Die Vorrichtung 1 weist weiterhin eine Reinigungsvorrichtung in Form einer Absaugvorrichtung 7 auf, die zur Reinigung der zuletzt abgeschiedenen Festkörperschicht und des bereits hergestellten Bauteils 3 dient. Nachdem die Pulverlage 5 bzw. das darin vorliegende Pulvermaterial mit dem Laserstrahl 13 des Lasers 4 entsprechend der Form des herzustellenden Bauteils im Schnitt entlang der Pulverlage 5 aufgeschmolzen worden ist und nach dem Erstarren des aufgeschmolzenen Pulvermaterials zu einer Festkörperschicht 14 geworden ist (wie in den Darstellungen 15 und 16 in 2 gezeigt) wird die Reinigungsvorrichtung in Form einer Absaugeinrichtung 7 eingesetzt, um die Festkörperschicht 14 sowie Teile des vorher erzeugten Bauteils von Pulvermaterial zu reinigen. Die Absaugeinrichtung 7 ist hierbei an dem Schieber 8 angeordnet, sodass die Absaugeinrichtung 7 durch den Schieber 8 über das bereits teilweise erzeugte Bauteil 3 bewegt werden kann.
Zusätzlich weist die Vorrichtung eine Vibrationseinrichtung 18 auf, die bei dem gezeigten Beispiel am Hubtisch 2 angeordnet ist, um damit den Hubtisch 2 und somit die Bauteilaufnahme und das darauf angeordnete Bauteil in Vibrationen zu versetzen, sodass lose anhaftende Pulverpartikel gelöst werden können.
Für die Reinigung mit der Vibrationsanordnung 18 und der Absaugvorrichtung 7 wird das Bauteil 3 mit dem Hubtisch 2 angehoben, so dass das Bauteil 3 zumindest mit der zuletzt erzeugten Festkörperschicht 14, vorzugsweise mit mehreren, beispielsweise 5 bis 20 der zuletzt erzeugten Festkörperschichten aus dem Pulverbett 12 ragt. Dann wird die Absaugvorrichtung 7 durch eine Bewegung entsprechend des Pfeiles in 1 über das bereits hergestellte Bauteil 3 geführt, um durch die Bewegung relativ zum Bauteil 3 die zuletzt erzeugte Festkörperschicht sowie Teile des Bauteils 3 von losem Pulvermaterial zu reinigen. Gleichzeitig wir der Hubtisch 2 durch die Vibrationseinrichtung 18 in Schwingungen versetzt, sodass das bereits teilweise hergestellte Bauteil 3 vibriert und lose Pulverpartikel losgerüttelt werden.
Der Verfahrensablauf wird in der 2 durch die Darstellungen 15 bis 17 detailliert dargestellt. Im Verfahrensschritt 1 gemäß der Darstellung 15 wird bei einer in 2 nicht näher dargestellten Pulverlage durch den Laserstrahl 13 des Lasers 4 das Pulvermaterial teilweise entsprechend der Form des herzustellenden Bauteils 3 aufgeschmolzen und bildet so nach dem Erstarren eine Festkörperschicht 14 entsprechend der Schnittebene des herzustellenden Bauteils 3 aus. Im zweiten Verfahrensschritt gemäß der Darstellung 16 wird das Bauteil 3 mit der darauf erzeugten Festkörperschicht 14 aus dem Pulverbett 12 angehoben, so dass das Bauteil 3 zumindest mit der zuletzt erzeugten Festkörperschicht 14 sowie vorzugsweise weiteren, vorher erzeugten Festkörperschichten aus dem Pulverbett hervorragt. Dann wird im dritten Verfahrensschritt der Darstellung 17 die Absaugvorrichtung 7 über den vom Pulverbett 12 hervorstehenden Teil des bereits hergestellten Bauteils 3 geführt, während gleichzeitig der Hubtisch 2 mit dem teilweise hergestelltem Bauteil 3 vibriert wird, um die zuletzt erzeugte Festkörperschicht 14 und angrenzende Teile des bereits vorher hergestellten Bauteils 3 vom Pulvermaterial zu befreien. Der Reinigungsschritt kann mehrmals hintereinander wiederholt werden, so dass die Absaugvorrichtung 7mehrmals hin und her bewegt werden kann, um loses Pulvermaterial zu entfernen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Änderungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung schließt sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Hubtisch
3: Halbzeug
4: Laser
5: Pulverlage
6: Pulverbettoberfläche
7: Absaugeinrichtung
8: Schieber
9: Hubtisch
10: Pulver
11: Gehäuse
12: Pulverbett
13: Laserstrahl
14: Festkörperschicht
15: Verfahrensschritt 1
16: Verfahrens schritt 2
17: Verfahrensschritt 3
18: Vibrationseinrichtung

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

WO 2017/087572 A1 [0003]
DE 102013223587 A1 [0005]
WO 2015/196149 A1 [0005]
US 2017/0036401 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur generativen Herstellung von Bauteilen durch schichtweises Aufbringen von Pulvermaterial auf einem Substrat oder einem vorher hergestellten Teil eines Bauteils und zumindest teilweise stoffschlüssiges Verbinden des Pulvermaterials in der Pulverschicht entsprechend der Bauteilschnittkontur entlang der Pulverschicht und mit einem darunter liegenden Festkörpermaterial des Bauteils oder Substrats zur Ausbildung von mehreren übereinander angeordneten Festkörperschichten (14) durch einen hochenergetischen Strahl, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem stoffschlüssigen Verbinden des Pulvermaterials die soeben erzeugte Festkörperschicht (14) von Pulvermaterial durch Vibrieren gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung der Festkörperschicht (14) von Pulvermaterial nach jeder Abscheidung einer Festkörperschicht erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung der Festkörperschicht (14) die Entfernung von Pulvermaterial von einer oder mehreren vor der letzten aufgebrachten Festkörperschicht abgeschiedenen Festkörperschichten umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung durch Entfernung von Pulvermaterial von der Festkörperschicht (14) vor dem Aufbringen einer neuen Festkörperschicht, insbesondere vor jedem Aufbringen einer neuen Festkörperschicht erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vibrieren durch Vibrieren des teilweise hergestellten Bauteils und / oder der Bauteilaufnahme erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vibrieren mit Ultraschallfrequenz erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung des teilweise hergestellten Bauteils durch zusätzliche Reinigungsverfahren unterstützt wird, die zeitgleich oder zeitversetzt angewendet werden, insbesondere Verfahren aus der Gruppe, die mechanisches Entfernen des Pulvermaterials, Bürsten, Abstreifen, Absaugen, Reinigen durch Sprühen oder Spritzen mit einem Fluid, Abblasen mit Druckluft oder anderen Gasen umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Aufbringen des Pulvermaterials ein Pulverbett vorgesehen ist, in dem das teilweise hergestellte Bauteil oder Substrat angeordnet ist, wobei das teilweise hergestellte Bauteil für die Reinigung zumindest teilweise aus dem Pulverbett angehoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffschlüssige Verbinden des Pulvermaterials durch selektives Laserschmelzen oder - sintern oder durch selektives Elektronenstrahlschmelzen oder - sintern erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Bauteilaufnahme (2) zur Aufnahme eine Substrats oder eines bereits teilweise hergestellten Bauteils und mit einer Pulveraufbringeinrichtung mit einem Pulverbett (12), das das Bauteil oder Substrat in der Bauteilaufnahme zumindest teilweise umgibt, wobei mit der Pulveraufbringeinrichtung eine als Schicht abzuscheidende Pulverlage auf dem Substrat oder dem Bauteil aufgebracht werden kann und wobei die Bauteilaufnahme relativ zur Oberfläche des Pulverbetts verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Vibrationseinrichtung (18) umfasst, mit der das teilweise hergestellte Bauteil (3) und / oder die Bauteilaufnahme vibriert werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationseinrichtung (18) mindestens einen Aktuator zur Erzeugung von Schwingungen und / oder mindestens einen Ultraschallsender umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Absaugeinrichtung (7) umfasst, die insbesondere an einem Schieber (8) zur Aufbringung des Pulvermaterials integriert ist.