-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen bzw. Ausbilden, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils mittels wenigstens eines durch eine Energiestrahlung verfestigbaren Pulvers. Das Bauteil ist hier beispielsweise ein Flugzeugbauteil, wie z. B. ein Schaufelelement eines Flugzeugtriebwerks, beispielsweise eines Turbinenstrahltriebwerks. Grundsätzlich können die Vorrichtung und das Verfahren aber auch für jedes andere Bauteil eingesetzt werden, das mittels eines durch Energiestrahlung verfestigbaren Pulvers herstellbar oder bearbeitbar ist. Das Pulver wird dabei, um verfestigt zu werden, durch die Energiestrahlung gesintert oder geschmolzen.
-
Aus dem Stand der Technik, wie er in der
WO 2008/125497 A1 offenbart ist, ist eine Vorrichtung bekannt, zum direkten Aufbau von Bauteilen aus Hochtemperaturmetallen. Die Vorrichtung weist dabei eine Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung auf, die derart ausgebildet ist, dass sie einen Elektronenstrahl gesteuert durch eine Steuerung eines Computers auf beliebige vordefinierte Positionen eines Pulverbettes richtet. Die Elektronenstrahlvorrichtung ist dabei in einer horizontalen Richtung bzw. in einer X- und Y-Richtung beweglich. Ein Scannen des Elektronenstrahls über die gesamte Fläche einer Teileplattform, auf der ein Bauteil zu erzeugen ist, lässt sich durch bekannte Elektronenstrahlvorrichtungen bei feststehender Strahlenerzeugungsvorrichtung durchführen. Das Pulverbett ist durch die Teileplattform mittels eines Motors auf und ab in einer senkrechten Richtung oder Z-Richtung bewegbar. Dabei ist die Teileplattform durch einen Rahmen gebildet, in dem die Teileplattform so geführt ist, dass in dem Rahmen oberhalb der Teileplattform ein loses Pulver aufgenommen ist. Weiter ist eine Beschichtungseinrichtung vorgesehen, die über das Pulverbett verführbar ist, um eine neue Lage Pulver aufzulegen. Das Pulver mit der Beschichtungseinrichtung befindet sich in einem Raum der evakuierbar ist oder mit einer Gasatmosphäre befüllt werden kann.
-
Bei dieser Vorrichtung muss die Teileplattform verfahren werden. Das hat den Nachteil, dass Bauteile, die auf der Teileplattform aufgebaut werden, häufig raue Oberflächen aufweisen, da die Teileplattform beim schichtweisen Verfahren, nicht immer exakt positioniert werden kann. Das hat zur Folge, dass Bauteilschichten zueinander leicht versetzt sein können, was zu einer rauen Oberfläche führt.
-
Ein sehr großer Nachteil ist, dass durch das Anlagenkonzept der Bauraum begrenzt ist.
-
Des Weiteren ist aus der
DE 100 53 742 C5 eine Vorrichtung zum Sintern, Abtragen und/oder Beschriften eines Werkstücks offenbart. Dabei ist in einem Maschinengehäuse ein Bauraum vorgesehen, in welchem ein Scanner angeordnet ist, in den der Strahl eines Sinter-Lasers eingekoppelt wird. Des Weiteren ist eine höhenverstellbare Werkstückplattform vorgesehen, sowie eine Materialzuführungseinrichtung zum Zuführen von Sinter-Material aus einem Vorratsbehälter. Der Scanner ist dabei nach Art eines Kreuzschlittens an einem motorisch verfahrbaren Scanner-Träger angeordnet zum Bewegen des Scanners in einer horizontalen Richtung oder X- und Y-Richtung über der Werkstückplattform. Der Scanner kann auch entlang einer Z-Achse, d. h. in der Höhe verstellbar, verfahrbar vorgesehen sein. Der Sinter-Laser selbst ist wiederum ortsfest an einem mit einer Kreuzschlittenanordnung der Aufhängung verbundenen Maschinengestell angeordnet. Die Einstrahlung des Strahls des Sinter-Lasers in den Bereich des Scanner-Trägers erfolgt parallel zu Achsen der Aufhängung des Scanner-Trägers und über 90°-Ablenkspiegel zum optischen Eingang des Scanners.
-
Bei der zuvor beschriebenen Vorrichtung ist die Strahlquelle, d. h. hier der Sinter-Laser, selbst fest. Stattdessen ist der Scanner verfahrbar ausgebildet und dazu auf einer Art Kreuzschlitten positioniert.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren bereitzustellen zum Herstellen bzw. Ausbilden, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils mittels eines durch eine Energiestrahlung zu verfestigenden Pulvers.
-
Gemäß der Erfindung werden nun eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausbilden, zum Reparieren und/oder zum Austauschen eines Bauteils bereitgestellt.
-
Genauer gesagt wird eine Vorrichtung bereitgestellt zum Herstellen, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils mittels eines durch eine Energiestrahlung einer Energiestrahlungsquelle verfestigbaren Pulvers, wobei die Vorrichtung eine feststehende Bauplattform mit einem die Bauplattform umgebenden Rahmen zur Aufnahme eines Pulvers auf der Bauplattform aufweist, wobei der Rahmen verfahrbar ausgebildet ist.
-
Die Vorrichtung hat den Vorteil, dass durch die feststehende Bauplattform und den zu der Bauplattform beweglichen Rahmen zum Aufbringen des Pulvers Bauteile mit einer besseren Oberfläche hergestellt werden können. Dadurch, dass die Bauplattform nicht bewegt wird sondern nur der Rahmen, kann das Risiko des Auftretens eines Versatzes bei den verfestigten Pulverschichten vermieden werden. Dadurch kann die Oberfläche des Bauteils verbessert werden.
-
Der Bauraum kann auf diese Weise einfacher vergrößert werden, wodurch größere Bauteile hergestellt werden können.
-
Des Weiteren wird ein Verfahren bereitgestellt, zum Herstellen, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen einer Energiestrahlungsquelle zum Verfestigen eines mittels der Energiestrahlungsquelle verfestigbaren Pulvers;
Bereitstellen einer feststehenden Bauplattform mit einem die Bauplattform umgebenden beweglichen Rahmen zur Aufnahme des Pulvers auf der Bauplattform;
Bewegen des Rahmens derart, dass eine Pulverschicht des Pulvers auf die Bauplattform aufbringbar ist: und
Verfestigen eines Bauteilbereichs der Pulverschicht durch die Energiestrahlungsquelle.
-
Durch das Bewegen des Rahmens und nicht der Bauplattform zum schichtweisen Auftragen des Pulvers und anschließendem Verfestigen des Bauteilbereichs des Pulvers, kann ein Versatz der einzelnen Pulverschichten vermieden und Bauteile mit einer glatteren Oberfläche hergestellt werden.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Energiestrahlung der Energiestrahlungsquelle zumindest in einer Senkrechten (Z-Richtung) einstellbar ist. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen dem Fokus des Energiestrahls, z. B. eines Laserstrahls, so eingestellt werden, dass er auf die jeweilige Pulverschicht trifft, so dass die jeweilige Pulverschicht geeignet in einem Bauteilbereich verfestigt werden kann.
-
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Energiestrahlung der Energiestrahlungsquelle zusätzlich in wenigstens einer oder zwei zusätzlichen Raumrichtungen bzw. in der X- und/oder Y-Richtung beweglich. Dadurch kann der Energiestrahl praktisch parallel oder in einer horizontalen Richtung oder horizontalen Ebene zu dem jeweiligen Pulverbett bewegt werden und dieses im Bauteilbereich verfestigen.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
-
2 ein Diagramm zur Darstellung des Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils gemäß der Erfindung.
-
Die Erfindung ist insbesondere auf das Anwendungsgebiet der generativen Fertigung zur Herstellung von Bauteilen gerichtet. Dazu gehört das sog. Rapid Manufacturing oder auch das sog. Rapid Prototyping. Bei der generativen Fertigung werden Bauteile insbesondere schichtweise durch Materialauftrag aufgebaut. Hierbei wird bei den entsprechenden Verfahren, die als Electron Beam Melting (EBM), LaserCusing, Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM) oder 3D-Printing bekannt sind, der hinzuzufügende oder aufzutragende Werkstoff in Pulverform verarbeitet. Das Pulver wird hierbei insbesondere schichtweise auf eine Bauplattform oder einen Träger aufgetragen. Anschließend wird die Pulverschicht selektiv mittels einer Energiestrahlung verfestigt, wie z. B. eines Laserstrahls oder Elektronenstrahls.
-
Die Verfestigung der jeweiligen Pulverschicht erfolgt dabei normalerweise auf Basis von Geometriedaten des herzustellenden Bauteils. Dabei kann der Bereich der Pulverschicht z. B. abgescannt und der zu der entsprechenden Bauteilschicht gehörende Abschnitt mittels Energiestrahlung verfestigt werden. Durch Einwirken der Energiestrahlung schmilzt oder versintert das Pulver in diesem Bereich. Im Fall des 3D-Printings wird die Pulverschicht verfestigt, indem ein Binder selektiv in die zum Bauteil gehörenden Bereiche eingebracht wird. Anschließend kann die Bauplattform oder der Träger um eine Schichtdicke verfahren, z. B. abgesenkt werden. Daraufhin wird eine neue Pulverschicht darüber aufgetragen und wiederum verfestigt. Auf diese Weise kann Schicht für Schicht das Bauteil, wie beispielsweise ein Schaufelelement oder ein Teil eines Schaufelelements, aufgebaut oder ergänzt werden, z. B. im Falle einer Reparatur.
-
In 1 ist eine schematische Ansicht gezeigt einer Ausführungsform einer Vorrichtung 10 zum Herstellen, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils 12 mittels wenigstens eines durch eine Energiestrahlungsquelle 14 zu verfestigenden Pulvers 16. Das Pulver 16 wird dabei durch die Energiestrahlung 18 der Energiestrahlungsquelle 14 z. B. geschmolzen oder gesintert und so verfestigt. Das Pulver 16 kann dabei aus einem oder mehreren Werkstoffen zusammengesetzt sein, beispielsweise kann das Pulver 16 wenigstens ein Metallpulver, ein Metalllegierungspulver, ein Keramikpulver und/oder auch ein Kunststoffpulver aufweisen, um nur einige Beispiele für das Pulver 16 zu nennen. Die Erfindung ist auf diese Beispiele aber nicht beschränkt. Grundsätzlich kann jedes Pulver 16 aus einem Werkstoff oder einer Werkstoffkombination verwendet werden, das geeignet ist mittels einer Energiestrahlungsquelle, wie z. B. einem Elektronenstrahl oder einem Laserstrahl, verfestigt zu werden. Die Erfindung ist aber auf Laserstrahlen und Elektronenstrahlen als Energiestrahlung 18 nicht beschränkt. Grundsätzlich kann jede andere Energiestrahlungsquelle 14 eingesetzt werden, die geeignet ist, ein zugeordnetes Pulver zu verfestigen.
-
Wie in 1 der schematischen Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung 10 gezeigt ist, weist die Vorrichtung 10 eine Bauplattform 20 oder einen Träger auf, auf welchem wenigstens ein Bauteil 12 ausgebildet wird. Die Bauplattform 20 oder der Träger ist dabei fest und z. B. durch einen Rahmen 22 begrenzt, so dass ein Pulver 16 darin aufgenommen werden kann. Im Gegensatz zu der Bauplattform 20 welche nicht bewegt wird bzw. feststehend ausgebildet ist, ist der Rahmen 22 beweglich gestaltet. Das bedeutet, dass der Rahmen 22 auf und ab bzw. in Z-Richtung verfahrbar in 1 ausgebildet ist. Der Rahmen 22 wird also entlang der feststehenden Bauplattform 20 auf und ab bewegt, so dass die Bauplattform 20 über eine Beschichtungseinrichtung 24 mit einem Pulver 16 beschichtet werden kann. Als Beschichtungseinrichtung 24 kann dabei beispielsweise eine Abstreifervorrichtung, wie in 1 gezeigt ist, ein Rakel und/oder wenigstens eine Pulverzuführdüse usw. vorgesehen werden.
-
In 1 wird nun wenigstens ein Bauteil 12 aus mehreren Pulverschichten aufgebaut. Zum Auftragen der jeweiligen Pulverschicht 16 mittels der Beschichtungseinrichtung 24 wird nun der Rahmen 22 jeweils nach oben bewegt, so dass eine entsprechende Pulverschicht auf die Bauplattform 20 aufgebracht werden kann. Anschließend wird die Pulverschicht in den Bauteilbereichen mittels der Energiestrahlungsquelle verfestigt. Dann fährt der Rahmen 22 jeweils wieder ein Stück nach oben in 1, so dass die nächste Pulverschicht auf die Bauplattform 20 bzw. die vorherige teilweise nun verfestigte Pulverschicht aufgebracht und anschließend in den Bauteilbereichen ebenfalls mittels der Energiestrahlungsquelle 14 verfestigt werden kann. Indem die Bauplattform 20 fest, d. h. nicht bewegt wird, sondern stattdessen der die Bauplattform 20 umschließende Rahmen 22, kann ein Bauteil 12 mit einer höheren Genauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit hergestellt werden. Dies liegt daran, dass die Bauplattform 20 fest ist und so kein Versatz wie beim Bewegen der Bauplattform zur Bereitstellung der Pulverschichten im Stand der Technik entstehen kann. Die Bewegung des Rahmens ist deutlich unkritischer.
-
Zum Verfestigen der jeweiligen Pulverschicht in ausgewählten Bereichen, hier den Bauteilbereichen, wird der Energiestrahl 18 der Energiestrahlungsquelle 14, z. B. eines Lasers in 1, entsprechend angepasst. Das bedeutet, dass der Abstand des Lasers bzw. dessen Fokus von dem Pulverbett, das in Bereichen durch ihn verfestigt werden soll, eingestellt wird, so dass z. B. der Fokus des Laserstrahls möglichst optimal oder genau auf die Oberfläche des zu verfestigenden Bereichs trifft. Dazu sind z. B. die Energiestrahlungsquelle 14 und/oder wenigstens ein Teil eines optischen Strahlführungssystems (nicht dargestellt) zur Führung eines Energiestrahls der Energiestrahlungsquelle 14 beweglich ausgebildet, insbesondere in Z-Richtung. Des Weiteren kann z. B. die Energiestrahlungsquelle 14 und/oder wenigstens ein Teil des optischen Strahlführungssystem neben der Beweglichkeit in Z-Richtung auch in X-Richtung und/oder Y-Richtung verfahrbar ausgebildet sein.
-
Dazu kann z. B. die Energiestrahlungsquelle
14 vergleichbar dem Scanner in der zuvor mit Bezug auf den Stand der Technik beschriebenen
DE 100 53 742 C5 auf einem Kreuzschlitten als Verstelleinrichtung
26 angeordnet sein, welche in X-Richtung, Y-Richtung und Z-Richtung verfahrbar bzw. beweglich ist. Das gilt auch für das Strahlführungssystem oder Teile des Strahlführungssystems. Ebenso kann z. B. die Energiestrahlungsquelle
14 und/oder wenigstens ein Teil des Strahlführungssystems auch auf einem Roboter oder einem Roboterarm, wie in
1 angedeutet, als Verstelleinrichtung
26 angeordnet sein, welcher in Z-Richtung beweglich ist und wahlweise zusätzlich in X-Richtung und/oder Y-Richtung, wie in
1 gezeigt. Die Erfindung ist aber auf die beiden genannten Beispiele als Verstelleinrichtungen
26 zur beweglichen Anordnung der Energiestrahlungsquelle
14 und/oder wenigstens eines Teils eines optischen Strahlführungssystems für den Energiestrahl nicht beschränkt.
-
Da die Bauplattform 20 selbst fest ist, muss nicht unbedingt ein Scanner vorgesehen werden, zum Scannen der Pulverschicht. Stattdessen können die Position der Bauplattform 20 und der Daten oder dreidimensionalen Daten des jeweils herzustellenden Bauteils 12 auf der Bauteilplattform 20 vorgegeben oder vorab gespeichert sein, so dass die Pulverschicht auf der feststehenden Bauplattform 20 nicht zusätzlich abgescannt werden muss. Stattdessen werden ausreichend geeignete Daten bereitgestellt, z. B. über einen an die Verstelleinrichtung 26 angeschlossenen Computer 30, welcher die Verstelleinrichtung 26 und die Betätigung der Energiestrahlungsquelle 14 zum Verfestigen des Pulvers der entsprechenden Pulverschicht und/oder des Strahlführungssystems in vorbestimmten Bauteilbereichen steuert.
-
Grundsätzlich kann aber auch ein zusätzlicher Scanner 28 vorgesehen werden, wie in 1 mit einer gestrichelten Linie angedeutet ist, welcher z. B. mit der Energiestrahlungsquelle 14 und/oder einem optischen Strahlführungssystem koppelbar ist und ebenfalls auf der Verstelleinrichtung beweglich bzw. verfahrbar vorgesehen werden kann.
-
Wie in 1 gezeigt ist, kann die Bauplattform 20 mit dem beweglichen Rahmen 22, die Energiestrahlungsquelle 14 und wahlweise zusätzlich der Scanner 28 in einer Prozesskammer 32 angeordnet sein. Die Prozesskammer 32 in 1 kann wahlweise zusätzlich evakuierbar und/oder mit Gas z. B. einer Edelgasatmosphäre befüllbar ausgebildet sein, je nach Funktion und Einsatzzweck. Ebenso kann die Prozesskammer 32 je nach Funktion und Einsatzzweck auch entfallen.
-
Neben einem Strahl 18, welcher z. B. über ein optisches Strahlführungssystem beispielsweise aus Spiegeln und/oder Linsen geführt wird, kann auch beispielsweise wenigstens ein Lichtwellenleiter, z. B. wenigstens eine Glasfaser, vorgesehen werden, welcher einen Lichtstrahl leitet und wobei der wenigstens eine Lichtwellenleiter mit der Verstelleinrichtung entsprechend verbunden oder koppelbar sein, zum Verfestigen des Pulvers.
-
In 2 ist ein Diagramm zur Darstellung des Verfahrens zum Herstellen, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils gemäß der Erfindung gezeigt.
-
Gemäß der Erfindung wird eine feststehende Bauteilplattform mit einem sie umgebenden beweglichen Rahmen bereitgestellt. Dabei wird der Rahmen in eine Position gefahren (Schritt S1) in welcher eine Pulverschicht auf die Bauteilplattform über eine Beschichtungseinrichtung aufgetragen wird. Der Energiestrahl der Energiestrahlungsquelle wird so eingestellt, dass er die aufgetragene Pulverschicht in vorbestimmten Bauteilbereichen verfestigt. Dazu wird beispielsweise die Energiestrahlungsquelle über eine Verstelleinrichtung entsprechend in Z-Richtung positioniert (Schritt S2). Über die Energiestrahlungsquelle wird dann das Pulver in den Bauteilbereichen verfestigt (Schritt S3). Wie zuvor beschrieben ist zur Positionierung des Energiestrahls relativ zu der jeweils aufgetragenen Pulverschicht, die Energiestrahlungsquelle, ein Teil der Energiestrahlungsquelle, wenigstens ein Teil eines optischen Strahlführungssystems für einen Energiestrahl und/oder wenigstens ein Lichtwellenleiter zum Leiten eines Energiestrahls relativ zu dem Pulverbett auf und ab bzw. in Z-Richtung bewegbar ausgebildet oder angeordnet. Auf diese Weise kann der Energiestrahl geeignet eingestellt werden, um das Pulverbett zu verfestigen. Beispielsweise kann ein Laserstrahl mit seinem Focus so eingestellt werden, dass er mit seinem Focus immer auf das Pulverbett trifft und so das Pulver geeignet verfestigt.
-
Die bewegliche Strahlenquelle (d. h. Energiestrahlungsquelle, Strahlführungssystem oder Lichtleiter) hat den Vorteil, dass sie die Flexibilität erhöht und außerdem einen vergrößerten Bauraum ermöglicht. So kann die Anlageflexibilität gesteigert werden. Große Bauräume können dabei für viele und/oder große Bauteil vorgesehen werden mit einer oder mehreren Bauteilplattformen und rahmen. Des Weiteren können kleine Bauräume für die wirtschaftliche Herstellung von Kleinteilen benutzt werden. Zwei Varianten einer beweglichen Strahlenquelle sind insbesondere von Bedeutung. Eine Beweglichkeit nur in Z-Richtung erlaubt die Steigerung der Bauhöhe. Eine Beweglichkeit in alle Raumrichtungen, d. h. X-, Y- und Z-Richtung erlaubt eine Vergrößerung des Bauraums in allen Dimensionen. Außerdem kann mit einem solchen Anlagekonzept eine Energiestrahlungsquelle für mehrere Bauräume genutzt werden. Auf diese Weise kann der Nachteil der langen Abkühlvorgänge, welche bisweilen länger sein können als die Herstellung selbst, z. B. bei der Elektronenstrahltechnik neutralisiert oder zumindest reduziert werden.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere sind die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale davon.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Vorrichtung
- 12
- Bauteil
- 14
- Energiestrahlungsquelle
- 16
- Pulver
- 18
- Energiestrahlung
- 20
- Bauplattform
- 22
- Rahmen
- 24
- Beschichtungseinrichtung
- 26
- Verstelleinrichtung
- 28
- Scanner
- 30
- Computer
- 32
- Prozeßkammer
-
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 2008/125497 A1 [0002]
- DE 10053742 C5 [0005, 0026]