DE102014222307A1

DE102014222307A1 - SLM Prozesskammer mit Argonkomplettflutung, Überlauf und Sauerstoffpartialdruckkontrolle

Info

Publication number: DE102014222307A1
Application number: DE102014222307.5A
Authority: DE
Inventors: Nikolai Arjakine; Karsten Klein; Stephan Lorenz; Jan Münzer; Michael Ott; Sebastian Piegert; Tristan Sczepurek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2016-05-04

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils durch Selektives Laserschmelzen bereitgestellt, wobei das Herstellen in einer Baukammer unter einer vollständigen Schutzgasatmosphäre stattfindet. Es wird weiterhin eine Baukammer zur Durchführung des Verfahrens bereitgestellt, in der Verluste der Schutzgasatmosphäre permanent verfolgt und ausgeglichen werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern durch Selektives Laserschmelzen unter einer Schutzgasatmosphäre, und eine Baukammer für die Durchführung des Verfahrens.
Das Selektive Laserschmelzen (selective laser melting, SLM) und das ähnliche Selektive Lasersintern sind relativ neue Methoden zum schnellen Herstellen von einzelnen Bauteilen bzw. Formkörpern. Dabei wird der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform in einer Schicht auf einer Plattform oder einer Materialschicht aufgebracht. Die Pulverteilchen werden mittels Laserstrahlung auf vorgegebene Bereiche lokal vollständig umgeschmolzen. Durch das Verschmelzen der Pulverteilchen werden die Pulverteilchen auch mit einer darunterliegenden Schicht verschmolzen. Schicht um Schicht wird ein Formkörper auf diese Weise hergestellt. Durch SLM können in relativ kurzer Zeit Prototypen hergestellt werden, darum wird es auch als Rapid Prototyping bezeichnet. Weiterhin können durch die große Geometriefreiheit des SLM Bauteile hergestellt werden, die mit formgebundenen Verfahren nicht oder nur mit großem Aufwand herstellbar sind.
Ein häufig auftretendes Problem beim SLM sind Defekte, die an der Grenzfläche zwischen einzelnen Schichten auftreten. Solche Defekte haben typischerweise eine zweidimensionale Ausdehnung. Die Größe der Defekte liegt dabei deutlich unter der Nachweisegrenze konventioneller, nicht zerstörender Prüfverfahren. Dennoch sind diese Defekte relevant für die Festigkeit von durch SLM hergestellten Formkörpern.
Eine wesentliche Ursache solcher Defekte ist eine ungenügende Bedeckung der bearbeiteten Fläche des Bauteils mit einem Schutzgas. Ohne ausreichende Schutzgasbedeckung kann das Material des herzustellenden Werkstücks, besonders der aktuellen Oberfläche des gerade im Prozess der Herstellung durch Selektives Laserschmelzen befindlichen Formteils, mit Stickstoff, Sauerstoff und Feuchtigkeit der Luft in Kontakt treten bzw. diese aufnehmen, wodurch es zu Oxidation, Einschlüssen und Porenbildung kommen kann, und damit zu minderwertigen Produkten.
Möglichkeiten, Defekte zu verringern, könnten z.B. eine Onlineprozesskontrolle sein, die bereits während des Aufbaus der einzelnen Schichten Fehler erkennt, oder eine Prozessführung in stabilen Beharrungszuständen, die ein Auftreten von Fehlern vor vornherein vermeidet. Möglichkeiten der Defektvermeidung sind besonders Ansätze zur Verbesserung der Schutzgasbedeckung, z.B. durch eine verbesserte Anordnung der Schutzgaseinleitung oder der -absaugung von Prozessemissionen. Eine ausreichende Optimierung der Schutzgasabdeckung ist bis jedoch bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht gelungen.
Es besteht darum die Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, die den Kontakt der aktuellen Oberfläche eines Formteils während des SLM mit der Atmosphäre vollständig unterbindet. Es besteht weiterhin die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst, die zweite Aufgabe durch den Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils durch Selektives Laserschmelzen mit den Schritten

S1) Bereitstellen einer Bauplattform in einer Baukammer,
S2) Aufbringen eines pulverförmigen Materials in einer bestimmten Menge auf der Bauplattform,
S3) Verteilen des Materials über die Bauplattform,
S4) Lokales Verschmelzen des pulverförmigen Materials durch Wirkung eines Laserstrahls,
S5) Absenken der Plattform,

Vorzugsweise wird Argon als Schutzgas verwendet. Argon ist vorteilhaft, weil es schwerer ist als Luft, dadurch auch unter eventuell vorhandene Luft sinkt und diese ggf. auch verdrängt und damit Luft, besonders unerwünschten, gelösten Stickstoff auf der Schmelze entfernt. Weiterhin ist Argon im Vergleich zu anderen Edelgasen preiswert. Überschüssiges Argon kann weiterhin vorteilhafterweise Spalte in der Baukammer und einer Einhausung der Baukammer als sogenanntes ausströmendes Leckgas abdichten und verhindert so ein Eindringen von Luft.
Vorzugsweise liegt der Druck des Schutzgases in der Baukammer über dem der Außenatmosphäre, wodurch vorteilhafterweise ein Eindringen von Luft in die Baukammer zusätzlich vermieden wird. Dabei herrscht idealerweise ein leichter Überdruck des Schutzgases zur Außenatmosphäre. Überschüssiges Schutzgas kann durch Überläufe in der Wandung der Baukammer ausströmen. Vorzugsweise wird der Druck des Schutzgases in der Baukammer dabei durch Einleiten von frischem Schutzgas entsprechend den entfernten Mengen konstant gehalten.
Bevorzugt werden Prozessemissionen während des Prozesses des Herstellens durch Absaugen aus der Baukammer entfernt. Die Entfernung ist vorteilhaft, weil die Emissionen eine Wolke über dem zu bestrahlenden Formteil bilden können, die einen Teil Laserenergie absorbieren würde, bevor diese auf das Material trifft.
Durch Überdruck des Schutzgases, Absaugung von Prozessemissionen, Leckgas, überlaufendes Schutzgas und entsprechendes Einleiten von frischem Schutzgas zum Ausgleich der Verluste wird die Schutzgasatmosphäre permanent erneuert. Vorteilhafterweise muss dabei nicht auf sehr aufwändige und kostspielige Vakuumtechnik zurückgegriffen werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn abgesaugtes Schutzgas wiederverwendet wird. Dies ist besonders im Falle der Verwendung von Argon möglich, da dieses schwerer ist als Luft und selbst bei in die Baukammer eingedrungener Luft in den unteren Bereichen der Baukammer zu finden ist. Überschüssiges Argon kann damit vorteilhaft am Boden der Baukammer abgesaugt werden und bei Bedarf wiederverwendet werden.
Vorzugsweise wird in der Baukammer der Sauerstoff- und Stickstoffpartialdruck durch entsprechende Drucksensoren gemessen. Dadurch wird vorteilhafterweise das Vorhandensein und die Menge von Sauerstoff und/oder Stickstoff in der Baukammer erfasst. Auf der Basis der Signale der Drucksensoren wird vorteilhafterweise die notwendige Menge des zuströmenden Schutzgases berechnet und geregelt. Die Berechnung und Regelung der notwendigen Menge des zuströmenden Schutzgases kann durch eine Steuereinrichtung durchgeführt werden.
Vorzugsweise weist das im erfindungsgemäßen Verfahren geschmolzene pulverförmige Material ein Metall auf. Vorteilhafterweise lassen sich Metalle leicht in Pulver verarbeiten und durch Schmelzen wieder in kompakte Formen bringen. Metalle sind dabei für viele technische Bauteile geeignete Werkstoffe, z.B. für Turbinenschaufeln. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn das pulverförmige Material aus einer Metalllegierung besteht.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Baukammer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, d.h. eines Verfahrens zum Herstellen eines Formteils durch SLM in den o.g. Schritten unter vollständiger Flutung der Baukammer, umfassend eine Wandung, eine Bauplattform, mindestens einen Laser, mindestens einen rotierenden Spiegel, mindestens eine Schutzgaszuführung und mindestens eine Schutzgasableitung, wobei in der Baukammer Sauerstoff- und Stickstoffpartialdrucksensoren angeordnet sind. Die Vorteile der Baukammer entsprechen dabei denen des Verfahrens.
Es ist bevorzugt, wenn die Baukammer zusätzlich eine Einrichtung umfasst, die ausgebildet ist, ein Schutzgas in der Baukammer zu verteilen. Dadurch kann das Schutzgas vorteilhafterweise in der Baukammer gleichmäßig verteilt werden. Die Einrichtung kann z.B. ein Ringrohrsystem sein.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen
1 eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Baukammer zum Herstellen eines Formteils durch Selektives Laserschmelzen.
2 eine beispielhafte Anordnung einer Vorrichtung zum Herstellen eines Formteils durch Selektives Laserschmelzen.
3 ein Fließdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der beispielhaften Anordnung von 1 umfasst die Baukammer 1 zum Herstellen eines Formteils durch Selektives Laserschmelzen (SLM) eine Wandung 2, eine Bauplattform 3, mindestens einen Laser 4, mindestens einen rotierbaren Spiegel 5 (gezeigt in 2), mindestens eine Schutzgaszuführung 6 und mindestens einen Schutzgasüberlauf 7. Weiterhin sind in der Baukammer Sauerstoff- 9 und Stickstoffpartialdrucksensoren 10 angeordnet. Auf der Bauplattform 3 wird ein pulverförmiges Material 11 unter Bildung eines Pulverbetts 11 aufgebracht und verteilt, welches durch die Wirkung von durch den Laser 4 abgestrahlten Laserstrahlen 41 an vorgegebenen Stellen geschmolzen wird und dort nach der folgenden Verfestigung des Materials feste Konturen eines herzustellenden Formteils 12 bildet. Der Laser 4 wird durch idealerweise durch eine Steuereinrichtung (nicht gezeigt) gelenkt. Die Laserstrahlen 41 sind dabei durch die rotierbaren Spiegel 5 auf die zu schmelzenden Stellen lenkbar. Über ein Ringrohrsystem 13 ist Schutzgas in den Innenraum der Baukammer 8 einleitbar, wobei das Ringrohrsystem 13 ein Einleiten des Schutzgases an verschiedenen Stellen ermöglicht. Alternativ ist auch in System von Schlitzen in der Wandung der Baukammer 2 möglich, über die Schutzgas in den Innenraum der Baukammer 8 an verschiedenen Stellen einleiten kann.
In der beispielhaft gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der Darstellung von 3 wird ein Formteil durch SLM in den Schritten S1–S5 hergestellt. In Schritt S1 wird dazu die Bauplattform 3 in der Baukammer 1 bereitgestellt. Auf der Bauplattform 3 wird in Schritt S2 pulverförmiges Material, das bevorzugt ein Metall oder eine Metalllegierung aufweist, von einem Vorratsbehälter (nicht gezeigt) mittels einer Verteileinrichtung (nicht gezeigt) in einer Menge aufgebracht, die für die Bildung einer Schicht adäquat ist. In Schritt S3 wird das aufgebrachte Material 11 auf der Bauplattform 3 durch die Verteileinrichtung verteilt, so dass es eine Schicht in einer Stärke bildet, die sich entsprechend der gewünschten Kontur durch Laserstrahlen gut schmelzen lässt. Bevorzugte Schichtstärken sind dabei 20–100 µm. Spätestens zu diesem Zeitpunkt wird die Baukammer 1 im ersten Zyklus, d.h. während des ersten Durchführens der Schritte S1–S5, mit Schutzgas geflutet. Sie kann aber auch bereits vorher mit Schutzgas geflutet werden. In den Wiederholungen der Schritte S1–S5 ist bereits Schutzgas in der Baumkammer 1 vorhanden. Verluste an Schutzgas, z.B. durch Absaugen von Prozessemissionen und durch Entweichen über den Schutzgasüberlauf 7 oder durch Spalte in der Baukammer 1 und einer Einhausung der Baukammer (nicht gezeigt), werden durch Einleitung neuen Schutzgases über die Schutzgaszuführung 6 ausgeglichen.
In Schritt S4 erfolgt ein lokales Verschmelzen pulverförmigen Materials 11 durch Wirkung eines oder mehrerer Laserstrahlen 41, die durch den Laser 4 erzeugt werden und mittels rotierbarer Spiegel 5 software-gesteuert so über die Bauplattform 3 geführt werden, dass die gewünschten Konturen des herzustellenden Formteils 12 entstehen.
Der pulverförmige Werkstoff wird an den Stellen der einwirkenden Laserstrahlung 41 vollständig umgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht des herzustellenden Formteils 12. Dabei verschmilzt die gebildete Materialschicht auch mit einer darunterliegenden, zuvor auf gleiche Weise hergestellten Schicht. In Schritt S5 wird die Bauplattform 3 um eine Schichtstärke abgesenkt und die Schritte S2–S5 so lange wiederholt, bis das herzustellende Bauteil 12 fertiggestellt ist. Mit anderen Worten erzeugen die auftreffenden Laserstrahlen 41 nach einem vorgegebenen Muster die Konturen des Formteils 12 Schicht für Schicht. Für einen Fachmann naheliegende Abwandlungen und Änderungen der Erfindung fallen unter den Schutzumfang der Patentansprüche.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Formteils durch Selektives Laserschmelzen mit den Schritten S1) Bereitstellen einer Bauplattform in einer Baukammer, S2) Aufbringen eines pulverförmigen Materials in einer bestimmten Menge auf der Bauplattform, S3) Verteilen des Materials über die Bauplattform, S4) Lokales Verschmelzen des pulverförmigen Materials durch Wirkung eines Laserstrahls, S5) Absenken der Plattform, wobei die Schritte S2–S5 in einer Anzahl wiederholt werden, wie zum Fertigstellen des Formteils notwendig sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Baukammer vollständig mit einem Schutzgas geflutet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Schutzgas Argon verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Druck des Schutzgases in der Baukammer über dem der Außenatmosphäre liegt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Prozessemissionen durch Absaugen aus der Baukammer entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Druck des Schutzgases in der Baukammer durch Zuströmen von Schutzgas entsprechend den entfernten Mengen konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sauerstoff- und Stickstoffpartialdruck durch Sensoren gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die notwendige Menge des zuströmenden Schutzgases mit Hilfe von Signalen der Drucksensoren ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei abgesaugtes Schutzgas wiederverwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das pulverförmige Material ein Metall aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das pulverförmige Material aus einer Metalllegierung besteht.
Baukammer (1) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend eine Wandung (2), eine Bauplattform (3), mindestens einen Laser (4), mindestens einen rotierenden Spiegel (5), mindestens eine Schutzgaszuführung (6) und mindestens einen Schutzgasüberlauf (7), dadurch gekennzeichnet, dass die in der Baukammer Sauerstoff- (9) und Stickstoffpartialdrucksensoren (10) angeordnet sind
Baukammer (1) nach Anspruch 11, die zusätzlich eine Einrichtung umfasst, die ausgebildet ist, ein Schutzgas in der Baukammer (1) zu verteilen.
Baukammer (1) nach Anspruch 12, bei der die Einrichtung ein Ringrohrsystem (13) ist.