DE102016202696A1

DE102016202696A1 - Vorrichtung zur additiven Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen

Info

Publication number: DE102016202696A1
Application number: DE102016202696.8A
Authority: DE
Inventors: Christine Anstätt; Wolfgang Reimann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-02-22
Filing date: 2016-02-22
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2036-02-23
Also published as: DE102016202696B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen, bei der ein Pulverbett schichtweise sukzessive aufgebaut und jede einzelne Schicht mit einem zweidimensional auslenkbaren Energiestrahl so beeinflusst wird, dass eine lokal definierte Verfestigung des jeweils eingesetzten pulverförmigen Werkstoffs durch eine Sinterung oder ein temporäres Schmelzen, mit dem das Pulverbett ausgebildet wird, erreicht wird. Für die Ausbildung der einzelnen mit dem pulverförmigen Werkstoff gebildeten Schichten mit konstanter vorgebbarer Schichtdicke ist mindestens ein Beschichtungselement, das ausgehend von einem Reservoir für den pulverförmigen Werkstoff in einer Achsrichtung parallel und in einem vorgebbaren Abstand zur Oberfläche eines Pulverbettträgers, in dem das Pulverbett sukzessive mit den einzelnen aus dem pulverförmigen Werkstoff gebildeten Schichten aufgenommen ist, bewegbar. Das mindestens eine Beschichtungselement ist während der Bewegung zur Ausbildung jeweils einer Schicht und/oder der Pulverbettträger in Schwingung versetzbar. Allein oder zusätzlich dazu kann durch das mindestens eine Beschichtungselement und/oder den Pulverbettträger eine Gasströmung durch oder auf den pulverförmigen, die gesamte jeweilige Schicht und/oder den das gesamte Pulverbett bildenden Werkstoff, gerichtet sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen. Additive Fertigungsverfahren basieren auf einem schichtweisen Aufbau von Gegenständen. Hierbei können je nach Art des Ausgangswerkstoffes verschiedene Verfahren unterschieden werden. Bei pulverbettbasierten Verfahren sind sphärische Pulver die Ausgangswerkstoffe. Dieser pulverförmige Werkstoff wird in einzelnen Schichten von ca. 30 μm–ca. 50 μm in einem Bauraum verteilt und anschließend mit einem Laser oder Elektronenstrahl verschmolzen oder versintert.
Der flächige schichtweise Pulverauftrag erfolgt üblicherweise mit Hilfe eines Beschichters, der aus einem Rakel, einem Roller oder einer Doppelklinge besteht.
Die bisher versuchten Ansätze finden bei Pulvern mit schlechter Fließfähigkeit keine Anwendung oder sind mit einem erheblich erhöhten Pulververbrauch verbunden. Ursächlich dafür sind Pulveragglomerationen, also Verklumpungen des Pulvers auf Grund von Van-der-Waals-Kräften zwischen den einzelnen Partikeln. Gefördert wird dieses Verhalten unter anderem durch

• eine nicht sphärische Pulverform
• einen zu hohen Feinanteil des Pulvers
• eine zu hohe Feuchtigkeit des Pulvers

Hierdurch ist kein gleichmäßiger Pulverauftrag in einer Schichtebene möglich, wodurch das Verfahren für Pulver die zu diesem Verhalten neigen nicht geeignet ist. Bisher eingesetzte pulverförmige Werkstoffe weisen daher eine hohe Sphärizität und eine kleine Partikelgrößenverteilung auf, wodurch sie sehr kostenintensiv sind und die Herstellungskosten von so hergestellten Bauteilen erheblich erhöhen. Es finden bisher Partikelgrößen im Bereich 45 um bis 65 μm Einsatz. Die einzelnen Partikel sind dabei zumindest nahezu vollständig sphärisch. In der Regel werden Pulver, die durch Verdüsung hergestellt worden sind, für die in Rede stehenden additiven Herstellungsverfahren eingesetzt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Herstellungskosten bei diesen additiven Herstellungsverfahren zu reduzieren, was insbesondere durch die Ermöglichung des Einsatzes kostengünstigerer pulverförmiger Werkstoffe mit geringeren Anforderungen an die Herstellung und Lagerung erreicht werden sollte. Weiterführend sollte es möglich sein, Pulver mit geringerer Korngröße zu verarbeiten, wodurch sich eine geringere Oberlfächenrauheit erreichen lassen würde.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen wird ein Pulverbett schichtweise sukzessive aufgebaut. Dabei wird jede einzelne Schicht mit einem zweidimensional auslenkbaren Energiestrahl so beeinflusst, dass eine lokal definierte Verfestigung des jeweils eingesetzten pulverförmigen Werkstoff, mit dem das Pulverbett ausgebildet wird, durch eine Sinterung oder ein temporäres Schmelzen erreicht wird.
Für die Ausbildung der einzelnen mit dem pulverförmigen Werkstoff gebildeten Schichten mit konstanter vorgebbarer Schichtdicke ist mindestens ein Beschichtungselement vorhanden, das ausgehend von einem Reservoir für den pulverförmigen Werkstoff in einer Achsrichtung parallel und in einem vorgebbaren Abstand zur Oberfläche eines Pulverbettträgers, in dem das Pulverbett sukzessive mit den einzelnen aus dem pulverförmigen Werkstoff gebildeten Schichten aufgenommen ist, bewegbar ist. Durch die parallele Bewegung und Einhaltung dieses Abstandes können die einzelnen Schichten mit konstanter Schichtdicke erhalten werden.
Das mindestens eine eingesetzte Beschichtungselement ist während der Bewegung zur Ausbildung jeweils einer Schicht in Schwingung versetzbar. Dies ist allein oder zusätzlich beim Pulverbettträger möglich. Dabei können Schwingungen in das mindestens ein Beschichtungselement und/oder den Pulverbettträger, in dem das Pulverbett mit den einzelnen Schichten sukzessive aufgebaut wird, eingekoppelt und die Schwingungsbewegung zumindest in die jeweils mit dem Beschichtungselement momentan ausgebildete Schicht übertragen werden, wodurch sich Agglomerate auflösen bzw. trennen lassen.
In weiteren Alternativen, die allein oder zusätzlich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden können, ist durch das mindestens eine Beschichtungselement und/oder den Pulverbettträger eine Gasströmung durch oder auf den pulverförmigen, die gesamte jeweilige Schicht und/oder das gesamte Pulverbett bildenden Werkstoff, gerichtet. Mit der Gasströmung kann eine Fluidisierung des pulverförmigen Werkstoffs mit dem die jeweilige Schicht gebildet wird, erreicht werden, wodurch ebenfalls eine konstante Schichtdicke ohne Agglomerate eingehalten werden kann.
Durch die Vibrationen und/oder die Fluidisierung können pulverförmige Werkstoffe mit reduzierter Qualität und reduzierten Anforderungen an die Sphärizität und Partikelgrößenverteilung verarbeitet werden, die ansonsten nicht geeignet wären.
Als Beschichtungselement kann ein Rakel, eine Rolle oder eine Doppelklinge und als Energiestrahl kann ein Laserstrahl oder Elektronenstrahl eingesetzt werden. Es sind auch ein kombinierter Einsatz von Elektronen- und Laserstrahl möglich.
So kann am Beschichtungselement und/oder am Pulverbettträger jeweils mindestens ein Piezoaktor, mit dem Schwingungen generierbar und in das Beschichtungselement und/oder den Pulverbettträger einkoppelbar sind, vorhanden sein. Dabei können Schwingungen von einem Punkt eingekoppelt und in das Pulver gerichtet werden, so dass sich eine divergente Ausbreitung der Schwingungswellen ergibt. Bei Einsatz mehrerer Schwingungserreger, wie dies insbesondere Piezoaktoren sind, können Schwingungen aus verschiedenen Richtungen gleichzeitig oder alternierend eingekoppelt werden. Dadurch kann es zu Überlagerungen von Wellenfronten und Interferenzeffekten kommen. Interferenzen können aber auch durch reflektierte Wellen hervorgerufen werden.
Schwingungen können beispielsweise in horizontaler oder vertikaler Richtung in Bezug zur Oberfläche der jeweiligen Schicht eingekoppelt werden. Es kann aber auch mit einem Winkel der ungleich 90° zu diesen beiden Richtungen liegt genutzt werden.
Der Einfallswinkel oder die Richtung von Schwingungswellen kann auch während der Ausbildung einer jeweiligen Schicht verändert werden. Dabei kann die Wellenfront einem Beschichtungselement während seiner Vorschubbewegung bei der Ausbildung einer Schicht nachgeführt werden. Hierzu kann beispielsweise ein so genanntes Phased Array, das mit mehreren Piezoaktoren, die einzeln ansteuerbar sind, gebildet ist, eingesetzt werden.
Schwingungen können auch innerhalb eines Frequenzintervalls während der Ausbildung einer Schicht eingesetzt werden. Es können so Schwingungen mit voneinander verschiedenen Frequenzen genutzt werden. Generell sollten Schwingungen im Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 600 Hz eingesetzt werden, unabhängig davon, ob mit konstanter Frequenz oder veränderten Frequenzen gearbeitet wird. Die Amplitude der Schwingungen sollte bis zu 50 μm gewählt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn Schwingungen mit der jeweiligen Resonanzfrequenz einkoppelbar sind. Dies kann die Resonanzfrequenz des jeweiligen Beschichtungselements, des Pulverbettträgers mit dem darin aufgenommen Pulverbett oder die Resonanzfrequenz im Bereich der jeweils auszubildenden Schicht sein. Da sich die Resonanzfrequenz des Pulverbettträgers beim Aufbau des Pulverbetts verändert, kann dies durch Nachjustierung der jeweiligen Frequenz mit der Schwingungen in den Pulverbettträger eingekoppelt werden, durch eine Anpassung der jeweiligen Erregerfrequenz mit der Schwingungen eingekoppelt werden, berücksichtigt werden.
Am Beschichtungselement und/oder dem Pulverbettträger kann/können mindestens eine Öffnung für den Austritt eines Gases, das über eine zentrale Zuführung dem Beschichtungselement und/oder dem Pulverbettträger zuführbar ist, vorhanden sein. Dabei kann eine Öffnung in Form eines entsprechend der Schichtdimensionierung ausgewählten langen Spaltes vorhanden sein. Mehrere Öffnungen sollten bevorzugt äquidistant zueinander angeordnet sein und jeweils eine gleichgroße freie Querschnittsfläche für den Gasaustritt aufweisen, wodurch eine gleichmäßige Gasströmung, was den Volumenstrom und die Strömungsgeschwindigkeit in der Schicht und insbesondere im Bereich der Schicht, der vom jeweiligen Beschichtungselement momentan über die gesamte Breite der Schicht ausgebildet wird, betrifft.
Das Gas mit dem der Gasstrom zur Fluidisierung ausgebildet wird, kann in einem innerhalb des Beschichtungselements ausgebildeten Hohlraum zugeführt werden. Dazu kann das Beschichtungselement bevorzugt doppelwandig ausgebildet sein und der Gasstrom zwischen einer Innenwand und einer Außenwand zu mindestens einer Öffnung geführt werden. Der Gasstrom kann so aus der mindestens einen Öffnung in die jeweilige aus pulverförmigen Werkstoff gebildete Schicht austreten.
Der Volumenstrom des aus der mindestens einen Öffnung austretenden Gasstroms kann gesteuert oder geregelt werden.
Für eine Regelung kann bevorzugt eine Videokamera mit elektronischer Bilderfassung und Auswertung zur Überwachung der jeweils ausgebildeten Schicht vorhanden sein. Damit kann erkannt werden, ob eine ausreichende Fluidisierung im Bereich der momentan ausgebildeten Schicht des Pulverbetts erreicht worden ist oder nicht. Dementsprechend kann der Volumenstrom des austretenden Gasstromes erhöht oder reduziert werden, wodurch sich natürlich auch die Strömungsgeschwindigkeit und die Art der ausgebildeten Strömung zwischen laminar und turbulent beeinflussen lässt.
In einer einfacheren Ausführung kann der Volumenstrom des aus der mindestens einen Öffnung austretenden Gasstromes periodisch gesteuert werden, so dass er zwischen einem Minimum und einem Maximum periodisch verändert werden kann, wodurch die Fluidisierung des pulverförmigen Werkstoffs mit dem die jeweilige Schicht ausgebildet wird, vorteilhaft beeinflusst werden kann.
Mit der Erfindung ist eine großflächige Beschichtung des Bauraumes mit pulverförmigem Werkstoff mit jeweils konstanter Schichtdicke sicher möglich, wobei sich der zusätzliche dafür erforderliche Aufwand in Grenzen hält. Es können die zwischenpartikulären Kräfte der einzelnen Partikel gelöst werden. Es können Werkstoffe mit schlechten Fließeigenschaften, hohem Feinanteil oder nicht-sphärischer pulverförmiger Werkstoff für diese Art der additiven bzw. generativen Herstellung dreidimensionaler Bauteile eingesetzt werden, die vorher zumindest weitestgehend vom Einsatz ausgeschlossen waren. Außerdem kann die Oberflächengüte der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Bauteile verbessert werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielshaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 in schematischer Seitenansicht ein Beispiel einer Vorrichtung mit einem in Schwingung versetzbaren Beschichtungselement und
2 in schematischer Seitenansicht ein Beispiel einer Vorrichtung mit der eine Gasströmung auf eine Schicht eines pulverförmigen Werkstoffs, die auf einem Pulverbett ausgebildet ist, zur Fluidisierung des pulverförmigen Werkstoffs der Schicht gerichtet werden kann.
Vorangestellt soll festgehalten werden, dass die in den 1 und 2 gezeigten Beispiele genauso miteinander kombiniert an einer Vorrichtung gemeinsam eingesetzt werden können, wie dies auch mit im allgemeinen Teil der Beschreibung erläuterten Ausführungsmöglichkeiten der fall ist.
Die 1 zeigt ein in einem nicht dargestellten Pulverbettträger aufgenommenes Pulverbett 2. Auf die Oberfläche des Pulverbetts 2 wird eine Schicht 3 von nicht miteinander verbundenen Partikeln eines pulverförmigen Werkstoffs mit einem Beschichtungselement 1 mit konstanter Schichtdicke ausgebildet, indem ein Rakel, das bei diesem Beispiel als Beschichtungselement 1 eingesetzt ist, ausgehend von einem am äußeren Rand angeordneten Reservoir (nicht dargestellt), in dem der jeweilige pulverförmige Werkstoff vorgehalten wird, bewegt wird. Die in Richtung der Oberfläche des Pulverbetts 2 angeordnete Kante ist in einem vorgebbaren Abstand zur Oberfläche des Pulverbetts 2 bzw. dem Boden des Pulverbettträgers geführt ist. Mit dem Abstand ist die Schichtdicke der auszubildenden Schicht 3 vorgegeben. Diese Kante des Beschichtungselements 1 ist parallel zur Oberfläche des Pulverbetts 2 und der Oberfläche des Pulverbettträgers, auf der das Pulverbett 2 angeordnet ist, ausgerichtet. Das Beschichtungselement 1 wird in die Zeichnungsebene hinein oder heraus bewegt, um die Schicht 3 auszubilden.
Dabei wird das Beschichtungselement 1 mit einem daran befestigten und ebenfalls nicht dargestellten Piezoaktor in Schwingung versetzt. Bei diesem Beispiel wirken die Schwingungen senkrecht, was mit dem Doppelpfeil veranschaulicht ist. Durch die Schwingungen kann ein fließen der Partikel des pulverförmigen Werkstoffs in der Schicht 3 erreicht werden, wodurch eine konstante Schichtdicke der Schicht 3 über die gesamte Fläche erreicht werden kann.
In nicht dargestellter Form können Schwingungen auch allein oder zusätzlich in horizontaler Richtung also parallel zur Oberfläche des Pulverbetts 2 in das Beschichtungselement 1 eingekoppelt werden.
Nach der Ausbildung der Schicht 3 wird ein Laserstrahl zweidimensional so bewegt oder verschwenkt, dass sein Brennfleck eine vorggebare Kontur abfährt, um in der Schicht eine Ebene eines herzustellenden Bauteils durch ein Verschmelzen der Partikel des pulverförmigen Werkstoffs im Einflussbereich des Brennflecks des Laserstrahls zu erreichen. Im Anschluss daran wird erneut eine Schicht, wie oben beschrieben eine neue Schicht 3 ausgebildet und wiederum nachfolgend daran mit dem Laserstrahl entsprechend bearbeitet, bis das Bauteil in dreidimensionaler Form fertig hergestellt ist und der verbliebene nicht verfestigte und verschmolzene pulverförmige Werkstoff entfernt werden kann. Ggf. kann es erforderlich sein, dass Bauteil vom Pulverbettträger mittels eines Trennverfahrens zu entfernen.
Es können Schwingungen im Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 600 Hz eingesetzt werden. Das Beschichtungselement 1 und damit auch die Schicht 3 weisen eine Breite bis zu 250 mm auf. Als pulverförmiger Werkstoff können metallische, keramische und auch Polymere bzw. andere organische Werkstoffe eingesetzt werden.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel sind im Beschichtungselement 1 mehrere Öffnungen 1.1 vorhanden, aus denen ein Gasstrom austreten kann, der durch das Innere des Beschichtungselements 1 den Öffnungen 1.1 zugeführt werden kann. Die Öffnungen 1.1 haben einen Durchmesser von 0,5 mm. Sie sind bei diesem Beispiel in zwei Reihen vertikal übereinander und äquidistant mit einem Abstand von jeweils 1 mm nebeneinander und die beiden Reihen in einem Abstand von 2 mm übereinander angeordnet. Die untere Reihe hat einen Abstand zur in Richtung Pulverbett 2 weisenden Kante des Beschichtungselements 1 von 1 mm.
Ein Gasvolumenstrom wird durch sämtliche Öffnungen 1.1 geführt. Vorteilhaft sind die Bohrungen für die Öffnungen 1.1 schräg geneigt ausgebildet, so dass der Gasstrom in einem entsprechend geneigten Winkel in Richtung auf die auszubildende Schicht 3 gerichtet werden kann.
Der Gasstrom kann im einfachsten Fall mit Luft aber auch mit einem inerten Gas ausgebildet werden.

Claims

Vorrichtung zur additiven Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen, bei der ein Pulverbett (2) schichtweise sukzessive aufgebaut und jede einzelne Schicht mit einem zweidimensional auslenkbaren Energiestrahl so beeinflusst wird, dass eine lokal definierte Verfestigung des jeweils eingesetzten pulverförmigen Werkstoffs durch eine Sinterung oder ein temporäres Schmelzen, mit dem das Pulverbett (2) ausgebildet wird, erreicht wird; wobei für die Ausbildung der einzelnen mit dem pulverförmigen Werkstoff gebildeten Schichten mit konstanter vorgebbarer Schichtdicke mindestens ein Beschichtungselement (1), das ausgehend von einem Reservoir für den pulverförmigen Werkstoff in einer Achsrichtung parallel und in einem vorgebbaren Abstand zur Oberfläche eines Pulverbettträgers, in dem das Pulverbett (2) sukzessive mit den einzelnen aus dem pulverförmigen Werkstoff gebildeten Schichten (3) aufgenommen ist, bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Beschichtungselement (1) während der Bewegung zur Ausbildung jeweils einer Schicht (3) und/oder der Pulverbettträger in Schwingung versetzbar ist/sind und/oder durch das mindestens eine Beschichtungselement (1) und/oder den Pulverbettträger eine Gasströmung durch oder auf den pulverförmigen, die gesamte jeweilige Schicht (3) und/oder den das gesamte Pulverbett bildenden Werkstoff, gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungselement (1) ein Rakel, eine Rolle oder eine Doppelklinge und der Energiestrahl ein Laserstrahl oder Elektronenstrahl ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Beschichtungselement (1) und/oder am Pulverbettträger jeweils mindestens ein Piezoaktor, mit dem Schwingungen generierbar und in das Beschichtungselement (1) und/oder den Pulverbettträger einkoppelbar sind, vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Beschichtungselement (1) und/oder dem Pulverbettträger mindestens eine Öffnung (1.1) für den Austritt eines Gases, das über eine zentrale Zuführung dem Beschichtungselement (1) und/oder dem Pulverbettträger zuführbar ist, vorhanden ist, wobei mehrere Öffnungen (1.1) bevorzugt äquidistant zueinander angeordnet sind und jeweils eine gleiche freie Querschnittsfläche für den Gasaustritt aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in einen innerhalb des Beschichtungselements ausgebildeten Hohlraum zuführbar ist, wobei das Beschichtungselement (1) bevorzugt doppelwandig ausgebildet ist und der Gasstrom zwischen einer Innenwand und einer Außenwand zu mindestens einer Öffnung geführt ist, und der Gasstrom aus der mindestens einen Öffnung in die jeweilige aus pulverförmigen Werkstoff gebildete Schicht austritt oder auf die Schicht (3) gerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des aus der mindestens einen Öffnung austretenden Gasstroms steuerbar oder regelbar ist; wobei für eine Regelung bevorzugt eine Videokamera mit elektronischer Bilderfassung und Auswertung zur Überwachung der jeweils ausgebildeten Schicht vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des aus der mindestens einen Öffnung austretenden Gasstromes periodisch steuerbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Schwingungen innerhalb eines Frequenzintervalls während der Ausbildung einer Schicht eingesetzt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass Schwingungen mit der jeweiligen Resonanzfrequenz einkoppelbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Schwingungen von unterschiedlichen Positionen und/oder mit unterschiedlichen Winkeln oder Richtungen einkoppelbar sind.