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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial.
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Bei einem solchen Verfahren wird das Pulvermaterial sukzessive Pulvermaterialschicht für Pulvermaterialschicht in einem Arbeitsbereich angeordnet. Pulvermaterialschichten des Pulvermaterials werden jeweils lokal selektiv mit mindestens einem Energiestrahl bestrahlt, um das Pulvermaterial mittels des Energiestrahls in dem Arbeitsbereich selektiv lokal zu verfestigen und damit das Bauteil schichtweise herzustellen. Über dem Arbeitsbereich wird eine Schutzgasströmung mit einer bestimmten Schutzgas-Strömungsrichtung erzeugt. Der mindestens eine Energiestrahl wird in den Pulvermaterialschichten zumindest bereichsweise in Form von entlang einer Abtastrichtung kollinear zueinander orientierten Vektoren verlagert, die entlang einer Vorschubrichtung nebeneinander angeordnet werden. Ein Vorschubwinkel, den die Vorschubrichtung mit der Schutzgas-Strömungsrichtung einschließt, wird dabei in einem vorbestimmten Nutz-Winkelbereich gewählt, um zu vermeiden, dass der Energiestrahl mit einer Schadstoffwolke aus beispielsweise Schmutzpartikeln, Rauch oder Schmauch interagiert, die ansonsten durch die Schutzgasströmung in den Bereich des Energiestrahls eingetragen werden könnte. Dabei soll insbesondere verhindert werden, dass der Energiestrahl durch die Schadstoffwolke in unvorhersehbarer Weise gestreut und/oder abgeschwächt wird, was die Qualität des entstehenden Bauteils mindern kann. Weiterhin soll vermieden werden, dass der Energiestrahl auf einen Ort der Pulvermaterialschicht trifft, an dem sich Schadstoffe abgesetzt haben, die von einem anderen Ort - insbesondere aufgrund der Schutzgasströmung - eingetragen wurden. Der Nutz-Winkelbereich schließt daher insbesondere solche Vorschubwinkel aus, bei denen sich die entsprechenden Nachteile - im Folgenden kurz als „Schadstoff-Problematik“ bezeichnet - zumindest mit einiger Wahrscheinlichkeit verwirklichen könnten. Insbesondere wird ein vorbestimmter Sperr-Winkelbereich für den Vorschubwinkel vermieden. Zugleich hat sich aber herausgestellt, dass es mit Blick auf die Qualität des entstehenden Bauteils, insbesondere auf dessen mechanische Eigenschaften wie Bruchfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung, nicht günstig ist, wenn der Vorschubwinkel für alle Pulvermaterialschichten gleich ist. Daher wird der Vorschubwinkel, den die Vorschubrichtung mit der Schutzgas-Strömungsrichtung einschließt, zwischen den Pulvermaterialschichten verändert. Während ein eng gewählter Nutz-Winkelbereich günstig ist, um die mit einer möglichen Interaktion mit Schadstoffen verbundenen Nachteile wirksam zu vermeiden, hat sich weiter herausgestellt, dass insbesondere die mechanischen Eigenschaften, insbesondere Bruchfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung, des entstehenden Bauteils bei Auswahl des Vorschubwinkel aus einem engen Nutz-Winkelbereich reduziert sein können, wobei insbesondere die mechanischen Eigenschaften des entstehenden Bauteils stark von dessen Orientierung in dem Pulvermaterial und insbesondere auch innerhalb der einzelnen Pulvermaterialschichten abhängen. Dies ist gerade aus Gründen der Reproduzierbarkeit nachteilig, da im Allgemeinen die Orientierung des entstehenden Bauteils im Pulvermaterial abhängig von anderen Kriterien wie beispielsweise der Effizienz des Verfahrens, der Anzahl der in dem Arbeitsbereich herzustellenden Bauteile sowie gegebenenfalls weiterer Kriterien, frei wählbar sein soll.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest reduziert sind, vorzugsweise nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial geschaffen wird, bei dem der Vorschubwinkel derart gewählt wird, dass er für eine Mehrzahl der Pulvermaterialschichten in einem vorbestimmten Nutz-Winkelbereich liegt, in dem die Vorschubrichtung zumindest komponentenweise entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist, wobei zugleich die Vorschubrichtung mit einer Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung einen Winkel einschließt, der größer als ein vorbestimmter Vorschub-Grenzwinkel ist, wobei der Vorschubwinkel für eine Minderzahl der Pulvermaterialschichten in einem vorbestimmten Sperr-Winkelbereich außerhalb des Nutz-Winkelbereichs liegt. Auf diese Weise gelingt es vorteilhaft, Bauteile mit reproduzierbaren mechanischen Eigenschaften herzustellen, wobei diese insbesondere in deutlich verringertem Maß oder gar nicht mehr von der Orientierung des hergestellten Bauteils im Pulvermaterial und insbesondere relativ zu der Schutzgas-Strömungsrichtung abhängen. Dies gelingt insbesondere, indem ein größerer Bereich an Winkeln für die Vorschubrichtung zugänglich gemacht wird, als wenn ausschließlich der vorbestimmte Nutz-Winkelbereich genutzt würde. Da der Vorschubwinkel nur für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten in dem Sperr-Winkelbereich gewählt wird, ergibt sich keine oder zumindest keine relevante Beeinträchtigung der Bauteilqualität aufgrund der oben diskutierten Schadstoff-Problematik. Zugleich kann der Nutz-Winkelbereich vorteilhaft eng gewählt werden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Vorschubwinkel gewählt, indem die Schutzgas-Strömungsrichtung konstant gehalten wird, wobei eine Scannervorrichtung zur Verlagerung des Energiestrahls innerhalb des Arbeitsbereichs geeignet - das heißt mit bestimmter Vorschubrichtung - angesteuert wird, um die Vorschubrichtung und damit den Vorschubwinkel zu wählen. Die Vorschubrichtung wird also bei konstanter Schutzgas-Strömungsrichtung verändert, um den Vorschubwinkel einzustellen, insbesondere zu verändern. In einer anderen, alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird der Vorschubwinkel gewählt, indem die Vorschubrichtung konstant gehalten wird, wobei die Schutzgas-Strömungsrichtung verändert wird, um den Vorschubwinkel einzustellen, insbesondere zu verändern. In einer weiteren, alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird der Vorschubwinkel gewählt, indem die Vorschubrichtung und die Schutzgas-Strömungsrichtung jeweils verändert und aufeinander abgestimmt werden, um den Vorschubwinkel einzustellen, insbesondere zu verändern.
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Die Abtastrichtung steht insbesondere in einer durch den Arbeitsbereich definierten Ebene, das heißt in einer Pulvermaterialschicht, senkrecht auf der Vorschubrichtung.
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Dass der Vorschubwinkel zwischen den Pulvermaterialschichten verändert wird, bedeutet im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere, dass der Vorschubwinkel nicht über alle Pulvermaterialschichten des herzustellenden Bauteils gleich ist. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Vorschubwinkel von Schicht zu Schicht geändert. Es ist aber auch eine Ausführungsform des Verfahrens möglich, bei welcher der Vorschubwinkel über einige Schichten konstant gehalten wird, wobei er insbesondere zwischen Gruppen von Schichten verändert werden kann.
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Unter einer Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung wird eine Achse oder Richtung verstanden, die in einer durch den Arbeitsbereich definierten Ebene, das heißt in einer Pulvermaterialschicht, senkrecht auf der Schutzgas-Strömungsrichtung steht.
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Der Nutz-Winkelbereich ist insbesondere ein Winkelbereich, in dem die oben diskutierte Schadstoff-Problematik nicht auftritt, da die Vorschubrichtung zumindest komponentenweise entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Dies bedeutet wiederum, dass die Vorschubrichtung bei vektorieller Zerlegung in der durch den Arbeitsbereich definierten Ebene, das heißt in einer Pulvermaterialschicht, zumindest eine Vektorkomponente aufweist, die antiparallel zu der Schutzgas-Strömungsrichtung orientiert ist. Indem vorteilhaft zugleich die Vorschubrichtung mit der Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung einen Winkel einschließt, der größer als der vorbestimmte Vorschub-Grenzwinkel ist, wird die Schadstoff-Problematik besonders effektiv vermieden. Insbesondere wird hierdurch gewährleistet, dass die Abtastrichtung, das heißt die Richtung der senkrecht auf der Vorschubrichtung stehenden Vektoren, einen Winkel mit der Schutzgas-Strömungsrichtung einschließt, der größer ist als der vorbestimmte Vorschub-Grenzwinkel. Dies bedeutet, dass die Vektoren innerhalb des Nutz-Winkelbereichs in keinem Fall exakt parallel oder antiparallel zu der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet sind. Insbesondere ist der Nutz-Winkelbereich ein für die Vorschubrichtung erlaubter Winkelbereich.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Vorschub-Grenzwinkel zu 20°, oder zu 22,5°, oder zu 30°, gewählt.
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Der Sperr-Winkelbereich ist demgegenüber insbesondere ein Winkelbereich, in dem grundsätzlich die Gefahr der oben diskutierten Schadstoff-Problematik besteht. Dies ist insbesondere entweder der Fall, weil die Vorschubrichtung komponentenweise in Richtung der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist, und/oder weil die Abtastrichtung nahezu kollinear oder kollinear mit der Schutzgas-Strömungsrichtung ist. Der Sperr-Winkelbereich ist daher insbesondere ein für die Vorschubrichtung grundsätzlich verbotener Winkelbereich, der im Rahmen der hier vorliegenden technischen Lehre ausnahmsweise für eine Minderzahl von Pulvermaterialschichten freigegeben wird, um die oben genannten Vorteile mit Blick auf die mechanischen Eigenschaften der entstehenden Bauteile zu verwirklichen.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist der Sperr-Winkelbereich ein bezogen auf den Vollkreis zu dem Nutz-Winkelbereich komplementärer Winkelbereich. Insbesondere ist die Vereinigungsmenge aus dem Sperr-Winkelbereich und dem Nutz-Winkelbereich der vollständige Winkelbereich des Vollkreises von - je nach Winkelangabe - 0 bis 2π oder 0° bis 360°. Die im Folgenden angegebenen Grad-Zahlen beziehen sich stets auf einen vollständigen Winkelbereich des Vollkreises von 0° bis 360°.
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Unter einem additiven oder generativen Fertigen oder Herstellen eines Bauteils wird insbesondere ein schichtweises Aufbauen eines Bauteils aus Pulvermaterial - Pulvermaterialschicht für Pulvermaterialschicht - verstanden, insbesondere ein Pulverbett-basiertes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in einem Pulverbett, insbesondere ein Fertigungsverfahren, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem selektiven Lasersintern, einem Laser-Metall-Fusionieren (Laser Metal Fusion - LMF), einem direkten Metall-Laser-Schmelzen (Direct Metal Laser Melting - DMLM), einem Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), und einem Laser Engineered Net Shaping (LENS).
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Unter einem Energiestrahl wird allgemein gerichtete Strahlung verstanden, die Energie transportieren kann. Hierbei kann es sich allgemein um Teilchenstrahlung oder Wellenstrahlung handeln. Insbesondere propagiert der Energiestrahl entlang einer Propagationsrichtung durch den physikalischen Raum und transportiert dabei Energie entlang seiner Propagationsrichtung. Insbesondere ist es mittels des Energiestrahls möglich, Energie lokal in dem Arbeitsbereich zu deponieren.
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Der Energiestrahl ist in bevorzugter Ausgestaltung ein optischer Arbeitsstrahl. Unter einem optischen Arbeitsstrahl ist insbesondere gerichtete elektromagnetische Strahlung, kontinuierlich oder gepulst, zu verstehen, die im Hinblick auf ihre Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich geeignet ist zum additiven oder generativen Fertigen eines Bauteils aus Pulvermaterial, insbesondere zum Sintern oder Schmelzen des Pulvermaterials. Insbesondere wird unter einem optischen Arbeitsstrahl ein Laserstrahl verstanden, der kontinuierlich oder gepulst erzeugt sein kann. Der optische Arbeitsstrahl weist bevorzugt eine Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum oder im infraroten elektromagnetischen Spektrum, oder im Überlappungsbereich zwischen dem infraroten Bereich und dem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums auf.
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Unter einem Arbeitsbereich wird insbesondere ein Bereich, insbesondere eine Ebene oder Fläche, verstanden, in dem das Pulvermaterial angeordnet ist, und der lokal mit dem Energiestrahl bestrahlt wird, um das Pulvermaterial lokal zu verfestigen. Insbesondere wird das Pulvermaterial in dem Arbeitsbereich sequentiell schichtweise angeordnet und mit dem Energiestrahl lokal bestrahlt, um - Schicht für Schicht - ein Bauteil herzustellen.
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Dass der Arbeitsbereich lokal mit einem Energiestrahl beaufschlagt wird, bedeutet insbesondere, dass nicht der gesamte Arbeitsbereich global - weder instantan noch sequenziell - mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, sondern dass der Arbeitsbereich vielmehr stellenweise, insbesondere an einzelnen, zusammenhängenden oder voneinander getrennten Stellen, mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, wobei der Energiestrahl insbesondere mittels der Scannervorrichtung innerhalb des Arbeitsbereichs verlagert wird. Dass der Arbeitsbereich selektiv mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, bedeutet insbesondere, dass der Arbeitsbereich an ausgewählten, vorbestimmten Stellen oder Orten oder in ausgewählten, vorbestimmten Bereichen mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird. Der Arbeitsbereich ist insbesondere eine Pulvermaterialschicht oder ein vorzugsweise zusammenhängendes Gebiet einer Pulvermaterialschicht, welche/welches mithilfe der Scannervorrichtung durch den Energiestrahl erreichbar ist, das heißt er umfasst insbesondere solche Stellen, Orte oder Bereiche der Pulvermaterialschicht, die mit dem Energiestrahl beaufschlagt werden können.
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Unter einem Vektor oder Bestrahlungsvektor wird insbesondere eine kontinuierliche, vorzugsweise lineare Verlagerung des Energiestrahls in dem Arbeitsbereich über eine bestimmte Strecke mit bestimmter Verlagerungsrichtung, der Abtastrichtung, verstanden. Der Bestrahlungsvektor schließt die Richtung oder Orientierung der Verlagerung als seine Orientierung ein. Dass die Verlagerung kontinuierlich erfolgt, bedeutet insbesondere, dass sie ohne Absetzen oder Unterbrechen des Energiestrahls, insbesondere ohne Sprung erfolgt. Dass die Bestrahlung bevorzugt linear erfolgt, bedeutet insbesondere, dass sie entlang einer Geraden erfolgt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorschubwinkel derart gewählt wird, dass er für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten - insbesondere ausschließlich - in einem vorbestimmten Ausnahme-Winkelbereich innerhalb des Sperr-Winkelbereichs liegt, in dem die Vorschubrichtung mit der Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung einen Winkel einschließt, der kleiner als der vorbestimmte Vorschub-Grenzwinkel ist, vorzugsweise kleiner als ein vorbestimmter Ausnahme-Grenzwinkel. In einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt der vorbestimmte Ausnahme-Grenzwinkel 10° oder 8°.
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Alternativ oder zusätzlich ist die Vorschubrichtung in dem Ausnahme-Winkelbereich zumindest komponentenweise in Richtung der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet, wobei, wenn die Vorschubrichtung zumindest komponentenweise in Richtung der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist, die Vorschubrichtung zugleich mit der Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung einen Winkel einschließt, der kleiner ist als der vorbestimmte Ausnahme-Grenzwinkel.
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Die beschriebenen Vorgehensweisen gewährleisten vorteilhaft, dass etwaige Auswirkungen der oben diskutierten Schadstoff-Problematik höchstens gering ausfallen, vorzugsweise nicht auftreten. Dabei werden insbesondere solche Bereiche des Sperr-Winkelbereichs für die Vorschubrichtung nicht genutzt, in denen die Schadstoff-Problematik besonders stark auftritt. Insbesondere umfasst der Ausnahme-Winkelbereich keine Winkel, bei denen die Vorschubrichtung nahezu parallel oder parallel zu der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der vorbestimmte Nutz-Winkelbereich - im mathematisch positiven Sinn, insbesondere in Draufsicht auf den Arbeitsbereich - von 110° bis 250°, vorzugsweise von 112,5° bis 247,5°, vorzugsweise von 120° bis 240°, beträgt. Insbesondere in diesen Winkelbereichen ist die oben diskutierten Schadstoff-Problematik deutlich reduziert oder tritt nicht auf.
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Alternativ oder zusätzlich umfasst der vorbestimmte Sperr-Winkelbereich alle Winkel außerhalb des vorbestimmten Nutz-Winkelbereichs. Insbesondere beträgt der Sperr-Winkelbereich - im mathematisch positiven Sinn - zwischen 250° und 110°, vorzugsweise zwischen 247,5° und 112,5°, vorzugsweise zwischen 240° und 120°. Wie bereits ausgeführt, kann der Sperr-Winkelbereich also insbesondere komplementär zu dem Nutz-Winkelbereich definiert sein.
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Alternativ oder zusätzlich ist vorbestimmte Ausnahme-Winkelbereich die Vereinigungsmenge von zwei voneinander getrennten Teil-Winkelbereichen, wobei ein erster Teil-Winkelbereich der beiden Teil-Winkelbereiche von 80° bis 100°, vorzugsweise von 82° bis 98°, oder von 80° bis 90°, vorzugsweise von 82° bis 90°, oder von 90° bis 100°, vorzugsweise von 90° bis 98°, beträgt. Ein zweiter Teil-Winkelbereich der beiden Teil-Winkelbereiche beträgt von 260° bis 280°, vorzugsweise von 262° bis 278°, oder von 270° bis 280°, vorzugsweise von 270° bis 278°, oder von 260° bis 270°, vorzugsweise von 262° bis 270°. Die Teil-Winkelbereiche können demnach in einer Ausführungsform des Verfahrens jeweils vollständig innerhalb eines Halbraums angeordnet sein, der durch eine sich senkrecht zur Schutzgas-Strömungsrichtung erstreckende Achse von einem anderen Halbraum getrennt ist; die Teil-Winkelbereiche können sich aber in einer anderen Ausführungsform auch in beiden Halbräumen erstrecken.
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Insbesondere durch Freigabe der genannten Winkelbereiche für eine Minderzahl von Pulvermaterialschichten kann vorteilhaft die Reproduzierbarkeit der mechanischen Eigenschaften für die herzustellenden Bauteile gewährleistet werden, wobei zugleich die Vorschubrichtung auch für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten so gewählt ist, dass die oben diskutierte Schadstoff-Problematik zumindest reduziert, vorzugsweise vermieden ist.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens sind entweder beide Teil-Winkelbereiche so definiert, dass sie sich in beiden Halbräume erstrecken, oder beide Teil-Winkelbereiche sind so definiert, dass sie sich jeweils nur in einem Halbraum, vorzugsweise in demselben Halbraum, erstrecken. Insbesondere beträgt in einer ersten Ausführungsform des Verfahrens der erste Teil-Winkelbereich von 80° bis 100°, vorzugsweise von 82° bis 98°, und der zweite Teil-Winkelbereich beträgt von 260° bis 280°, vorzugsweise von 262° bis 278°. In einer anderen, zweiten Ausführungsform des Verfahrens beträgt der erste Teil-Winkelbereich von 80° bis 90°, vorzugsweise von 82° bis 90°, und der zweite Teil-Winkelbereich beträgt von 270° bis 280°, vorzugsweise von 270° bis 278°. In einer anderen, dritten Ausführungsform des Verfahrens beträgt der erste Teil Winkelbereich von 90° bis 100°, vorzugsweise von 90° bis 98°, und der zweite Teil-Winkelbereich beträgt von 260° bis 270°, vorzugsweise von 262° bis 270°. Die Abtastrichtung ist in den genannten Teil-Winkelbereichen insbesondere ungefähr kollinear oder kollinear mit der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorschubwinkel für die Minderzahl von Pulvermaterialschichten ausgewählt wird aus einer Gruppe, bestehend aus: 80°, 85°, 90°, 95°, 100°, 260°, 265°, 270°, 275°, und 280°. Insbesondere ist es möglich, dass für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten nur bestimmte Winkel, insbesondere aus der hier genannten Gruppe, für die Vorschubrichtung ausgewählt werden. Auf diese Weise können die mit der oben diskutierten Schadstoff-Problematik assoziierten Schwierigkeiten besonders effektiv vermieden werden. Die Abtastrichtung ist bei den genannten Winkeln insbesondere ungefähr kollinear oder kollinear mit der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorschubwinkel derart gewählt wird, dass die Minderzahl der Pulvermaterialschichten höchstens 17 %, vorzugsweise höchstens 13 %, vorzugsweise höchstens 12,5 %, vorzugsweise höchstens 10 %, vorzugsweise höchstens 7 %, vorzugsweise höchstens 5 %, vorzugsweise höchstens 4 %, bezogen auf die Gesamtzahl aller Pulvermaterialschichten des herzustellenden oder hergestellten Bauteils beträgt. Somit können die mit der oben diskutierten Schadstoff-Problematik assoziierten Schwierigkeiten besonders effektiv vermieden werden. Dabei hat sich gezeigt, dass die sich im Kontext der vorliegenden technischen Lehre verwirklichenden Vorteile mit Blick auf die mechanischen Eigenschaften der entstehenden Bauteile auch bereits dann eintreten, wenn der Vorschubwinkel nur für einen kleinen Anteil der Pulvermaterialschichten außerhalb des Nutz-Winkelbereichs gewählt wird. Dieser Effekt ergibt sich insbesondere daraus, dass beim Bestrahlen einer neuen Pulvermaterialschicht mit dem Energiestrahl üblicherweise bis zu vier darunterliegende, bereits bestrahlte Pulvermaterialschichten zumindest teilweise erneut aufgeschmolzen werden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die zu der Minderzahl der Pulvermaterialschichten gehörenden Pulvermaterialschichten gleichmäßig über die Gesamtzahl der Pulvermaterialschichten verteilt. Auf diese Weise sind die entstehenden Bauteile bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften, insbesondere ihrer Bruchfestigkeit, besonders homogen ausgebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorschubwinkel für jede sechste Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede achte Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede zehnte Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede fünfzehnte Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede zwanzigste Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede fünfundzwanzigste Pulvermaterialschicht, in dem vorbestimmten Sperr-Winkelbereich, vorzugsweise in dem vorbestimmten Ausnahme-Winkelbereich, gewählt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorschubwinkel derart gewählt wird, dass er für keine zwei unmittelbar übereinander angeordneten Pulvermaterialschichten jeweils in dem Sperr-Winkelbereich liegt. Auf diese Weise können besonders wirksam Nachteile vermieden werden, die sich einstellen könnten, wenn unmittelbar übereinanderliegende Pulvermaterialschichten durch die oben diskutierte Schadstoff-Problematik tangiert wären.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorschubwinkel für unmittelbar übereinander angeordnete Pulvermaterialschichten jeweils verschieden gewählt wird. Dies trägt in besonders vorteilhafter Weise dazu bei, die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Bruchfestigkeit des herzustellenden Bauteils zu verbessern und auch insgesamt die Reproduzierbarkeit der mechanischen Eigenschaften einer Mehrzahl im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens herzustellender Bauteile zu erhöhen. Insbesondere werden auf diese Weise Anisotropien vermieden, die aus Wiederholungen derselben Vorschubrichtung resultieren können; außerdem ist eine für die mechanischen Eigenschaften nachteilige Porenbildung reduziert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorschubwinkel von Pulvermaterialschicht zu Pulvermaterialschicht um einen vorbestimmten Winkelbetrag, oder zufällig, oder pseudo-zufällig, verändert wird. Diese Ausgestaltung trägt vorteilhaft dazu bei, die Wiederholung bestimmter Vorschubrichtungen und insbesondere Wiederholungen bestimmter Abfolgen von Vorschubrichtung, das heißt insbesondere die regelmäßige oder sogar periodische Wiederkehr von Vorschubrichtungen, zu reduzieren oder zu vermeiden, insbesondere wenn der vorbestimmte Winkelbetrag geeignet gewählt ist, oder wenn der Vorschubwinkel zufällig oder pseudo-zufällig verändert wird. Auf diese Weise können besonders wirksam die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Bruchfestigkeit, der herzustellenden Bauteile verbessert, Anisotropien vermieden und Porenbildung reduziert werden.
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Unter „pseudo-zufällig“ wird im Kontext der hier vorliegenden technischen Lehre insbesondere verstanden, dass die Veränderung des Vorschubwinkels oder der Vorschubwinkel nicht im strengen Sinn zufällig gewählt wird, sondern gemäß einem Algorithmus, aus dem eine Abfolge von Vorschubwinkeln resultiert, die unter vorbestimmten Kriterien als zufällig angesehen werden kann, oder zumindest keiner einfachen und insbesondere keiner einfach aus der Abfolge von Vorschubwinkeln ableitbaren Regel folgt. Unter „zufällig“ wird demgegenüber im Kontext der hier vorliegenden technischen Lehre wahlweise eine echt zufällige Wahl des Vorschubwinkels oder die Verwendung eines Zufallsgenerators, insbesondere eines in eine Rechenvorrichtung implementierten Zufallsgenerators, verstanden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Sperr-Winkelbereich bei der Veränderung des Vorschubwinkels für die Mehrzahl der Pulvermaterialschichten vermieden, insbesondere verworfen oder übersprungen, wobei für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten der Sperr-Winkelbereich oder der Ausnahme-Winkelbereich zugelassen wird.
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Darunter, dass der Sperr-Winkelbereich verworfen wird, wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere verstanden, dass ein durch regelmäßige Veränderung, zufällig, pseudo-zufällig oder auf andere Weise ermittelter Vorschubwinkel, der in den Sperr-Winkelbereich fällt, nicht für die Bestrahlung des Arbeitsbereichs mit dem Energiestrahl verwendet wird, sondern dass vielmehr - insbesondere ausgehend von diesem ermittelten Vorschubwinkel - ein neuer Vorschubwinkel ermittelt wird. Dabei wird für jeden ermittelten Vorschubwinkel geprüft, ob der Vorschubwinkel in den Sperr-Winkelbereich fällt, und der ermittelte Vorschubwinkel wird verworfen, wenn er in den Sperr-Winkelbereich fällt.
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Darunter, dass der Sperr-Winkelbereich übersprungen wird, wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere verstanden, dass der Sperr-Winkelbereich bei der Ermittlung des Vorschubwinkels ausgespart wird, sodass erst gar keine ermittelten Vorschubwinkel resultieren, die in den Sperr-Winkelbereich fallen würden. Es bedarf dann keiner gesonderten Prüfung, ob ein ermittelter Vorschubwinkel in den Sperr-Winkelbereich fällt. Beispielsweise kann dann, wenn eine Veränderung des Vorschubwinkels um einen vorbestimmten Winkelbetrag ausgehend von einem bestimmten Start-Winkel zu einem Ergebnis-Winkel führen würde, der in den Sperr-Winkelbereich fällt, der Sperr-Winkelbereich derart ausgespart werden, dass der vorbestimmte Winkelbetrag aufgeteilt wird in einen ersten Teil-Winkelbetrag und einem zweiten Teil-Winkelbetrag, wobei der erste Teil-Winkelbetrag von dem bestimmten Start-Winkel bis zu einem Beginn des Sperr-Winkelbereichs bestimmt wird, wobei der zu dem vorbestimmten Winkelbetrag verbleibende zweite Teil-Winkelbetrag zu einem Ende des Sperr-Winkelbereichs addiert wird. Der auf diese Weise resultierende Vorschubwinkel liegt dann selbst nicht in dem Sperr-Winkelbereich. Alternativ kann dann, wenn eine Veränderung des Vorschubwinkels um einen vorbestimmten Winkelbetrag ausgehend von einem bestimmten Start-Winkel zu einem Ergebnis-Winkel führen würde, der in den Sperr-Winkelbereich fällt, der Sperr-Winkelbereich derart ausgespart werden, dass der vorbestimmte Winkelbetrag nicht auf den bestimmten Start-Winkel, sondern auf das Ende des Sperr-Winkelbereichs addiert wird.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Vorschubrichtung von Pulvermaterialschicht zu Pulvermaterialschicht um einen vorbestimmten Winkelbetrag gedreht. Dabei ist gemäß einer ersten Ausgestaltung möglich, dass der Drehpunkt außerhalb des Arbeitsbereichs liegt. Bei einer anderen, zweiten Ausgestaltung ist es möglich, dass der Drehpunkt innerhalb des Arbeitsbereichs liegt. In einer weiteren Ausgestaltung ist es möglich, dass für eine Mehrzahl von mit dem Energiestrahl beaufschlagten Bereichen, insbesondere eine Mehrzahl von Bauteilen und/oder eine Mehrzahl an zusammenhängenden Stellen, innerhalb des Arbeitsbereichs jeweils ein separater Drehpunkt festgelegt wird. Bevorzugt ist der Drehwinkel um die mehreren Drehpunkte für alle Bereiche der Mehrzahl von Bereichen und/oder in jeder Pulvermaterialschicht gleich. So kann insbesondere jeweils ein Ursprung der Bereiche geeignet gewählt werden, um insbesondere eine Anzahl der Bereiche, beispielsweise Streifen, in einer Pulvermaterialschicht und/oder eine Anzahl kurzer Vektoren in jedem zusammenhängenden Bereich zu minimieren.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Pulvermaterialschichten mit dem mindestens einen Energiestrahl in Form von Streifen bestrahlt werden, wobei sich die Streifen in Vorschubrichtung erstrecken und aus den senkrecht zur Vorschubrichtung kollinear zueinander orientierten Vektoren gebildet werden. Die Vektoren erstrecken sich dabei insbesondere in Breitenrichtung des jeweiligen Streifens, das heißt senkrecht zur Längserstreckung des Streifens, das heißt zur Vorschubrichtung. Bevorzugt erstrecken sich die Vektoren entlang der gesamten Breite des jeweiligen Streifens. Die Breite des Streifens definiert also bevorzugt die Länge der Vektoren - oder umgekehrt. Insbesondere wird ein Streifen bevorzugt sequenziell mit einer Vielzahl von in Breitenrichtung, das heißt Abtastrichtung, ausgerichteten, in Längsrichtung des Streifens, das heißt in Vorschubrichtung zueinander versetzt oder nebeneinander angeordneten Vektoren überstrichen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass einander in Vorschubrichtung unmittelbar benachbarte Vektoren entlang der Abtastrichtung parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet werden. In einer Ausführungsform des Verfahrens werden einander in Vorschubrichtung unmittelbar benachbarte Vektoren entlang der Abtastrichtung antiparallel zueinander ausgerichtet, insbesondere auch für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten in dem Sperr-Winkelbereich oder in dem Ausnahme-Winkelbereich. Diese an sich mit Blick auf die oben diskutierte Schadstoff-Problematik ungünstige Ausrichtung der Vektoren, bei der die Hälfte der Vektoren ungefähr kollinear oder kollinear mit der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet sein können, ist vorteilhaft für die mechanischen Eigenschaften des entstehenden Bauteils und unter dem Aspekt hinnehmbar oder auch insgesamt von Vorteil, dass nur eine Minderzahl von Pulvermaterialschichten von der Schadstoff-Problematik überhaupt betroffen ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der vorbestimmte Winkelbetrag, um den die Vorschubrichtung von Pulvermaterialschicht zu Pulvermaterialschicht gedreht wird, von 10°, 45°, 90°, 50°, und 180° verschieden gewählt wird. Mit dieser Wahl werden vorteilhaft solche Winkelbeträge vermieden, die zu einer häufigen, insbesondere periodischen Wiederkehr identischer Vorschubrichtungen führen würden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der vorbestimmte Winkelbetrag größer als 10°, vorzugsweise größer als 20°, gewählt. Dies hat sich gerade unter dem Aspekt der Vermeidung einer häufigen Wiederkehr identischer Vorschubrichtungen als vorteilhaft erwiesen.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens weist der vorbestimmte Winkelbetrag keinen von eins verschiedenen ganzzahligen gemeinsamen Teiler von 360° auf. Dies trägt in besonders günstiger Weise dazu bei, eine häufige Wiederkehr identischer Vorschubrichtungen zu vermeiden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der vorbestimmte Winkelbetrag vorzugsweise zu 54° oder zu 67° gewählt. Gerade bei diesen Winkeln wird in besonderer Weise eine häufige Wiederkehr identischer Vorschubrichtungen vermieden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für den Vorschubwinkel ein vorbestimmter zusätzlicher Sperr-Winkelbereich berücksichtigt wird, der von 170° bis 190°, vorzugsweise von 160° bis 200°, vorzugsweise von 150° bis 210° beträgt, wobei der Vorschubwinkel zumindest für die Mehrzahl der Pulvermaterialschichten außerhalb des vorbestimmten zusätzlichen Sperr-Winkelbereichs gewählt wird. Indem ein bestimmter Winkelbereich in der Nähe von 180° zu der Schutzgas-Strömungsrichtung für den Vorschubwinkel ausgespart wird, wird vorteilhaft erreicht, dass insbesondere streifenförmige Bereiche einer Pulvermaterialschicht mit größerer Freiheit zeitlich simultan - insbesondere mit einer Mehrzahl von Energiestrahlen - bestrahlt werden können, ohne dass eine wechselseitige Beeinflussung der streifenförmigen Bereiche mit Schadstoffen erfolgt. Insbesondere können Schadstoffe aus einem bestrahlten Bereich mit zunehmendem Abstand des Vorschubwinkels von 180° nur in zunehmend kleinere Teilbereiche unmittelbar benachbarter bestrahlter Bereiche eindringen, sodass in den unmittelbar benachbarten bestrahlten Bereichen größere Freiheit für eine simultanen Bestrahlung besteht.
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Insbesondere liegt der vorbestimmte zusätzliche Sperr-Winkelbereich innerhalb des vorbestimmten Nutz-Winkelbereichs. Insbesondere beschränkt somit der zusätzliche Sperr-Winkelbereich den vorbestimmten Nutz-Winkelbereich, insbesondere auf mindestens einen Teil-Nutz-Winkelbereich. Der vorbestimmte zusätzliche Sperr-Winkelbereich teilt insbesondere den Nutz-Winkelbereich in zwei voneinander getrennte Teil-Nutz-Winkelbereiche, sodass im Ergebnis der verbleibende, für die Mehrzahl der Pulvermaterialschichten noch erlaubte Nutz-Winkelbereich die Vereinigungsmenge der beiden voneinander getrennten Teil-Nutz-Winkelbereiche ist. Beispielsweise reicht dann ein erster Teil-Nutz-Winkelbereich von 120° bis 150°, und ein zweiter Teil-Nutz-Winkelbereich reicht von 210° bis 240°, wenn einerseits der vorbestimmte Nutz-Winkelbereich von 120° bis 240° reicht und andererseits der vorbestimmte zusätzliche Sperr-Winkelbereich von 150° bis 210° reicht.
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Dass der Vorschubwinkel außerhalb des vorbestimmten zusätzlichen Sperr-Winkelbereichs gewählt wird, bedeutet im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere, dass der vorbestimmte zusätzlich Sperr-Winkelbereich für den Vorschubwinkel ausgespart wird, das heißt dass der Vorschubwinkel nicht in dem vorbestimmten zusätzlichen Sperr-Winkelbereich gewählt wird.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Vorschubwinkel für alle Pulvermaterialschichten außerhalb des vorbestimmten zusätzlichen Sperr-Winkelbereichs gewählt. In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, dass der Vorschubwinkel für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten - zusätzlich zu dem vorbestimmten Sperr-Winkelbereich oder dem vorbestimmten Ausnahme-Winkelbereich - auch in dem vorbestimmten zusätzlichen Sperr-Winkelbereich gewählt werden kann.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial geschaffen wird. Die Fertigungsvorrichtung weist eine Strahlerzeugungsvorrichtung auf, die eingerichtet ist zum Erzeugen von mindestens einem Energiestrahl. Außerdem weist die Fertigungsvorrichtung eine Pulverbeschichtungsvorrichtung auf, die eingerichtet ist, um das Pulvermaterial sukzessive Pulvermaterialschicht für Pulvermaterialschicht in einem Arbeitsbereich anzuordnen. Die Fertigungsvorrichtung weist außerdem eine Scannervorrichtung auf, die eingerichtet ist, um den Arbeitsbereich lokal selektiv mit dem mindestens einen Energiestrahl zu bestrahlen, um mittels des mindestens einen Energiestrahls ein Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial schichtweise herzustellen. Weiterhin weist die Fertigungsvorrichtung eine Schutzgasvorrichtung auf, die eingerichtet ist, um eine Schutzgasströmung mit vorbestimmter Schutzgas-Strömungsrichtung über dem Arbeitsbereich zu erzeugen. Schließlich weist die Fertigungsvorrichtung eine Steuervorrichtung auf, die mit der Scannervorrichtung wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannervorrichtung anzusteuern. Die Steuervorrichtung ist weiter eingerichtet, um den mindestens einen Energiestrahl in den Pulvermaterialschichten zumindest bereichsweise in Form von entlang einer Abtastrichtung kollinear zueinander orientierten, entlang einer Vorschubrichtung nebeneinander angeordneten Vektoren zu verlagern. Die Steuervorrichtung ist außerdem eingerichtet, um einen Vorschubwinkel, den die Vorschubrichtung mit der Schutzgas-Strömungsrichtung einschließt, zwischen den Pulvermaterialschichten zu verändern, und um den Vorschubwinkel derart zu wählen, dass der Vorschubwinkel für eine Mehrzahl der Pulvermaterialschichten in einem vorbestimmten Nutz-Winkelbereich liegt, in dem die Vorschubrichtung zumindest komponentenweise entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist, wobei zugleich die Vorschubrichtung mit einer Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung einen Winkel einschließt, der größer als ein vorbestimmter Vorschub-Grenzwinkel ist, und dass der Vorschubwinkel für eine Minderzahl der Pulvermaterialschichten in einem vorbestimmten Sperr-Winkelbereich außerhalb des Nutz-Winkelbereichs liegt. In Zusammenhang mit der Fertigungsvorrichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Die Fertigungsvorrichtung ist insbesondere eingerichtet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens. Insbesondere ist die Steuervorrichtung bevorzugt eingerichtet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens.
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In einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung ist die Steuervorrichtung zusätzlich mit der Schutzgasvorrichtung wirkverbunden und eingerichtet zu deren Ansteuerung, insbesondere um die Schutzgas-Strömungsrichtung einzustellen, insbesondere um die Schutzgas-Strömungsrichtung zu verändern.
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Die Fertigungsvorrichtung ist insbesondere eingerichtet zur Durchführung von wenigstens einem additiven oder generativen Fertigungsverfahren, das insbesondere ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem selektiven Lasersintern, einem Laser-Metall-Fusionieren (Laser Metal Fusion - LMF), einem direkten Metall-Laser-Schmelzen (Direct Metal Laser Melting - DMLM), einem Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), und einem Laser Engineered Net Shaping (LENS).
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In einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung ist die Strahlerzeugungsvorrichtung ein Laser.
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In einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung weist die Pulverbeschichtungsvorrichtung eine Pulverfördervorrichtung auf, die eingerichtet ist, um Pulvermaterial aus einem Pulvervorrat in den Arbeitsbereich zu fördern und vorzugsweise das Pulvermaterial in dem Arbeitsbereich - insbesondere homogen - in einer Pulvermaterialschicht anzuordnen. Die Pulverfördervorrichtung ist bevorzugt als Schieber ausgebildet.
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Der Arbeitsbereich ist bevorzugt auf einer Bauplattform angeordnet, die schrittweise abgesenkt werden kann, um die Pulvermaterialschichten in einer gleichbleibenden Bauebene sukzessive aufeinander anordnen zu können. Der Pulvervorrat weist bevorzugt eine Hubplattform auf, die schrittweise angehoben werden kann, um Pulver für eine neue Pulvermaterialschicht dem Pulvervorrat entnehmen und in den Arbeitsbereich überführen zu können.
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Die Scannervorrichtung weist bevorzugt mindestens einen Scanner, insbesondere einen Galvanometer-Scanner, Piezoscanner, Polygonscanner, MEMS-Scanner, und/oder einen relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf auf - vorzugsweise für jeden Energiestrahl einer Mehrzahl von Energiestrahlen mindestens ein dem jeweiligen Energiestrahl separat zugeordnetes solches Element. Die hier vorgeschlagenen Vorrichtungen sind in besonderer Weise geeignet, den mindestens einen Energiestrahl innerhalb des Arbeitsbereichs zwischen einer Mehrzahl von Bestrahlungspositionen zu verlagern.
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Unter einem relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf wird hier insbesondere ein integriertes Bauteil der Fertigungsvorrichtung verstanden, welches mindestens einen Strahlungsauslass für mindestens einen Energiestrahl aufweist, wobei das integrierte Bauteil, das heißt der Arbeitskopf, als Ganzes entlang zumindest einer Verlagerungsrichtung, vorzugsweise entlang zweier senkrecht aufeinander stehenden Verlagerungsrichtungen, relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbar ist. Ein solcher Arbeitskopf kann insbesondere in Portalbauweise ausgebildet sein oder von einem Roboter geführt werden. Insbesondere kann der Arbeitskopf als Roboterhand eines Roboters ausgebildet sein.
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Die Schutzgasvorrichtung weist vorzugsweise wenigstens einen Schutzgas-Auslass, insbesondere eine Düse, vorzugsweise eine Mehrzahl von insbesondere nebeneinander angeordneten und bevorzugt parallel zueinander ausgerichteten Schutzgas-Auslässen, insbesondere Düsen, auf. Der mindestens einen Schutzgas-Auslass ist insbesondere eingerichtet, um ein gerichtetes Ausströmen des Schutzgases aus dem Schutzgas-Auslass zu bewirken und so die Schutzgas-Strömungsrichtung zu definieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Schutzgasvorrichtung zusätzlich wenigstens einen Schutzgas-Einlass, insbesondere eine Mehrzahl von bevorzugt nebeneinander angeordneten und insbesondere parallel zueinander ausgerichteten Schutzgas-Einlässen auf, durch den/die das Schutzgas aus dem Arbeitsbereich heraus wieder in die Schutzgasvorrichtung eintreten kann. Insbesondere ist der wenigstens eine Schutzgas-Einlass bevorzugt in Schutzgas-Strömungsrichtung gesehen dem mindestens einen Schutzgas-Auslass gegenüberliegend angeordnet, wobei der Arbeitsbereich zwischen dem mindestens einen Schutzgas-Einlass und den mindestens einen Schutzgas-Auslass angeordnet ist. In bevorzugter Ausgestaltung weist die Schutzgasvorrichtung eine Absaugvorrichtung, insbesondere eine Pumpe, auf, mittels der das Schutzgas über den mindestens einen Schutzgas-Einlass aus dem Arbeitsbereich abgesaugt werden kann. Insbesondere mittels einer Kombination aus definierter Ausströmung des Schutzgases aus dem mindestens einen Schutzgas-Auslass und definierter Absaugung des Schutzgases über den mindestens einen Schutzgas-Einlass kann die Schutzgas-Strömungsrichtung über dem Arbeitsbereich mit besonders hoher Präzision vorgegeben werden.
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Die Steuervorrichtung ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Computer, insbesondere Personal Computer (PC), einer Einschubkarte oder Ansteuerkarte, und einem FPGA-Board. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Steuervorrichtung eine RTC6-Ansteuerkarte der SCANLAB GmbH, insbesondere in der an dem den Zeitrang des vorliegenden Schutzrechts bestimmenden Tag aktuell erhältlichen Ausgestaltung.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial;
- 2 eine schematische Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial, und
- 3 eine weitere schematische Erläuterung des Ausführungsbeispiels des Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungsvorrichtung 1 zum additiven Fertigen eines Bauteils 3 aus einem Pulvermaterial.
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Die Fertigungsvorrichtung 1 weist eine Strahlerzeugungsvorrichtung 5 auf, die eingerichtet ist zum Erzeugen mindestens eines Energiestrahls 7, hier einer Mehrzahl von Energiestrahlen 7, einem ersten Energiestrahl 7.1 und einem zweiten Energiestrahl 7.2. Die Strahlerzeugungsvorrichtung 5 kann hierzu beispielsweise eine Mehrzahl von Lasern aufweisen, oder aber einen Laser, der mit einer Strahlteilervorrichtung, beispielweise einem Beamsplitter, zusammenwirkt, um die Mehrzahl von Energiestrahlen 7 zu erzeugen. Die Energiestrahlen 7 sind in bevorzugter Ausgestaltung als Laserstrahlen ausgebildet.
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Die Verlagerungsvorrichtung 1 weist eine Pulverbeschichtungsvorrichtung 8 auf, die eingerichtet ist, um das Pulvermaterial sukzessive Pulvermaterialschicht für Pulvermaterialschicht in einem Arbeitsbereich 11 anzuordnen. Die Pulverbeschichtungsvorrichtung 8 ist hier nur schematisch dargestellt; sie umfasst bevorzugt einen Schieber zur Verlagerung des Pulvermaterials von einem Pulvervorrat zu dem Arbeitsbereich 11 und zum Verteilen des Pulvermaterials in dem Arbeitsbereich 11 in Form einer vorzugsweise homogenen Pulvermaterialschicht. Der Arbeitsbereich 11 ist hierfür insbesondere auf einer schrittweise absenkbaren Bauplattform angeordnet, um die verschiedenen Pulvermaterialschichten übereinander erzeugen zu können. Zugleich ist der Pulvervorrat bevorzugt auf einer Hubplattform gelagert, um das Pulver schrittweise auf das Niveau des Arbeitsbereichs 11 anheben und dort mit dem Schieber entnehmen und in den Arbeitsbereich 11 transportieren zu können.
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Die Fertigungsvorrichtung 1 weist außerdem eine Scannervorrichtung 9 auf, die eingerichtet ist, um den Arbeitsbereich 11 lokal selektiv mit dem mindestens einen Energiestrahl 7 zumindest zeitweise zu bestrahlen, um mittels des mindestens einen Energiestrahls 7 das Bauteil 3 aus dem in dem Arbeitsbereich 11 angeordneten Pulvermaterial schichtweise herzustellen. Die Scannervorrichtung 9 kann insbesondere für jeden Energiestrahl 7 einen separat ansteuerbaren Scanner 13, beispielsweise einen Galvoscanner, aufweisen.
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Die Fertigungsvorrichtung 1 weist außerdem eine Schutzgasvorrichtung 15 auf, die eingerichtet ist, um eine Schutzgasströmung mit definierter Schutzgas-Strömungsrichtung - die hier durch erste Pfeile P1 dargestellt ist, wobei der besseren Übersichtlichkeit wegen nur einer der ersten Pfeile mit dem entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet ist - über dem Arbeitsbereich 11 zu erzeugen.
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Außerdem weist die Fertigungsvorrichtung 1 eine Steuervorrichtung 17 auf, die mit der Scannervorrichtung 9, hier insbesondere mit den einzelnen Scannern 13, wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannervorrichtung 9, insbesondere die einzelnen Scanner 13 separat, anzusteuern.
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Die Steuervorrichtung 9 ist weiter eingerichtet, um den mindestens einen Energiestrahl 7 in den Pulvermaterialschichten zumindest bereichsweise in Form von entlang einer Abtastrichtung AR kollinear zueinander orientierten, entlang einer Vorschubrichtung VR nebeneinander angeordneten Vektoren 18 zu verlagern, um einen Vorschubwinkel α, den die Vorschubrichtung VR mit der Schutzgas-Strömungsrichtung einschließt, zwischen den Pulvermaterialschichten zu verändern, und um den Vorschubwinkel α derart zu wählen, dass der Vorschubwinkel α für eine Mehrzahl der Pulvermaterialschichten in einem vorbestimmten Nutz-Winkelbereich liegt, in dem die Vorschubrichtung VR zumindest komponentenweise entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist, wobei zugleich die Vorschubrichtung VR mit einer Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung einen Winkel einschließt, der größer als ein vorbestimmter Vorschub-Grenzwinkel ist, und dass der Vorschubwinkel α für eine Minderzahl der Pulvermaterialschichten in einem vorbestimmten Sperr-Winkelbereich außerhalb des Nutz-Winkelbereichs liegt.
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Es ist möglich, dass die Steuervorrichtung 9 zusätzlich mit der Schutzgasvorrichtung 15 wirkverbunden und eingerichtet ist zu deren Ansteuerung, insbesondere um die Schutzgas-Strömungsrichtung einzustellen, insbesondere um die Schutzgas-Strömungsrichtung zu verändern.
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Die Steuervorrichtung 9 ist insbesondere eingerichtet zur Durchführung eines im Folgenden näher erläuterten Verfahrens.
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Bevorzugt wird der Arbeitsbereich 11, insbesondere sukzessive die Pulvermaterialschichten, mit dem mindestens einen Energiestrahl 7 in Form von Streifen 19 bestrahlt, die sich in Vorschubrichtung VR erstrecken, und die aus den senkrecht zur Vorschubrichtung VR kollinear zueinander orientierten Vektoren 18 gebildet werden. In 1 sind zwei Streifen 19 dargestellt, ein erster Streifen 19.1 und ein zweiter Streifen 19.2, die einander unmittelbar benachbart und parallel zueinander orientiert sind. Es ist möglich, dass die Vorschubrichtung VR für alle Streifen 19 einer gegebenen Pulvermaterialschicht dieselbe ist. Es ist aber auch möglich, dass innerhalb einer Pulvermaterialschicht verschiedene Streifen 19 mit verschiedenen Vorschubrichtungen VR gebildet werden.
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Unmittelbar einander benachbarte Vektoren 18 sind entlang der Abtastrichtung AR bevorzugt antiparallel zueinander ausgerichtet. Es ist aber auch möglich, dass die Vektoren 18 entlang der Abtastrichtung AR parallel zueinander ausgerichtet werden.
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2 zeigt eine schematische Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial.
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Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
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2 zeigt schematisch den Arbeitsbereich 11 mit der durch den Pfeil P1 angedeuteten Schutzgas-Strömungsrichtung und einem gedachten Kreis K mit Winkelangaben zur Erläuterung der verschiedenen Winkelbereiche für den Vorschubwinkel α, den die ebenfalls schematisch angedeutete Vorschubrichtung VR mit der Schutzgas-Strömungsrichtung einnehmen kann. Der Vollkreis umfasst 360°; bei 0° ist die Vorschubrichtung VR parallel zu der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet, bei 180° ist die Vorschubrichtung VR antiparallel zu der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet.
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Für die Mehrzahl der Pulvermaterialschichten wird der Vorschubwinkel α in einem Nutz-Winkelbereich 21 gewählt, der bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel - im mathematisch positiven Sinn - von 110° bis 250° reicht. Der vorbestimmte Vorschub-Grenzwinkel beträgt hier 20°. Bei anderen Ausführungsbeispielen des Verfahrens reicht der Nutz-Winkelbereich 21 von 112,5° bis 247,5°, oder von 120° bis 240°.
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Dargestellt ist auch ein Sperr-Winkelbereich 22, der komplementär zu dem Nutz-Winkelbereich 21 ausgebildet ist, das heißt er erstreckt sich insbesondere - im mathematisch positiven Sinn - zwischen 250° und 110°. Bei anderen Ausführungsbeispielen des Verfahrens erstreckt sich der Sperr-Winkelbereich zwischen 247,5° und 112,5°, oder zwischen 240° und 120°.
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Bevorzugt wird der Vorschubwinkel α derart gewählt, dass er für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten - insbesondere ausschließlich - in einem vorbestimmten Ausnahme-Winkelbereich 23 innerhalb des Sperr-Winkelbereichs 22 liegt. In dem Ausnahme-Winkelbereich 23 schließt die Vorschubrichtung VR mit der Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung einen Winkel ein, der kleiner als der vorbestimmte Vorschub-Grenzwinkel ist, und/oder die Vorschubrichtung VR ist zumindest komponentenweise in Richtung der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet. Ist die Vorschubrichtung VR zumindest komponentenweise in Richtung der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet, schließt die Vorschubrichtung VR zugleich mit der Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung einen Winkel ein, der kleiner ist als ein vorbestimmter Ausnahme-Grenzwinkel, der vorzugsweise 10° oder 8° beträgt.
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Der vorbestimmte Ausnahme-Winkelbereich 23 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Vereinigungsmenge von zwei voneinander getrennten Teil-Winkelbereichen 23.1, 23.2, wobei ein erster Teil-Winkelbereich 23.1 der beiden Teil-Winkelbereiche 23.1, 23.2 von 80° bis 90° reicht. Bei anderen Ausführungsbeispielen des Verfahrens reicht der erste Teil-Winkelbereich 23.1 bevorzugt von 80° bis 100°, vorzugsweise von 82° bis 98°, oder von 82° bis 90°, oder von 90° bis 100°, vorzugsweise von 90° bis 98°. Ein zweiter Teil-Winkelbereich 23.2 der beiden Teil-Winkelbereiche 23.1, 23.2 reicht bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel von 270° bis 280°. Bei anderen Ausführungsbeispielen des Verfahrens reicht der zweite Teil-Winkelbereich 23.2 bevorzugt von 260° bis 280°, vorzugsweise von 262° bis 278°, oder von 270° bis 278°, oder von 260° bis 270°, vorzugsweise von 262° bis 270°.
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Bei wieder einem anderen Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird der Vorschubwinkel α für die Minderzahl von Pulvermaterialschichten bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus: 80°, 85°, 90°, 95°, 100°, 260°, 265°, 270°, 275°, und 280°.
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Vorzugsweise wird für den Vorschubwinkel ein hier nicht explizit dargestellter vorbestimmter zusätzlicher Sperr-Winkelbereich berücksichtigt, der von 170° bis 190°, vorzugsweise von 160° bis 200°, vorzugsweise von 150° bis 210° beträgt, wobei der Vorschubwinkel zumindest für die Mehrzahl der Pulvermaterialschichten außerhalb des vorbestimmten zusätzlichen Sperr-Winkelbereichs gewählt wird.
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Bevorzugt wird der Vorschubwinkel α derart gewählt, dass die Minderzahl der Pulvermaterialschichten höchstens 17 %, vorzugsweise höchstens 13 %, vorzugsweise höchstens 12,5 %, vorzugsweise höchstens 10 %, vorzugsweise höchstens 7 %, vorzugsweise höchstens 5 %, vorzugsweise höchstens 4 %, bezogen auf die Gesamtzahl aller Pulvermaterialschichten des herzustellenden oder hergestellten Bauteils 3 beträgt, wobei die zu der Minderzahl der Pulvermaterialschichten gehörenden Pulvermaterialschichten vorzugsweise gleichmäßig über die Gesamtzahl der Pulvermaterialschichten verteilt werden.
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Bevorzugt wird der Vorschubwinkel α für jede sechste Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede achte Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede zehnte Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede 15. Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede 20. Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede 25. Pulvermaterialschicht, in dem vorbestimmten Sperr-Winkelbereich 22, vorzugsweise in dem vorbestimmten Ausnahme-Winkelbereich 23, gewählt.
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Bevorzugt wird der Vorschubwinkel α derart gewählt, dass er für keine zwei unmittelbar übereinander angeordneten Pulvermaterialschichten jeweils in dem Sperr-Winkelbereich 22 liegt.
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Bevorzugt wird der Vorschubwinkel α für unmittelbar übereinander angeordnete Pulvermaterialschichten jeweils verschieden gewählt.
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Bevorzugt wird der Vorschubwinkel α von Pulvermaterialschicht zu Pulvermaterialschicht um einen vorbestimmten Winkelbetrag, oder zufällig, oder pseudo-zufällig, verändert, wobei für die Mehrzahl der Pulvermaterialschichten der Sperr-Winkelbereich 22 vermieden, insbesondere verworfen oder übersprungen wird. Für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten wird der Sperr-Winkelbereich 22 oder der Ausnahme-Winkelbereich 23 zugelassen.
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Der vorbestimmte Winkelbetrag, um den der Vorschubwinkel α von Pulvermaterialschicht zu Pulvermaterialschicht verändert wird, wird bevorzugt von 10°, 45°, 90°, 50°, und 180° verschieden gewählt. Vorzugsweise wird der vorbestimmte Winkelbetrag größer als 10°, vorzugsweise größer als 20°, gewählt. Vorzugsweise weist der vorbestimmte Winkelbetrag keinen von eins verschiedenen ganzzahligen gemeinsamen Teiler von 360° auf. Besonders bevorzugt wird der vorbestimmte Winkelbetrag zu 54° oder zu 67° gewählt.
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3 zeigt eine weitere schematische Erläuterung des Ausführungsbeispiels des Verfahrens.
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3a) zeigt eine schematische Darstellung des Arbeitsbereichs 11 mit dem ersten Pfeil P1, der die Schutzgas-Strömungsrichtung anzeigt, und drei verschiedenen Arten von Proben von Bauteilen 3, die zur Evaluierung bisheriger Verfahren zum additiven Fertigen solcher Bauteile 3 sowie des hier vorgeschlagenen Verfahrens angefertigt wurden. Bei den Bauteilen 3 handelt es sich um kreiszylinderförmige Proben, das heißt säulenartige Bauteile 3, die in verschiedenen Lagen und Orientierungen in dem Arbeitsbereich 11 aufgebaut wurden: Eine erste Probe 3,v wurde mit ihrer Längs- oder Symmetrieachse vertikal, das heißt in Hubrichtung der Bauplattform des Arbeitsbereichs 11 oder, anders ausgedrückt, in Stapelrichtung der übereinander angeordneten Pulvermaterialschichten ausgerichtet; eine zweite Probe 3,hx wurde mit ihrer Längsachse horizontal in dem Arbeitsbereich 11 und senkrecht zur Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet, und eine dritte Probe 3,hy wurde mit ihrer Längsachse horizontal in dem Arbeitsbereich 11 und in Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet. Derartige Proben wurden mehrfach sowohl mithilfe konventioneller Bestrahlungsstrategien als auch mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren hergestellt und bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften, insbesondere Bruchfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung, untersucht.
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In den nachfolgend diskutierten Diagrammen sind verschiedene konventionell hergestellte Gruppen von Proben mit den Buchstaben A, B, C, D, E bezeichnet, und eine mithilfe des hier vorgeschlagenen Verfahrens hergestellte Gruppe von Proben ist mit dem Buchstaben X bezeichnet. Die den einzelnen Gruppen von Proben zugeordneten Daten sind jeweils - innerhalb jeder Gruppe - unterteilt in einen linken und einen rechten Bereich, wobei der linke, der einfacheren Darstellung wegen nur bei A und bei X beispielhaft mit v bezeichnete Bereich vertikal orientierte Proben nach Art der ersten Probe 3,v in 3a) betrifft, und wobei der rechte, ebenfalls nur bei A und bei X beispielhaft mit hx,hy bezeichnete Bereich Daten für horizontal orientierte Proben nach Art der zweiten Probe 3,hx und der dritten Probe 3,hy gemäß 3a) zusammenfasst.
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3b) zeigt die Bruchfestigkeit (Ultimate strength) in MPa für die verschiedenen Proben. Dabei wird insbesondere deutlich, dass die Bruchfestigkeit für die konventionellen Verfahren stark von der Lage und Orientierung der Proben in dem Arbeitsbereich 11 abhängt. Die starke Verbreiterung der Daten für die horizontal orientierten Proben hx,hy zeigt dabei, dass insbesondere die Orientierung relativ zu der Schutzgas-Strömungsrichtung als kritischer Parameter anzusehen ist. Dies ist ungünstig, da Lage und Orientierung typischerweise aufgrund anderer Kriterien wie beispielsweise der Art, Geometrie und Anzahl von innerhalb des Arbeitsbereichs 11 herzustellenden Bauteilen 3 festgelegt wird, wobei man unabhängig von Lage und Orientierung der Proben reproduzierbare Ergebnisse erwartet. Die Daten für die mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Proben bei X zeigen nun, dass die Bruchfestigkeit zwar etwas geringer ist als gemäß dem konventionellen Verfahren - gleichwohl immer noch hoch -, dafür aber äußerst reproduzierbar, unabhängig von Lage und Orientierung der Proben.
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3c) zeigt die Streckgrenze (Yield strength) in MPa für dieselben Proben. Dabei ergibt sich ein zu 3b) analoges Bild. Zwar lässt sich hier bei X eine geringfügige Abweichung zwischen den vertikal orientierten Proben v und den horizontal orientierten Proben hx,hy beobachten, jedoch ist die Streuung in den einzelnen Datengruppen bei X sehr viel geringer als bei A bis E, und es ergibt sich insbesondere keine prominente Abhängigkeit von der Orientierung relativ zu der Schutzgas-Strömungsrichtung, das heißt zwischen hx und hy.
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3d) schließlich zeigt die Bruchdehnung As (Elongation A5) in % für dieselben Proben. Hier zeigt sich, dass die Bruchdehnung für die mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Proben bei X höher ist als für die konventionell hergestellten bei A bis E, wobei zugleich auch die Abhängigkeit von Lage und Orientierung sowie die Streuung der Daten geringer ist. Die erhöhte Bruchdehnung der mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Proben zeigt auch, dass trotz der etwas reduzierten Bruchfestigkeit keine verschlechterte Qualität resultiert, wobei insbesondere keine größere Anzahl von Poren oder ähnlichen Fehlstellen in die Proben eingebracht wird. Insbesondere werden mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren keine Sollbruchstellen erzeugt, die nämlich ansonsten die Bruchdehnung reduziert hätten. Schliffbilder der mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Proben haben gezeigt, dass von einer Dichte von über 99,9 % ausgegangen werden kann.
