DE102017126698B4

DE102017126698B4 - Verfahren und Vorrichtung zur additiven Fertigung

Info

Publication number: DE102017126698B4
Application number: DE102017126698.4A
Authority: DE
Inventors: Carsten Rösler
Original assignee: B I G Tech Services GmbH; BIG Technology Services GmbH
Current assignee: BIG Technology Services De GmbH
Priority date: 2017-11-14
Filing date: 2017-11-14
Publication date: 2023-06-22
Anticipated expiration: 2037-11-15
Also published as: DE102017126698A1

Abstract

Verfahren zur additiven Fertigung eines aus einer Vielzahl von Formkörperlagen (6) gebildeten Formkörpers (5), wobei wenigstens ein Ausgangswerkstoff in einer Bearbeitungsposition auf eine Bearbeitungsoberfläche (7) aufgebracht und dort mittels eines Energiestrahls (2) zu einer Schmelze aufgeschmolzen wird, die nach ihrem Erkalten einen Teil der abzuscheidenden Formkörperlage (6) ausbildet, wobei die Bearbeitungsposition mit einer Vorschubgeschwindigkeit in einer Bearbeitungsrichtung (19) auf der Bearbeitungsoberfläche (7) bewegt wird, wobei- pastöse Ausgangswerkstoffe verwendet werden; und- jeder der pastösen Ausgangswerkstoffe mittels einer Materialfördereinheit (9) und einer wenigstens eine Dosiereinrichtung (3a) umfassenden Werkstoffzuführeinrichtung (3) an die Bearbeitungsposition befördert wird; dadurch gekennzeichnet, dass- das Aufschmelzen in der Bearbeitungsposition zeitgleich mit oder unmittelbar nach dem Aufbringen des wenigstens einen Ausgangswerkstoffes durchgeführt wird,- der Energiestrahl (2) mittels einer Strahlführungseinheit (10) quer zur Bearbeitungsrichtung (19) pendelnd oder um die Bearbeitungsposition oszillierend bewegt wird,- der pastöse Ausgangswerkstoff in der Werkstoffzuführeinrichtung (3) in mehrere ringförmig um die Bearbeitungsposition angeordnete Ausgangswerkstoffstränge (4) aufgeteilt wird, wobei mittels derjenigen Dosiereinrichtungen (3a), die in Bearbeitungsrichtung (19) vor der Bearbeitungsposition positioniert sind, jeweils ein Ausgangswerkstoffstrang (4) mit jeweils individuell vorgebbarer Zuführgeschwindigkeit in den Bereich der Bearbeitungsposition gefördert wird und diejenigen Dosiereinrichtungen (3a), die in Bearbeitungsrichtung (19) hinter der Bearbeitungsposition positioniert sind, geschlossen werden,- zur Prozessüberwachung oder -regelung mittels einer optischen Sensoreinrichtung (18) Schmelzbadtemperaturen und Oberflächentemperaturen des Formkörpers (5) in der Schmelzzone oder angrenzend zur Schmelzzone bestimmt werden,- die Position des Auftreffpunktes des oder der Ausgangswerkstoffstränge (4) auf der Bearbeitungsoberfläche (7) und der Auftreffpunkt des Energiestrahles (2) mittels einer optischen Sensoreinrichtung (18) detektiert werden, wobei die Sensoreinrichtung (18) die Strahlführungseinheit (10) und die Werkstoffzuführeinrichtung (3) über einen Steuer/Regelkreis zur Positionierung von Ausgangswerkstoff und Energiestrahl (2) ansteuert, und- ein Abstand zwischen Werkstoffzuführeinrichtung (3) und Bearbeitungsoberfläche (7) mittels einer taktilen Sensoreinrichtung in Verbindung mit einer mit der Werkstoffzuführeinrichtung (3) verbundenen (8) geregelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abscheidung einer oder mehrerer, z. B. metallischer, Schichten, insbesondere für die additive Fertigung eines aus einzelnen Formkörperlagen aufgebauten Formkörpers, wobei Werkstoffe mittels eines Energiestrahls, vorzugsweise eines Laser- oder Elektronenstrahls, aufgeschmolzen und abgeschieden werden.
Zur additiven Fertigung von Formkörpern - häufig auch als 3D-Druck bezeichnet - haben sich verschiedene Verfahren etabliert, u. a. die aus der Schweißtechnik bekannten Verfahren, bei denen ein abschmelzender Schweißdraht über eine Drahtzuführeinrichtung kontinuierlich nachgeführt wird oder das lagenweise Aufbringen eines Pulvers und nachfolgendes entsprechend von Geometriebeschreibungsdaten vorgegebenes, lokal begrenztes Sintern oder Schmelzen der Pulverschicht zu einer Formkörperlage.
Bei den strahlbasierten Prozessen werden bislang die aufzuschmelzenden Materialien in der Mehrzahl in Form von Pulver im Flachbettverfahren zugeführt. Dieses Verfahren lässt sich sowohl mit Elektronenstrahl als auch mit Laserstrahlen durchführen. Den pulverbasierten Flachbett-Verfahren ist gemeinsam, dass die Aufbauraten für eine einzelne Strahlquelle bislang im unteren Bereich limitiert sind.
Ist bei diesem Verfahren eine schnellere Bearbeitung gewünscht, müssen mehrere simultan arbeitende Strahlquellen bzw. Laserköpfe verwendet werden. Dadurch entsteht ein erhöhter maschinenbaulicher Aufwand, welcher entsprechend höhere Kosten erzeugt.
Es ist auch bekannt, das für die Verarbeitung vorgesehene Pulver mittels Druckluft und ggf. mehreren koaxial angeordneter Düsen auf den Bearbeitungspunkt zu fördern. Dieses Verfahren ist jedoch weniger genau, bietet aber mehr Freiheiten bei der Bauteilgröße. Nachteilig ist der anfallende Staub, der durch das nicht aufgeschmolzene Pulver in der Bearbeitungsstation entsteht. Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler geformter Gegenstände oder Strukturen sind beispielsweise in US 2017 / 0 106 444 A1 oder in US 2017 / 0 120 331 A1 beschrieben.
Grundsätzlich sind die Pulverwerkstoffe bzgl. Lagerung und Förderung nur mit großem technischem Aufwand handhabbar, da sie u.U. explosiv oder stark gesundheitsgefährdend sind. Dementsprechend sind die entstehenden Kosten für Herstellung, Lagerung und Handhabung etwa zehnmal höher als bei der Verwendung von Draht.
Für die additive Fertigung von Formkörpern mittels drahtgebundener Verfahren wird drahtförmiger Werkstoff mittels einer aus der Schweißtechnik bekannten Drahtzuführeinrichtung in den Bereich der Schweißzone am Spot des Energiestrahls auf der Formkörperoberfläche gefördert, wobei der Drahtwerkstoff infolge des Energieeintrages an der Drahtspitze in den schmelzflüssigen Zustand übergeht. Nach Kontakt des schmelzflüssigen Materials mit der Formkörperoberfläche bildet sich im Bereich der Schweißzone das Schweißgut aus, welches nach seiner Erstarrung Bestandteil des Formkörpers wird.
In den etablierten Prozessen gibt es derzeit zwei Arten der Drahtzuführung, bezogen auf die Ausrichtung von Energiespot und Draht bezüglich Fahrtrichtung der Führungsmaschine.
Einerseits wird eine so genannte schleppende Anordnung verwendet, bei der der Draht vorlaufend, aus Fahrtrichtung der Führungsmaschine kommend, im Winkel von 10° bis 45° in die Prozessstelle gefördert wird.
Diese Anordnung hat den Nachteil, dass die Orientierung zwischen Spot und Drahtzuführung relativ zur Bewegungsrichtung der Führungsmaschine bzw. des Bauteils immer gleich bleiben muss, d. h., der Spot wird stets hinter dem Draht geführt. Eine Änderung der Bewegungsrichtung ist nur möglich, wenn die Lage von Draht und Spot gleichzeitig angepasst wird. D.h., eine seitliche Bewegung der Fügeeinrichtung ohne eine vorherige Drehung der Anordnung ist nicht möglich, da sonst der Spot seitlich des zugeführten Drahtes auftreffen würde.
Eine Alternative für diese Ausführung besteht darin, den Draht senkrecht (d. h. im Winkel von ca. 90°) in den Prozesspunkt zu führen. Um den Draht koaxial in den Laserstrahl hinein zu führen ist es erforderlich, den Energiestrahl so aufzuteilen, dass die Drahtführung nicht der Laserstrahlung ausgesetzt wird und der Draht erst im Prozesspunkt von den Teilstrahlen getroffen wird. Dies kann über eine ringförmige Aufweitung oder eine mehrfache Aufteilung des Strahls durch entsprechende optische Elemente erfolgen, wie z.B. aus DE 10 2013 104 548 B3 oder DE 10 2009 045 400 B3 bekannt.
Beiden Arten der Drahtzuführung haftet der Nachteil an, dass sich der Draht nur mit begrenzter Geschwindigkeit und in eng begrenzten geometrischen Abmessungen in die Prozessstelle fördern lässt. Eine motorische Drahtförderung macht es erforderlich, den zu fördernden Werkstoff elastisch soweit zu verbiegen, dass er sich dem Förderweg vom Vorratsbehälter oder von einer Spule bis zur Prozessstelle anpassen und den vorgegebenen Richtungswechseln folgen kann. Dicke Materialien oder Material mit ungünstiger Geometrie (z.B. Bänder) lassen sich nur schwer oder nur in eine Richtung biegen. Deshalb ist eine Förderung über einen längeren Weg mit konstanter Geschwindigkeit nur schwer technisch darstellbar. Dies gilt auch für alle dickeren und stabileren Drähte, die oftmals durch Schlupf an den Antriebsrollen ungleichmäßig gefördert werden.
Besonders problematisch wird das Verfahren, wenn zum Zweck der Volumenerhöhung mehrere Einzeldrähte gleichzeitig, diese jedoch ggf. mit unterschiedlichen Fördergeschwindigkeiten zugeführt werden sollen. In diesem Fall wird eine sehr komplexe elektromechanische Anordnung erforderlich, die aus mehreren Einzelantrieben oder komplexeren Getriebeeinheiten bestehen muss. Darüber hinaus ist für jeden Einzeldraht eine separate Zuführung bis zum Prozesspunkt erforderlich.
Aufgrund des Gewichts und der Baugröße ist eine Montage einer derartigen Anordnung an einer Führungsmaschine sehr aufwendig. Ebenfalls sind Umorientierungen der Vorrichtung im Raum erschwert oder gänzlich unmöglich.
Drahtgebundene additive Fertigungsverfahren besitzen außerdem den Nachteil, dass die Abschmelzleistung und folglich die Geschwindigkeit des Formkörperaufbaus durch den Drahtdurchmesser selbst begrenzt sind. Zudem ist nachteilig, dass die Höhe einer Formkörperlage im Hinblick auf die Stabilität des schmelzflüssigen Schweißgutes nicht beliebig erhöht werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der Drahtzuführung hinsichtlich Komplexität, Reibung und Widerstand im Förderweg, Beschränkung der Fördergeschwindigkeit und der Fähigkeit zur Umorientierung in der Bearbeitungsrichtung zu eliminieren, indem ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Fertigung bereitgestellt werden, die eine Anpassung der Werkstoffzuführung in den Parametern Menge, Verteilung und Zuführungsrichtung im laufenden Prozess an die Gegebenheiten ermöglichen, wodurch auf verschiedene Bauteilgeometrien, anzufertigende partielle Überhöhungen in der zu erstellenden Schicht und auf Umorientierungen der Bearbeitungsrichtung reagiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen nach den Ansprüchen 1 bzw. 4 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 3 sowie 5 bis 7.
Nach Maßgabe der Erfindung werden bei der Schichtabscheidung zur additiven Fertigung pastöse, d. h. in pastöser Form vorliegende, Ausgangswerkstoffe verwendet. Unter der Bezeichnung „pastös“ wird hierin eine pastenartige Konsistenz (d. h. mit geringem Kraftaufwand plastisch verformbar, jedoch mit ausreichend hoher Viskosität und damit geringer Fließfähigkeit) verstanden.
Die für die Formkörperherstellung benötigten pastösen Ausgangswerkstoffe werden aus einem Vorratsbehälter über eine Materialfördereinheit in eine Werkstoffzuführeinrichtung befördert. Hierzu kann die Materialfördereinheit mittels Schlauchverbindungen mit dem Vorratsbehälter und/oder der Werkstoffzuführeinrichtung verbunden sein. Die Werkstoffzuführeinrichtung umfasst wenigstens eine Dosiereinrichtung sowie wenigstens eine mit derselben verbundene Auftragsdüse. Mittels dieser Werkstoffzuführeinrichtung werden der oder die pastösen Ausgangswerkstoffe dosiert an die Bearbeitungsposition befördert und dort auf die Bearbeitungsoberfläche aufgetragen. Auf diesen Prozessschritt erfolgt unmittelbar das Umschmelzen des oder der Ausgangswerkstoffe mittels Energiestrahls, d. h., das Aufschmelzen in der Bearbeitungsposition wird zeitgleich mit oder unmittelbar nach dem Aufbringen des wenigstens einen Ausgangswerkstoffes durchgeführt.
Unter „Bearbeitungsoberfläche“ wird hierin derjenige Bereich der Oberfläche eines z. B. Werkstückes, einer Druckplattform oder einer Formkörperlage verstanden, auf welche eine Schicht aufgetragen werden soll. Die Bearbeitungsoberfläche ist also die Oberfläche bzw. der Teilbereich der Oberfläche der bereits fertiggestellten Formkörperlage oder einer Druckplattform, auf die eine Lage des Formkörpers aufgebracht werden soll.
Der Energieeintrag zum Aufschmelzen der Ausgangswerkstoffe erfolgt erfindungsgemäß mittels eines Energiestrahls, vorzugsweise eines Laser- oder Elektronenstrahls, in der Schmelzzone an der Bearbeitungsposition, d. h. an der Auftrefffläche des Energiestrahls auf der Bearbeitungsoberfläche. Im Bereich der Bearbeitungsposition bildet sich nach dem Abscheiden der aufgeschmolzenen Ausgangswerkstoffe - ggf. auch durch Vermischung mit dem angeschmolzenen Formkörpermaterial - an der Formkörperoberfläche das schmelzflüssige Schweißgut aus, welches anschließend zu einer neuen Formkörperlage erstarrt.
Vorzugsweise wird der Energiestrahl in Bearbeitungsrichtung nachlaufend auf die Bearbeitungsposition gelenkt, d. h., die Werkstoffzuführeinrichtung zur Zufuhr des oder der pastösen Ausgangswerkstoffe ist vorzugsweise in Bearbeitungsrichtung vor der Bearbeitungsposition angeordnet.
Durch die Verarbeitung der pastösen Ausgangswerkstoffe können größere Mengen Werkstoff an der Bearbeitungsposition bereitgestellt werden, wobei durch den Verzicht auf Druckluft als Transportmedium die Zustellung - im Gegensatz zu der Verarbeitung von Pulver - weitgehend verlustfrei erfolgt.
Die pastösen Ausgangswerkstoffe unterliegen bei der Förderung vor allem hydraulischen Gesetzmäßigkeiten, sodass die von einer Drahtzuführung bekannten mechanischen Beeinträchtigungen (Biegewiderstand, Reibung, Schlupf an den Antriebsrollen, Verschleiß der Fördereinrichtung, Förderwege und Drahtdüsen) weitgehend vermieden werden.
Gleichzeitig ergibt sich durch die pastöse Form bei entsprechender Viskosität die Möglichkeit, in einem Arbeitsgang bestimmte Überhöhungen in den Teilbereichen der Bearbeitungsbahn zu erzeugen und diese mithilfe eines dynamisch geführten Energiestrahls selektiv nacheinander aufzuschmelzen, wodurch ein bestimmtes Höhenprofil in der Bearbeitungsbahn erzeugt werden kann. Diese Prozessführung verhindert, dass bei schmaleren Konturen aufgeschmolzenes Material an den Rändern abfließt, was zu einer Verschlechterung der Oberflächenqualität der erzeugten Kontur führen würde.
Ein weiterer Vorteil der pastösen Ausgangswerkstoffe ist, dass deren flüssige Bestandteile beim Umschmelzen in den gasförmigen Zustand übergehen, aus der Schmelze entweichen und dadurch eine Schutzatmosphäre um den Prozesspunkt bilden.
Es ist vorgesehen, dass nur ein pastöser Ausgangswerkstoff verwendet wird, der in der Werkstoffzuführeinrichtung in mehrere separate Ausgangswerkstoffstränge aufgeteilt wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, mehrere unterschiedliche pastöse Ausgangswerkstoffe zu verwenden, die jeweils separat der Bearbeitungsposition zugeführt und dort einzeln oder zugleich umgeschmolzen werden.
Es wird aus mehreren ringförmig angeordneten Auftragsdüsen jeweils ein pastöser Ausgangswerkstoffstrang in den Bereich der Bearbeitungsposition gefördert, wobei die Zuführgeschwindigkeit, d. h. die pro Zeiteinheit aus der Auftragsdüse austretende Menge an Ausgangswerkstoff, für jeden Einzelstrang individuell mittels einer jeweils zugeordneten Dosiereinrichtung steuerbar sein kann. D. h., die Einzelstränge können mit jeweils unterschiedlicher Zuführgeschwindigkeit an die Bearbeitungsposition gefördert werden. Die Zufuhr einzelner Ausgangswerkstoffstränge kann bei Bedarf komplett gestoppt werden. Unter individuell steuerbarer Zuführgeschwindigkeit wird also auch das Stoppen der Einzelstränge verstanden.
Auf diese Art ist es ermöglicht, mehrere bzw. unterschiedliche pastöse Ausgangswerkstoffstränge gleichzeitig oder zeitlich versetzt in den Bereich der Bearbeitungsposition zu befördern.
Bei Verwendung der Werkstoffzuführeinrichtung mit mehreren ringförmig angeordneten Auftragsdüsen kann vorgesehen sein, die Ausgangswerkstoffstränge ringförmig um die Bearbeitungsposition auf die Bearbeitungsoberfläche aufzubringen. Insbesondere können bei dieser Ausgestaltung mittels der entsprechenden Dosiereinrichtungen nur diejenigen Ausgangswerkstoffstränge zugeführt werden, die in Bearbeitungsrichtung vor der Bearbeitungsposition zugeführt werden. Die Auftragsdüsen in Bearbeitungsrichtung hinter der Bearbeitungsposition bzw. deren Dosiereinrichtungen sind also geschlossen. Auf diese Art wird jeweils wenigstens ein Ausgangswerkstoffstrang der Bearbeitungsposition vorlaufend zugeführt, wobei bei Änderung der Bearbeitungsrichtung lediglich die entsprechenden Dosiereinrichtungen anzusteuern sind. Die Werkstoffzuführeinrichtung kann somit bei einer Änderung der Bearbeitungsrichtung unbewegt bleiben. Auf diese Weise lässt sich in vorteilhafter Weise eine Unabhängigkeit der Anordnung gegenüber der Umorientierung der Bearbeitungsrichtung erreichen.
Die Einzelstränge können je nach Anwendungsfall einen kreisförmigen oder vieleckigen Querschnitt aufweisen. Zudem ist es möglich, unterschiedliche Ausgangswerkstoffe für jeden der Einzelstränge zu verwenden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, mittels des Energiestrahls den Werkstoff der Bearbeitungsoberfläche an einer Position in Bearbeitungsrichtung vor der Bearbeitungsposition vorzuwärmen oder anzuschmelzen. Somit wird der pastöse Ausgangswerkstoff auf die bereits angewärmte Bearbeitungsoberfläche aufgebracht bzw. in ein auf der Bearbeitungsoberfläche ausgebildetes Schmelzbad eingeführt.
Erfindungsgemäß wird der Energiestrahl, z. B. mittels einer Scannervorrichtung, quer zur Bearbeitungsrichtung pendelnd oder um die Bearbeitungsposition oszillierend bewegt. Hierbei kann auch vorgesehen sein, die Leistung des Energiestrahls synchron zur Pendelbewegung bzw. Oszillation zu steuern.
Insbesondere kann gemäß dieser Ausführungsform der Energiestrahl derart auf der Bearbeitungsoberfläche hin und her bewegt werden, dass in Bearbeitungsrichtung vor der Bearbeitungsposition eine Erwärmung bzw. Anschmelzen der Bearbeitungsoberfläche und - quasi simultan - an der Bearbeitungsposition ein Umschmelzen des oder der zugeführten pastösen Ausgangswerkstoffe erfolgt.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung weist einen Strahlgenerator zur Erzeugung des Energiestrahls, wenigstens einen Vorratsbehälter für pastöse Ausgangswerkstoffe, jeweils eine mit diesem verbundene Materialfördereinheit und die mit den Materialfördereinheiten verbundene Werkstoffzuführeinrichtung mit einer oder mehreren Dosiereinrichtungen und jeweils einer mit diesen Dosiereinrichtungen mittel- oder unmittelbar verbundenen Auftragsdüse, mittels derer wenigstens ein Strang pastösen Ausgangswerkstoffes in den Bereich der Bearbeitungsposition förderbar ist, auf. Erfindungsgemäß ist jede Dosiereinrichtung individuell zur Steuerung der Zuführgeschwindigkeit, und damit auch der Zuführungsmenge, des jeweiligen Ausgangswerkstoffstranges regelbar.
Durch diese Individualsteuerung der Einzelstrangzuführung bei mehreren Dosiereinrichtungen ist ein flexibler Schichtabscheideprozess gewährleistet.
Die oben gelisteten Komponenten der Vorrichtung können in einer baulichen Einheit, z. B. einem Gehäuse, zusammengefasst sein. Auch kann der Strahlgenerator als ein eigenständiges Bauteil ausgebildet sein, das z. B. über lösbare Befestigungsmittel mit der Werkstoffzuführung verbunden bzw. verbindbar ist.
Die Vorrichtung kann um eine vorzugsweise lotrecht angeordnete Achse drehbar gelagert sein. Bei gewöhnlichem, bestimmungsgemäßem Gebrauch steht diese Drehachse senkrecht zur Bearbeitungsoberfläche, d. h. die Vorrichtung ist um die Normale zur Ebene der Bearbeitungsoberfläche rotierbar. Die rotatorische Lagerung ist zum Beispiel Teil eines Mehrachsbewegungssystems.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung kann außerdem eine Bearbeitungsplattform aufweisen, auf welcher der additiv zu fertigende Formkörper aufgebaut wird. Die Bearbeitungsplattform kann relativ zur Werkstoffzuführeinrichtung in der Ebene der Bearbeitungsoberfläche bewegbar sein, zum Beispiel indem die Bearbeitungsplattform translatorisch oder rotarisch in gleichbleibender Höhe in Bezug zur Werkstoffzuführeinrichtung bewegt wird. Alternativ kann auch, mittels entsprechender Aktoren, die Werkstoffzuführeinrichtung gemeinsam mit dem Strahlgenerator relativ zur feststehenden Bearbeitungsplattform bewegbar sein.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Bearbeitungsplattform auch in vertikaler Richtung bewegbar ist, oder dass die Werkstoffzuführeinrichtung, z. B. entsprechend des lagenweisen Wachsens des additiv zu fertigenden Formkörpers, in der Höhe nachführbar ist.
Die Realisierung aller Bewegungsmöglichkeiten ist durch Implementierung allgemein bekannter Mehrachsbewegungssysteme für Bearbeitungsmaschinen erreichbar.
Die Auftragsdüsen können eine kreis- oder ellipsenförmige, eine rechteckige, insbesondere eine schlitzförmige, oder eine ringförmige Auslassöffnung aufweisen. Auch ist jede andere Querschnittsform der Auslassöffnung zur Gestaltung spezieller Konturen der der Bearbeitungsposition zugeführten Stränge pastösen Ausgangswerkstoffes möglich. Bei einer Werkstoffzuführeinrichtung mit mehreren Auftragsdüsen kann auch eine, mehrere oder jede der Auftragsdüsen eine individuelle - und somit von den anderen Auftragsdüsen unterschiedliche - Querschnittsform der Auslassöffnung aufweisen.
Die Vorrichtung kann weiterhin eine Einrichtung zur Temperierung der Ausgangswerkstoffstränge - z. B. zur Erwärmung des pastösen Ausgangswerkstoffs - aufweisen, beispielweise in Form von elektrisch betreibbaren Heizelementen, die in oder am Vorratsbehälter und/oder der Werkstoffzuführeinrichtung angeordnet sein können. Mittels geregeltem Temperierens des Ausgangswerkstoffs kann somit in vorteilhafter Weise dessen Viskosität gezielt eingestellt werden.
Die Vorrichtung kann weiter derart ausgebildet sein, dass die Positionierung der Werkstoffzuführung und des Energiestrahls durch ein bewegliches Element, vorzugsweise durch ein Schwenkelement erfolgt, wobei die Halterung für die Werkstoffzuführung entstehende Längenabweichungen in Bauteilrichtung ausgleicht (sog. Planfeldkorrektur).
Erfindungsgemäß umfasst die Werkstoffzuführeinrichtung der Vorrichtung mehrere Auftragsdüsen. Diese sind ringförmig um den Energiestrahl angeordnet, d. h. der Energiestrahl wird durch die Werkstoffzuführeinrichtung hindurch durch das Zentrum des Auftragsdüsenringes geführt. Es kann vorgesehen sein, dass die Auftragsdüsen - z. B. entkoppelt vom Stahlgenerator - um eine vorzugsweise lotrecht angeordnete Achse (manuell oder steuerbar angetrieben) um den Energiestrahl herum bewegbar sind, sodass eine Rotation der Düsenanordnung um die Strahlachse ermöglicht ist.
Dies ermöglicht es, die Einzelstränge hinsichtlich der Relativbewegungsrichtung von Bearbeitungsoberfläche und Energiestrahl auszurichten. Durch Variation der Ausrichtung während der Formkörperfertigung kann die quer zur Relativbewegungsrichtung wirksame Abscheidebreite, d. h. die Projektionsbreite der Einzelstränge in Relativbewegungsrichtung, verändert werden, sodass stufenlose Wanddickenänderungen bei der Formkörperherstellung realisierbar sind.
Erfolgt die Ausgangswerkstoffzuführung über eine koaxial um den Energiestrahl angeordnete, durchgehende Ringdüse, kann diese auch partiell aufgeteilt bzw. ansteuerbar sein. Hierdurch können lokal unterschiedlich aufbringbare Volumina des Ausgangswerkstoffes oder eine genaue Positionierung des Ausgangswerkstoffes hinsichtlich des Auftreffpunktes des Energiestrahls auf der Bearbeitungsoberfläche eingestellt werden.
Durch das Verfahren und die Vorrichtung ist die additive Formkörperfertigung mit hoher Aufbaurate ermöglicht: Die Formkörperlagen von Wänden des Formkörpers können bei entsprechender Spurbreite der Ausgangswerkstoffstränge in einem Übergang hergestellt werden - im Unterschied zur Fertigung mit einem Einzeldraht, die häufig erfordert, Material in mehreren Bahnen Material abzuscheiden, um die gleiche Fläche zu füllen. Der Aufbau von Formkörpern ist folglich deutlich schneller und wirtschaftlicher realisierbar als mit vergleichbaren Einzeldrahtverfahren und -vorrichtungen.
Die individuelle Ansteuerung einzelner Ausgangswerkstoffstränge erlaubt zudem den schnellen Wechsel bei sich ändernden Konturen der Geometrie des Formkörpers. Die Breite der aufgebauten Formkörperlage kann durch die Ab- und Zuschaltung der Ausgangswerkstoffstränge der Sollkontur des Formkörpers angepasst werden; bei gekrümmter Bauteilgeometrie, zum Beispiel bei gebogenen Formkörperwänden, werden die Ausgangswerkstoffstränge im Außenradiusbereich mit höherer Zuführgeschwindigkeit in die Schweißzone gefördert als im Innenradiusbereich.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Vorrichtung ein Strahlfomungswerkzeug, welches über eine dynamische Strahlführung (Ablenkungseinheit) verfügt, oder eine Scanneroptik umfasst, die es ermöglichen, den Energiestrahl in vorgegebener Weise abzulenken und den Spot des Energiestrahls auf der Bearbeitungsoberfläche gezielt zu positionieren. Bekannte Ausführungen derartiger Scanneroptiken sind zum Beispiel Laserscanner mit beweglichen Spiegeln.
Mittels einer solchen Vorrichtung können zum Beispiel durch pendelnde Hin- und Herbewegung auch unterschiedlich breite Werkstoffspuren durch Spotbewegung sicher bearbeitet werden. Beispielsweise kann der Spot des Energiestrahls mehrere Einzelstränge pastösen Ausgangswerkstoffes sukzessive überstreichen und die Einzelstränge punktuell aufschmelzen; es entstehen räumlich eng begrenzte Schweißzonen. Durch die Verringerung des lokalen Schmelzbadvolumens wird die Genauigkeit der Formkörperherstellung ohne Einbuße der Auftragsrate verbessert.
Eine Alternative dazu - mit geringerem gerätetechnischem Aufwand - stellt die Anwendung eines Strahlgenerators dar, der einen Energiestrahl mit linienförmigem, über die gesamte Breite mehrere Einzelstränge pastösen Ausgangswerkstoffes reichendem Spot erzeugt. In dieser Ausführung kann durch Variation der Spotlinienbreite die Energiezufuhr bzw. die Größe der Schweißzone verändert werden.
Ebenso kann ein Strahlformungswerkzeug in den Strahlengang des Energiestrahles eingebracht sein, welches die Querschnittsform des Energiestrahles verändert, sodass verschieden breite Werkstoffspuren mit angepassten Spotgrößen oder Spotformen bearbeitet werden können.
Weiterhin kann der Strahlgenerator auch derart ausgebildet sein, dass mehrere Energiestrahlen erzeugbar sind, die z. B. in separaten Einzelspots auf die Einzelstränge pastösen Ausgangswerkstoffes auftreffen. Dies ermöglicht wiederum, die Einzelstränge punktuell aufschmelzen.
Die Abschmelzrate der Einzelstränge ist zudem - in bekannter Weise - durch positions- und zeitabhängige Veränderung der Energiestrahlleistung steuerbar.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung Vorratsbehälter für flüssige und feste Einzelbestandteile der pastösen Ausgangswerkstoffe sowie für jeden pastösen Ausgangswerkstoff eine zwischen den Vorratsbehältern und der jeweiligen Materialfördereinheit angeordnete ansteuerbare Pastenmischeinheit, mittels derer die flüssigen und festen Bestandteile des pastösen Ausgangswerkstoffes zu einer Paste mit vorgegebener Viskosität mischbar sind. Die Pastenmischeinheit kann eine Schnittstelle aufweisen, über die - auch während eines laufenden Prozesses - Befehle zur Einstellung eines genauen Mischungsverhältnisses der flüssigen und festen Bestandteile empfangbar sind. Somit ist während der Fertigung, d. h. in Echtzeit, die Viskosität der pastenförmigen Ausgangswerkstoffe vorgebbar bzw. an gegebene Anforderungen anpassbar.
Die Vorrichtung umfasst eine optische und eine taktile Sensoreinrichtung. Die Position des Auftreffpunktes der Ausgangswerkstoffstränge auf der Bearbeitungsoberfläche wird ebenso wie der Auftreffpunkt des Energiestrahles mittels der optischen Sensoreinrichtung detektiert. Beispielsweise kann die Zuführgeschwindigkeit der Ausgangswerkstoffe auf Basis dieser Überwachungsparameter regelbar sein. Ein optischer Sensor ist koaxial um den Energiestrahl angeordnet.
Eine taktile Sensoreinrichtung kann in Verbindung mit einer mit der Werkstoffzuführeinrichtung verbundenen Positionsregeleinheit (z. B. ein in lotrechter Richtung wirkendes Teleskopelement) zur Reglung des Abstandes zwischen Werkstoffzuführeinrichtung bzw. Auftragsdüsen und Bearbeitungsoberfläche fungieren.
Durch optische Sensoreinrichtungen ist zudem die Formkörpergeometrie, d. h. die Höhe und Form der einzeln aufgebauten Formkörperlagen, in situ während des Formkörperaufbaus mithilfe optischer Verfahren messbar - zum Beispiel mittels Triangulation. Die Geometriedaten der so ermittelten Ist-Geometrie des Formkörpers können mit Vorgabedaten verglichen werden und ermöglichen auf dieser Basis eine adaptive Prozesssteuerung.
Des Weiteren ist die optische Sensoreinrichtung zum Detektieren der Wärmestrahlung aus dem Bereich der Schweißzone ausgebildet, wobei mit deren Hilfe Schmelzbadtemperaturen ebenso wie Oberflächentemperaturen des Formkörpers in der Schmelzzone oder angrenzend zur Schmelzzone zwecks Prozessüberwachung oder -regelung bestimmt werden. Auch die zeitabhängigen Temperaturänderungen, zum Bespiel Abkühlraten, sind zur Prozesskontrolle und - regelung geeignet.
Die Druckplattform kann zur Verminderung von Verzug, zur Einsparung von Laserleistung oder zum Einspannen von Aufschweißelementen beheizt sein. Die Beheizung ist bevorzugt regelbar ausgeführt; Schweißguttemperatur, Abkühlrate und/oder Formkörperoberflächentemperatur sind z. B. geeignete Prozessparameter zur Steuerung der Heizung der Druckplattform. Die Verwendung der beheizten Druckplattform ist förderlich zur Vermeidung von Rissbildung und Verzug sowie zur Ausbildung eines homogenen Werkstoffgefüges.
Das Verfahren und die Vorrichtung zur additiven Fertigung sind anhand der folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den schematischen Zeichnungen näher beschrieben. Dazu zeigen

1: die Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß einer ersten Ausführung in Längsschnitt,
2: die Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß einer zweiten Ausführung in Perspektivansicht; .
3: die Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß einer dritten Ausführung in Perspektivansicht; und
4: die Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß einer vierten Ausführung in Perspektivansicht.

Die Vorrichtung gemäß 1 umfasst den Strahlgenerator 1 zur Erzeugung des Energiestrahls 2, die Strahlführungseinheit 10, den Materialvorratsbehälter 20, die Materialfördereinheit 9 und die Werkstoffzuführeinrichtung 3. Die Strahlführungseinheit 10 beinhaltet die Kollimationseinheit 14, die aktive Ablenkungseinheit 11 und die passive Ablenkungseinheit 12, die Fokussiereinheit 13 sowie die Kamera 16 mit der Fokussiereinheit 15 zur Detektion der Messstrahlung 17. Außerdem umfasst die Vorrichtung zur Detektion der Messstrahlung 17 noch die Sensoreinrichtung 18, welche über einen entsprechenden Steuer/Regelkreis (nicht dargestellt) zur Positionierung von Werkstoff und Energiestrahl die Strahlführungseinheit 10 und die Werkstoffzuführeinrichtung 3 ansteuert.
Mittels dieser Vorrichtung wird der Formkörper 5 lagenweise gefertigt, indem auf die Bearbeitungsoberfläche 7 die Formkörperlage 6 aufgebracht wird. Der pastöse Ausgangswerkstoff wird hierfür von der Materialfördereinheit 9 aus dem Materialvorratsbehälter 20 über das flexible Verbindungselement 9a und die Anschlusselemente 9b in die Werkstoffzuführeinrichtung 3 befördert. Innerhalb der Werkstoffzuführeinrichtung 3 befindet sich die Dosiereinrichtung 3a, mittels derer der pastöse Ausgangswerkstoff exakt dosiert durch die Auftragsdüse 3b auf die Bearbeitungsoberfläche 7 aufgebracht wird, wo er vom Energiestahl 2 zu der Formkörperlage 6 umgeschmolzen wird. Während der Fertigung wird der Formkörper 5 entgegen der Bearbeitungsrichtung relativ zu der Werkstoffzuführeinrichtung 3 bzw. der Strahlführungseinheit 10 bewegt (veranschaulicht durch den Pfeil 23).
Zur exakten Justierung des Abstandes von Auftragsdüse 3b zur Bearbeitungsoberfläche 7 dienen in diesem Beispiel die Aufhängung 8, die als Teleskopelement in z-Richtung ausgebildet ist, und das taktile Element 21.
Die in einer Linie parallel nebeneinander angeordneten Einzelstränge 4 des Ausgangswerkstoffes werden - gemäß 2 - mittels der Werkstoffzuführeinrichtung 3, die den von der Materialfördereinheit 9 über die Verbindungselemente 9a und Anschlusselemente 9b aus dem Materialvorratsbehälter 20 zugeführten pastösen Ausgangswerkstoff entsprechend aufteilt, zur Bearbeitungsoberfläche 7 des Formkörpers 5 gefördert. Hierbei ist jedem der Einzelstränge 4 eine Dosiereinrichtung 3a zugeordnet, sodass die Einzelstränge 4 unabhängig voneinander dosierbar sind. Der von der Strahlführungseinheit 10 geführte Energiestrahl 2 pendelt quer zur Relativbewegung 23 des Formkörpers 5 hin und her (vgl. Doppelpfeil). Am Spot des Energiestrahls 2 bildet sich die Schweißzone aus, in der die Einzelstränge 4 umgeschmolzen werden. Das schmelzflüssige Schweißgut erstarrt zur Formkörperlage 6.
3 zeigt die Ausgestaltung der Vorrichtung mit ringförmig um die Strahlachse des Energiestrahles 2 angeordnete Auftragsdüsen 3b. Durch Einzelansteuerung der zugeordneten Dosiereinrichtungen 3a werden stets - auch bei Änderung der Bearbeitungsrichtung 19 - Einzelstränge 4 nur in Bearbeitungsrichtung 19 dem Energiestrahl 2 vorlaufend abgeschieden. Die Werkstoffzuführeinrichtung kann somit zumindest rotatorisch unbewegt bleiben.
Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung ist in 4 gezeigt, bei welcher die Werkstoffzuführeinrichtung 3 zentral innerhalb mehrerer möglicher Laufwege des Energiestrahls 2 angeordnet ist. Die Strahlführungseinheit 10 wird derart angesteuert, dass der Energiestrahl 2 in Bearbeitungsrichtung 19 stets dem Einzelstrang 4 nachlaufend positioniert ist.
Nach dem Aufschmelzen des Einzelstrangs 4 in der Schweißzone und dem Abscheiden des aufgeschmolzenen Schweißgutes bildet sich wiederum die Formkörperlage 6 des Formkörpers 5 aus.
Bezugszeichenliste

1: Strahlgenerator
2: Energiestrahl
3: Werkstoffzuführeinrichtung
3a: Dosiereinrichtung für Werkstoffzuführung
3b: Auftragsdüse
4: Einzelstrang pastösen Ausgangswerkstoffes
5: Formkörper
6: Formkörperlage
7: Bearbeitungsoberfläche / Formkörperoberfläche
8: Aufhängung für Werkstoffzuführeinrichtung und taktiles Element
9: Materialfördereinheit
9a: Flexibles Verbindungselement
9b: Anschlusselement
10: Scanneroptik / Strahlführungseinheit
11: aktive Ablenkungseinheit
12: passive Ablenkungseinheit
13: Fokussiereinheit
14: Kollimationseinheit
15: Kamera-Fokussiereinheit
16: Kamera
17: Messstrahlung
18: Sensoreinrichtung
19: Bearbeitungsrichtung
20: Vorratsbehälter
21: Taktiles Element
23: Relativbewegung des Formkörpers

Claims

Verfahren zur additiven Fertigung eines aus einer Vielzahl von Formkörperlagen (6) gebildeten Formkörpers (5), wobei wenigstens ein Ausgangswerkstoff in einer Bearbeitungsposition auf eine Bearbeitungsoberfläche (7) aufgebracht und dort mittels eines Energiestrahls (2) zu einer Schmelze aufgeschmolzen wird, die nach ihrem Erkalten einen Teil der abzuscheidenden Formkörperlage (6) ausbildet, wobei die Bearbeitungsposition mit einer Vorschubgeschwindigkeit in einer Bearbeitungsrichtung (19) auf der Bearbeitungsoberfläche (7) bewegt wird, wobei - pastöse Ausgangswerkstoffe verwendet werden; und - jeder der pastösen Ausgangswerkstoffe mittels einer Materialfördereinheit (9) und einer wenigstens eine Dosiereinrichtung (3a) umfassenden Werkstoffzuführeinrichtung (3) an die Bearbeitungsposition befördert wird; dadurch gekennzeichnet, dass - das Aufschmelzen in der Bearbeitungsposition zeitgleich mit oder unmittelbar nach dem Aufbringen des wenigstens einen Ausgangswerkstoffes durchgeführt wird, - der Energiestrahl (2) mittels einer Strahlführungseinheit (10) quer zur Bearbeitungsrichtung (19) pendelnd oder um die Bearbeitungsposition oszillierend bewegt wird, - der pastöse Ausgangswerkstoff in der Werkstoffzuführeinrichtung (3) in mehrere ringförmig um die Bearbeitungsposition angeordnete Ausgangswerkstoffstränge (4) aufgeteilt wird, wobei mittels derjenigen Dosiereinrichtungen (3a), die in Bearbeitungsrichtung (19) vor der Bearbeitungsposition positioniert sind, jeweils ein Ausgangswerkstoffstrang (4) mit jeweils individuell vorgebbarer Zuführgeschwindigkeit in den Bereich der Bearbeitungsposition gefördert wird und diejenigen Dosiereinrichtungen (3a), die in Bearbeitungsrichtung (19) hinter der Bearbeitungsposition positioniert sind, geschlossen werden, - zur Prozessüberwachung oder -regelung mittels einer optischen Sensoreinrichtung (18) Schmelzbadtemperaturen und Oberflächentemperaturen des Formkörpers (5) in der Schmelzzone oder angrenzend zur Schmelzzone bestimmt werden, - die Position des Auftreffpunktes des oder der Ausgangswerkstoffstränge (4) auf der Bearbeitungsoberfläche (7) und der Auftreffpunkt des Energiestrahles (2) mittels einer optischen Sensoreinrichtung (18) detektiert werden, wobei die Sensoreinrichtung (18) die Strahlführungseinheit (10) und die Werkstoffzuführeinrichtung (3) über einen Steuer/Regelkreis zur Positionierung von Ausgangswerkstoff und Energiestrahl (2) ansteuert, und - ein Abstand zwischen Werkstoffzuführeinrichtung (3) und Bearbeitungsoberfläche (7) mittels einer taktilen Sensoreinrichtung in Verbindung mit einer mit der Werkstoffzuführeinrichtung (3) verbundenen (8) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Bearbeitungsoberfläche (7) vorliegende Material in Bearbeitungsrichtung (19) vor der Bearbeitungsposition mittels des Energiestrahls (2) zu einem Schmelzbad aufgeschmolzen und der pastöse Ausgangswerkstoff in der Bearbeitungsposition auf das Schmelzbad abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spot des Energiestrahls (2) mittels der Strahlführungseinheit (10) in einer Richtung quer zur Bearbeitungsrichtung (19) pendelnd bewegt wird, wobei die Leistung des Energiestrahls (2) synchron zur Pendelbewegung gesteuert wird.
Vorrichtung zur additiven Fertigung eines aus wenigstens einer Formkörperlage (6) aufgebauten Formkörpers (5) durch Abscheiden und Aufschmelzen von Ausgangswerkstoffen im Bereich einer Bearbeitungsposition eines Energiestrahls (2) auf einer Bearbeitungsoberfläche (7), wobei die Vorrichtung eine Werkstoffzuführeinrichtung (3), einen Strahlgenerator (1) zur Erzeugung des Energiestrahls (2), eine Strahlführungseinheit (10) zur Bewegung des Spots des Energiestrahls (2) auf der Bearbeitungsoberfläche (7), und wenigstens einen Vorratsbehälter (20) für pastöse Ausgangswerkstoffe und/oder Einzelbestandteile für pastöse Ausgangswerkstoffe und jeweils eine mit diesem verbundene Materialfördereinheit (9) umfasst; dadurch gekennzeichnet, dass - die Werkstoffzuführeinrichtung (3) mehrere Dosiereinrichtungen (3a) mit jeweils einer mittel- oder unmittelbar verbundenen Auftragsdüse (3b) aufweist, mittels derer wenigstens ein Strang (4) pastösen Ausgangswerkstoffes in den Bereich der Bearbeitungsposition förderbar ist, wobei eine Menge des pastösen Ausgangswerkstoffes sowie eine Zuführgeschwindigkeit jedes Stranges (4) mittels der dem jeweiligen Strang (4) zugeordneten Dosiereinrichtung (3a) individuell steuerbar ist, wobei die Auftragsdüsen (3b) ringförmig um die Strahlachse des Energiestrahles (2) angeordnet sind, - die Vorrichtung zur additiven Fertigung eine taktile Sensoreinrichtung umfasst, die in Verbindung mit einer mit der Werkstoffzuführeinrichtung verbundenen Positionsregeleinheit (8) zur Regelung des Abstands zwischen der Werkstoffzuführeinrichtung (3) und der Bearbeitungsoberfläche (7) eingerichtet ist, und - die Vorrichtung zur additiven Fertigung eine optische Sensoreinrichtung (18) zur Positionsbestimmung des wenigsten einen Ausgangswerkstoffstranges (4) und/oder des Auftreffpunktes des Energiestrahls (2) auf der Bearbeitungsoberfläche (7) und/oder zur geometrischen Vermessung des Formkörpers (5) und/oder zur Detektion von Wärmestrahlung aufweist, wobei ein optischer Sensor der optischen Sensoreinrichtung (18) koaxial um den Energiestrahl (2) angeordnet ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Strahlgenerator (1) zur Erzeugung eines Energiestrahls (2) mit linienförmiger Querschnittsfläche oder zur Erzeugung mehrerer Teil-Energiestrahlen (2) oder zur Modifikation der Strahlquerschnittsgeometrie aufweist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Vorratsbehälter (20) für flüssige und feste Einzelbestandteile der pastösen Ausgangswerkstoffe sowie für jeden pastösen Ausgangswerkstoff eine zwischen den Vorratsbehältern (20) und der jeweiligen Materialfördereinheit (9) angeordnete ansteuerbare Pastenmischeinheit, mittels derer in Echtzeit die flüssigen und festen Bestandteile des pastösen Ausgangswerkstoffes zu einer Paste mit vorgegebener Viskosität mischbar sind, umfasst.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Werkstoffzuführeinrichtung (3) um eine im Wesentlichen senkrecht zu der Bearbeitungsoberfläche (7) angeordnete Achse drehbar gelagert ist.