DE102015008918B4

DE102015008918B4 - Verfahren zur additiven Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen

Info

Publication number: DE102015008918B4
Application number: DE102015008918.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wahl; Alexander Weil
Original assignee: Evobeam GmbH
Current assignee: Evobeam GmbH
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2024-12-24
Anticipated expiration: 2035-07-16
Also published as: DE102015008918A1

Abstract

Verfahren zur additiven Herstellung von dreidimensionalen, metallischen Bauteilen (12), wobei die Bauteile (12) schicht- oder abschnittsweise durch Verschmelzen eines zugeführten, metallischen Werkstoffes mit dem Bauteil (12) unter Vakuumbedingungen aufgebaut werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschmelzen des metallischen Werkstoffes mit dem Bauteil (12) an einer Bearbeitungssstelle mittels eines Lichtbogens (20) durchgeführt wird, wobei der Lichtbogen (20) mittels eines Laser- (22) und/oder Elektronenstrahls geführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur additiven Herstellung von dreidimensionalen, metallischen Bauteilen, wobei die Bauteile schicht- oder abschnittsweise durch Verschmelzen eines zugeführten metallischen Werkstoffes mit dem Bauteil unter Vakuumbedingungen aufgebaut werden.
Derartige Verfahren sind beispielsweise aus der EP 1 296 788 B1 oder DE 10 2013 108 111 A1 bekannt. Üblicherweise wird ausgehend von einem Substrat, das auch bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann, der Werkstoff schichtweise aufgetragen, indem in einzelnen Schritten jeweils eine Pulverschicht aufgebracht wird, die anschließend mit Hilfe des Lasers mit dem Untergrund an den Stellen verschmolzen wird, an welchen ein Materialauftrag gewünscht ist. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis das gewünschte Bauteil hergestellt ist, wobei auch komplexe dreidimensionale Strukturen durch den schichtweisen Aufbau möglich sind. Auch aus der US 6,605,795 B1 und der US 7,765,022 B2 sind derartige Verfahren bekannt.
Es hat sich aber gezeigt, dass durch den nach jeder Schicht erforderlichen Auftrag einer weiteren Pulverschicht, die zudem auch noch glatt gestrichen werden muss, zum Einen ein recht hoher Zeitaufwand erforderlich ist und zum Anderen relativ große Mengen an Pulver anfallen, die gar nicht mit dem Bauteil verschmolzen werden. Es versteht sich, dass das Restpulver bei den bekannten Verfahren dann in besonders großen Mengen anfällt, wenn das herzustellende Bauteil in Bezug auf die Grundfläche relativ viele Hohlräume und Aussparungen aufweist.
Beim Einsatz von Laserstrahlen zum Verschmelzen des Materials besteht bei der additiven Herstellung auch ein Problem darin, dass durch den relativ hohen Wärmeeintrag eines Laserstrahls, der eine Lichtleistung von bis zu 4kw haben kann, bereits erzeugte Materialschichten unter der gerade in Bearbeitung befindlichen Schicht erneut aufgeschmolzen werden können, was im Sinne einer Herstellung qualitativ hochwertiger Bauteile unerwünscht ist.
Bekannt ist auch das Auftragen von Material mittels eines Lichtbogens, dem sogenannten Auftragsschweißen, das aber im Rahmen additiver Herstellungsverfahren bislang keine große Bedeutung erlangen konnte. Insbesondere bei der Bearbeitung der Werkstücke zum Erzeugen des Bauteils im Vakuum besteht ein großes Problem darin, dass ein Lichtbogen im Vakuum oft unkontrolliert springt, was wiederum nachteilig für die Qualität des herzustellenden Bauteils ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Qualität der erzeugten Bauteile verbessert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art das Verschmelzen des metallischen Werkstoffes mit dem Bauteil an einer Bearbeitungsstelle mittels eines Lichtbogens durchgeführt wird, wobei der Lichtbogen mittels eines Laser- und/oder Elektronenstrahls geführt wird.
Es hat sich gezeigt, dass durch die Kombination eines Lichtbogens, der die Hauptschmelzleistung zum Aufschmelzen und Verschmelzen des zugeführten metallischen Werkstoffes mit dem Bauteil liefert, und einem Laser, ggf. auch einem Elektronenstrahl, der den Lichtbogen führt, eine besonders gute Kombination aus geringem Wärmeeintrag in die bereits zuvor erzeugten Schichten des Bauteiles einerseits und einem schnellen Materialauftrag bei präziser Führung der Bearbeitungsstelle andererseits ermöglicht ist. Es hat sich gezeigt, dass unter der Führung eines Lasers oder auch Elektronenstrahls der Lichtbogen auch unter Vakuumbedingungen nicht mehr zum unkontrollierten Sprengen neigt, so dass die Position eines Schmelzbades an der Bearbeitungsstelle zum einen präzise geführt werden kann, zum anderen aber auch nicht tief in das bereits erzeugte Werkstück hineinreicht.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Lichtbogen mithilfe des Laserstrahls fokussiert und/oder zusätzlich ionisiert. Durch diese Maßnahme kann die Qualität des Materialauftrags weiter gesteigert werden.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, den metallischen Werkstoff als Pulver zuzuführen, wobei zum einen die Möglichkeit besteht, in an sich bekannter Weise den metallischen Werkstoff als Pulver nacheinander schichtweise auf die bereits erzeugten Schichten des Bauteiles aufzutragen und anschließend mit Hilfe des laser- und/oder elektronenstrahlgesteuerten Lichtbogens dort zu verschmelzen, wo ein Materialauftrag gewünscht ist. Zur Vermeidung von unnötigem Anfall an Metallpulver, das zum Erzeugen eines Materialauftrages gar nicht notwendig ist, kann es vorteilhaft sein, das metallische Pulver in einem Gasstrom zu verwirbeln und anschließend den Gasstrom der Bearbeitungsstelle zuzuleiten. Es hat sich gezeigt, dass durch diese Maßnahme deutlich weniger überschüssiges Pulver anfällt, was insbesondere beim Ablauf des Verfahrens in einer Vakuumkammer vorteilhaft ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der metallische Werkstoff als Draht zugeführt wird.
Der Draht kann dabei bezüglich des Laser- und/oder Elektronenstrahls lateral oder koaxial zugeführt werden, wobei der Draht kalt oder ggf. bis in den Bereich der Solidustemperatur vorgewärmt zugeführt werden kann.
Der Draht kann beispielsweise durch eine Durchführung in der Wand einer Vakuumkammer über ein Druckstufensystem zugeführt werden aber auch über einen Drahtvorrat innerhalb des Vakuums.
Vorzugsweise wird der Draht als abschmelzende Elektrone zur Ausbildung des Lichtbogens zwischen dem Draht und dem Bauteil zugeführt.
Diese Variante bietet den Vorteil, dass zur Durchführung des Verfahrens innerhalb der Vakuumkammer wenige Teile erforderlich sind, wobei das Abschmelzen des Drahtes an der Spitze unmittelbar mit Hilfe des dort erzeugten Lichtbogens erfolgt. Vorzugsweise ist der Draht in der Zustellrichtung und in der Gegenrichtung beweglich, so dass durch ein Vor- und Zurückbewegen der Lichtbogen gesteuert werden kann. Das Vor- und Zurückziehen kann zur Verfeinerung des Verfahrens auch dazu eingesetzt werden, gezielt Tropfen an der Spitze des Drahtes abzulösen und den Wärmeeintrag in das Bauteil zu minimieren.
Alternativ kann eine nicht abschmelzende Elektrone eingesetzt werden, um den Lichtbogen auszubilden, wobei der Draht der dadurch gebildeten Bearbeitungsstelle zugeführt wird. Auch hier kann die Position der feststehenden Elektrode selbstverständlich zur Steuerung des Lichtbogens variabel steuerbar sein.
Der Lichtbogen kann mit einem Gleichstrom oder auch mit einem Wechselstrom generiert werden. Dadurch können die durch den Schweißstrom entstehenden magnetischen Felder beeinflusst werden und damit einhergehenden sogenannte Arc-Blows, Spritzer und dergleichen positiv beeinflusst werden.
Vorzugsweise wird das Verfahren in der Weise durchgeführt, dass die Bearbeitungsstelle in einer Vakuumkammer stationär ausgebildet wird, während das Bauteil während des Materialauftrages relativ zur Bearbeitungsstelle verfahren wird.
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Es zeigen:

1 einen Längsschnitt einer Vorrichtung zur additiven Herstellung eines metallischen Bauteils;
2 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zum additiven Herstellen von dreidimensionalen metallischen Bauteilen.

In 1 ist eine Vorrichtung 10 gezeigt, mit welcher ein Verfahren zur additiven Herstellung eines metallischen Bauteils 12, das hier als im Aufbau befindliches Werkstück dargestellt ist, in einer Vakuumkammer 14 durchführbar ist. Das Bauteil 12 bzw. Werkstück ist auf einem nicht näher gezeigten Tisch montiert, der ein Verfahren des Bauteils in der X-, Y- und Z-Richtung ermöglicht. Das Bauteil 12 wird schichtweise im Sinne der additiven Herstellung erzeugt, d. h. bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind bereits eine Reihe von Schichten aufgetragen worden, wobei die aufgetragene aktuelle Materialschicht 16 zur Veranschaulichung nicht maßstäblich überhöht dargestellt ist. Die erste Schicht kann auf einem zuvor in die Kammer 14 eingebrachten Substrat aufgebaut werden.
Eine Vakuumpumpe 18 evakuiert das Innere der Vakuumkammer 14 auf die im Bereich von thermischen Bearbeitungsverfahren im Vakuum üblichen Druckwerte.
Der zum Verschmelzen von zugeführtem metallischem Werkstoff in der aufgetragenen Materialschicht 16 erforderliche Energieeintrag wird durch einen Lichtbogen 20 bereitgestellt, der zwischen einem als metallischem Werkstoff zugeführten Draht 28 und dem Werkstück 12 aufgebaut wird. Da ein Lichtbogen unter Vakuumbedingungen dazu neigt, unkontrolliert seine Position zu ändern, ist ein Laser 21 außerhalb der Kammer angeordnet, der selbst nur eine relativ geringe Lichtleistung, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ca. 100 Watt, aufweist, die selbst gar nicht geeignet wäre, das Material aufzuschmelzen, um die Auftragsschicht 16 auszubilden.
Ein Laserstrahl 22 des Lasers 20 wird durch ein Eintrittsfenster 24 in der Wandung der Vakuumkammer 14 zu einer Bearbeitungsstelle auf dem Bauteil 12 geleitet, an welcher sich durch den angesprochenen Lichtbogen 20 ein Schmelzbad 26 ausbildet. Eine nicht näher dargestellte Belüftung der Innenseite des Eintrittsfensters 24 verhindert, dass sich dort Metalldämpfe als Kondensat niederschlagen können. Der Laserstrahl 22 dient zum einen der Positionierung des Lichtbogens 20 an der gewünschten Bearbeitungsstelle und eignet sich ferner dazu, den Lichtbogen zu fokussieren und weiter zu ionisieren. Auf diese Art und Weise ist es möglich, mit einem vergleichsweise kleinen und leistungsschwachen Laser die durch den Lichtbogen 20 erzeugte Schmelzenergie zu steuern und ein qualitativ hochwertiges Bauteil 12 herzustellen.
Der Draht 28 wird mittels einer sehr vereinfacht dargestellten Drahtzuführung 30 der Bearbeitungsstelle an dem Schmelzbad 26 zugeführt, wobei er durch eine Vakuumdurchführung 32 in der Wandung der Vakuumkammer 14 in das Innere der Vakuumkammer zugeführt und beispielsweise durch angetriebene Reibwalzen zugestellt wird. Zur Ausbildung des Lichtbogens ist eine außerhalb der Vakuumkammer angeordnete Gleichstromquelle 34 angeordnet, deren negative Polarität mit dem Draht 28 und deren positive Polarität mit dem Werkstück 12 verbunden ist. Spannung und Leistungsfähigkeit der Stromquelle 34 sind derart ausgebildet, dass sich der Lichtbogen 20 zwischen einem Drahtende 36 und dem Werkstück 12 an der Stelle des Schmelzbades 26 ausbilden kann. Die Drahtzuführung 30 ist dabei geeignet, den Draht in beiden Richtungen zu bewegen, d. h. zum Schmelzbad 26 hin, aber auch vom Schmelzbad weg, um einerseits den Lichtbogen 20 steuern zu können und andererseits auch für eine gezielte Ablösung von aufgeschmolzenem Metall am Drahtende 36 zu sorgen und insgesamt den Energieeintrag in das Werkstück 12 möglichst minimal zu halten, um ein Aufschmelzen unter der aktuellen Materialschicht 16 bereits zuvor erzeugter Werkstoffschichten zu vermeiden. Es ist auch ohne weiteres möglich, anstelle einer Gleichstromquelle 34 eine Wechselstromquelle zur Erzeugung des Lichtbogens einzusetzen, womit ggf. die durch den Schweißstrom entstehenden magnetischen Felder und damit einhergehende sogenannte Arch-Blows und Metallspritzer positiv beeinflusst werden können.
Der Stromfluss in dem Draht 28 zwischen einer Anschlussstelle 38 der Stromquelle und dem Lichtbogen 20 hat auch zur Folge, dass sich der Draht aufheizt, was sich insgesamt positiv im Hinblick auf einen verminderten Wärmeeintrag in das Werkstück 12 auswirkt, weil die Lichtbogenleistung zum Aufschmelzen und Auftragen des metallischen Werkstoffes dadurch kleiner eingestellt werden kann.
In 2 ist eine weitere Vorrichtung 10 gezeigt, die in vielen konstruktiven Details der zuvor vorgestellten Vorrichtung 10 gemäß 1 entspricht und daher im Bereich übereinstimmender Bauelemente auch mit gleichen Bezugszeichen versehen worden ist. Abweichend ausgeführt ist bei dieser Ausführungsform, dass der Draht 28 selbst nicht zur Ausbildung des Lichtbogens als abschmelzende Elektrode ausgebildet ist, sondern eine nicht abschmelzende, feststehende Elektrode 128 vorgesehen ist, zwischen deren Elektrodenspitze 136 und dem Schmelzbad 26 der Lichtbogen 20 ausgebildet wird. Der Draht 28 wird im übrigen in der zuvor beschriebenen Art und Weise mithilfe einer Drahtzuführung 30 zugestellt, die wiederum ein Zustellen, aber auch ein Zurückziehen des Drahtes 28 von dem Schmelzbad ermöglichen kann. Der Draht ist durch eine Vakuumdurchführung 32 in das Innere der Vakuumkammer geführt. Der Lichtbogen 20 wird wiederum mittels einer Gleichstromquelle 134 aufgebracht, deren negative Polarität mit der Schweißelektrode 128 und deren positive Polarität mit dem Werkstück 12 verbunden ist. Die Stromquelle 134 liegt wiederum außerhalb der Vakuumkammer, wobei Zuleitungen 135 durch entsprechende vakuumdichte Durchführungen in das Kammerinnere geführt sind.
Um den Draht 28 bei dieser Ausführungsform vorwärmen zu können, ist ein Induktor 150 vorgesehen, dessen Stromversorgung außerhalb der Vakuumkammer 14 angeordnet ist, wobei eine Spule 152 zur Erzeugung von Wirbelströmen in dem Draht 28 diesen wendelförmig umschlingt. Die Wirbelströme sorgen für eine Erhitzung des Drahtes, so dass wiederum der durch den Lichtbogen 20 aufgebrachte Wärmeeintrag gering gehalten werden kann, um ein möglichst geringes Aufschmelzen unterhalb der aufgetragenen Materialschicht 16 bereits zuvor aufgebrachte Materialschichten zu minimieren.

Claims

Verfahren zur additiven Herstellung von dreidimensionalen, metallischen Bauteilen (12), wobei die Bauteile (12) schicht- oder abschnittsweise durch Verschmelzen eines zugeführten, metallischen Werkstoffes mit dem Bauteil (12) unter Vakuumbedingungen aufgebaut werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschmelzen des metallischen Werkstoffes mit dem Bauteil (12) an einer Bearbeitungssstelle mittels eines Lichtbogens (20) durchgeführt wird, wobei der Lichtbogen (20) mittels eines Laser- (22) und/oder Elektronenstrahls geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen (20) mit Hilfe des Laser- (22) und/oder Elektronenstrahls fokussiert und/oder zusätzlich ionisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff als Pulver zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Pulver schichtweise auf eine zuvor aufgetragene Schicht des Bauteils aufgetragen wird und anschließend die gewünschten Abschnitte verschmolzen werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Pulver in einem Gasstrom verwirbelt wird und der Gasstrom der Bearbeitungsstelle zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff als Draht (28) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (28) als abschmelzende Elektrode zur Ausbildung des Lichtbogens (20) zwischen dem Draht (28) und dem Bauteil (12) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (28) in der Zustellrichtung und in der Gegenrichtung bewegt wird, um den Lichtbogen (20) zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Vor- und Zurückbewegen des Drahtes (28) von einem Drahtende (36) Tropfen geschmolzenen Metalls abgelöst werden und der Wärmeeintrag in die bereits erzeugten Schichten minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen (20) zwischen einer nicht abschmelzenden Elektrode (128) und dem Bauteil (12) ausgebildet wird und der Draht (28) der dadurch gebildeten Bearbeitungsstelle zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen (20) mit einem Gleichstrom oder einem Wechselstrom generiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsstelle in einer Vakuumkammer (14) stationär ausgebildet wird, während das Bauteil (12) während des Materialauftrages relativ zur Bearbeitungsstelle verfahren wird.