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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine, umfassend eine Induktionsheizvorrichtung mit wenigstens einer Induktionsspule zum Erwärmen eines Bauteilwerkstoffs und/oder des Bauteilbereichs vor, während und/oder nach der Beaufschlagung mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls in einer Aufbau- und Fügezone der Vorrichtung. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine Induktionsheizvorrichtung für eine Vorrichtung, ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung sowie ein Bauteil für eine Strömungsmaschine.
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Vorrichtungen mit mindestens einer Induktionsheizvorrichtung sowie Verfahren zum Betreiben derartiger Vorrichtungen sind in einer großen Vielzahl bekannt. Insbesondere kommen diese auch bei so genannten additiven bzw. generativen Fertigungsverfahren (sog. Rapid Manufacturing- bzw. Rapid Prototyping-Verfahren) zum Einsatz. Bei additiven Fertigungsverfahren wird das Bauteil, bei dem es sich beispielsweise um ein Bauteil einer Strömungsmaschine bzw. eines Flugtriebwerks handeln kann, schichtweise aufgebaut. Vorwiegend metallische Bauteile können beispielsweise durch Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelzverfahren hergestellt werden. Dabei wird zunächst schichtweise mindestens ein pulverförmiger Bauteilwerkstoff im Bereich einer Aufbau- und Fügezone aufgetragen, um eine Pulverschicht zu bilden. Anschließend wird der Bauteilwerkstoff lokal verfestigt, indem dem Bauteilwerkstoff im Bereich der Aufbau- und Fügezone Energie mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls zugeführt wird, wodurch der Bauteilwerkstoff schmilzt bzw. sintert und eine Bauteilschicht bildet. Der Hochenergiestrahl wird dabei üblicherweise in Abhängigkeit einer Schichtinformation der jeweils herzustellenden Bauteilschicht gesteuert. Die Schichtinformationen werden üblicherweise aus einem 3D-CAD-Körper des Bauteils erzeugt und in einzelne Bauteilschichten unterteilt. Nach dem Verfestigen des geschmolzenen Bauteilwerkstoffs wird eine Bauplattform schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke abgesenkt. Danach werden die genannten Schritte bis zur endgültigen Fertigstellung des gewünschten Bauteilbereichs oder des gesamten Bauteils wiederholt. Der Bauteilbereich bzw. das Bauteil kann dabei grundsätzlich auf einer Bauplattform oder auf einem bereits erzeugten Teil des Bauteils oder Bauteilbereichs hergestellt werden. Die Vorteile dieser additiven Fertigung liegen insbesondere in der Möglichkeit, sehr komplexe Bauteilgeometrien mit Hohlräumen, Hinterschnitten und dergleichen im Rahmen eines einzelnen Verfahrens herstellen zu können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils, eine Induktionsheizvorrichtung für eine derartige Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung bereitzustellen, bei welchen eine Herstellung besonders großer Bauteilbereiche unter gleichmäßiger Erwärmung dieser Bauteilbereiche ermöglicht ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein entsprechend gefertigtes Bauteil mit einer verbesserten Qualität bereitzustellen.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Induktionsheizvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 sowie durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine, umfassend eine Induktionsheizvorrichtung mit wenigstens einer Induktionsspule zum Erwärmen eines Bauteilwerkstoffs und/oder des Bauteilbereichs vor, während und/oder nach der Beaufschlagung mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls in einer Aufbau- und Fügezone der Vorrichtung.
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Um eine Herstellung besonders großer Bauteilbereiche eines Bauteils unter gleichmäßiger Erwärmung dieser Bauteilbereiche zu ermöglichen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die wenigstens eine Induktionsspule zumindest zwei Spulenwindungen umfasst, welche einen sich zumindest bereichsweise in Richtung der Aufbau- und Fügezone verjüngenden Innenraum der wenigstens einen Induktionsspule begrenzen, durch welchen der Hochenergiestrahl hindurch und auf die Aufbau- und Fügezone emittierbar ist. Der Innenraum bildet dabei eine sich durch die wenigstens eine Induktionsspule erstreckende Durchgangsöffnung, welche sich in Richtung der Aufbau- und Fügezone verjüngt. Durch diese Durchgangsöffnung ist der Hochenergiestrahl hindurch und auf die Aufbau- und Fügezone emittierbar.
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Eine erste Spulenwindung der wenigstens zwei Spulenwindungen kann dabei einen größeren Abstand zur Aufbau- und Fügezone aufweisen, als eine zweite Spulenwindung der wenigstens zwei Spulenwindungen. Dementsprechend kann die erste Spulenwindung von einer Auftrefffläche der Aufbau- und Fügezone, auf welche der Hochenergiestrahl zur additiven Herstellung auftreffen kann, weiter entfernt sein, als die zweite Spulenwindung. Die erste Spulenwindung kann also in Bezug auf die Aufbau- und Fügezone als zonenferne Spulenwindung bezeichnet werden, wohingegen die zweite Spulenwindung als zonennahe Spulenwindung bezeichnet werden kann.
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Die erste Spulenwindung kann zumindest bereichsweise einen ersten Abstand zwischen einer, dem Innenraum zugewandten, ersten Windungsinnenseite der ersten Spulenwindung, und einer, sich durch die wenigstens eine Induktionsspule erstreckenden Mittelachse aufweisen. Die zweite Spulenwindung kann zumindest bereichsweise einen zweiten Abstand zwischen einer, dem Innenraum zugewandten, zweiten Windungsinnenseite der zweiten Spulenwindung und der Mittelachse aufweisen. Der sich zumindest bereichsweise in Richtung der Aufbau- und Fügezone verjüngende Innenraum kann dadurch gebildet sein, dass der erste Abstand größer als der zweite Abstand ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine erhöhte Anzahl an Spulenwindungen, also durch eine Mehrzahl an Spulenwindungen der Induktionsspule ein besserer Wirkungsgrad beim Erwärmen des Bauteilwerkstoffs bzw. des Bauteilbereichs erzielt werden kann. Des Weiteren liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass beim Einsatz von konventionellen Induktionsspulen, bei welchen mehrere Spulenwindungen einen zylinderförmigen Innenraum ausbilden, eine additive Herstellung unter Einsatz des Hochenergiestrahls und der Induktionsspule nur auf einem eng begrenzten Raum ermöglicht ist. Dies ist damit zu begründen, dass es bei einer Bewegung der Induktionsspule relativ zur Aufbau- und Fügezone sowie relativ zu einer, den Hochenergiestrahl emittierenden Strahlungsquelle zu einer unerwünschten Kollision des Hochenergiestrahls mit einer zonenfernen Spulenwindung der konventionellen Induktionsspule kommen kann.
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Durch den sich in Richtung der Aufbau- und Fügezone verjüngenden Innenraum bilden die zumindest zwei Spulenwindungen der Induktionsspule einen Öffnungswinkel aus, welcher einen größeren seitlichen Versatz zwischen der Induktionsspule und der Strahlungsquelle gestattet als bei einer konventionellen Induktionsspule, ohne dass es zu einer Kollision des Hochenergiestrahls mit der ersten Spulenwindung der zumindest zwei Spulenwindungen kommt.
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Durch den sich in Richtung der Aufbau- und Fügezone verjüngenden Innenraum kann eine Kollision des Hochenergiestrahls mit der Induktionsspule auch dann vermieden werden, wenn der Bauteilbereich besonders groß ist, also eine besonders große, durch die additive Herstellung zu bildende Bauteilfläche aufweist. Gleichzeitig kann durch die zumindest zwei Spulenwindungen ein verbesserter Leistungseintrag bei hohem Wirkungsgrad sowie eine gleichmäßige Erwärmung des Bauteilbereichs anhand der Induktionsspule erzielt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Innenraum sich trichterförmig, insbesondere kegelstumpfförmig, in Richtung der Aufbau- und Fügezone verjüngend ausgebildet. Dies ist von Vorteil, da durch eine trichterförmige Verjüngung eine Kollision des Hochenergiestrahls mit der Induktionsspule besonders wirksam unterbunden werden kann.
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Bevorzugt ist der Innenraum sich kegelstumpfförmig in Richtung der Aufbau- und Fügezone verjüngend ausgebildet. Dadurch ist die additive Herstellung des Bauteilbereichs ohne Kollision des Hochenergiestrahls mit der Induktionsspule auch dann ermöglicht, wenn der Bauteilbereich eine besonders große und beispielsweise rotationssymmetrische Oberfläche, aufweist.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die wenigstens eine Induktionsspule mittels zumindest eines zugeordneten Antriebsmittels relativ zur Aufbau- und Fügezone bewegbar. Dies erlaubt eine einfache, präzise und prozesssichere Positionierung der Induktionsspule und eine entsprechend zuverlässige und präzise induktive Erwärmung des gewünschten Bereichs.
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Das zumindest eine Antriebsmittel kann der Induktionsheizvorrichtung zugeordnet sein. Alternativ dazu kann das zumindest eine Antriebsmittel der Vorrichtung zugeordnet sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die wenigstens eine Induktionsspule mittels des zumindest einen Antriebsmittels translatorisch entlang mindestens einer Achse und zusätzlich oder alternativ rotatorisch um die mindestens eine Achse bewegbar. Dadurch ist eine besonders gezielte, selektive Erwärmung eines ausgewählten Bereichs ermöglicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung wenigstens ein Verstellmittel, mittels welchem der Hochenergiestrahl relativ zu der Aufbau- und Fügezone verstellbar, insbesondere schwenkbar ist. Dies ist von Vorteil, da der Hochenergiestrahl mittels des Verstellmittels besonders aufwandsarm beispielsweise abgelenkt bzw. umgelenkt werden kann, ohne eine, den Hochenergiestrahl emittierende Strahlenquelle bewegen zu müssen. Das Verstellmittel kann hierzu wenigstens einen bewegbaren Spiegel und zusätzlich oder alternativ wenigstens eine Linse umfassen. Das Verstellmittel kann allgemein auch als Optik bezeichnet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Strahlenquelle zum Erzeugen des wenigstens einen Hochenergiestrahls. Dies ist von Vorteil, da die Vorrichtung dadurch eine funktionale Einheit zur additiven Herstellung des zumindest einen Bauteilbereichs bildet. Insbesondere kann dadurch auf den Einsatz von externen Strahlenquellen verzichtet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung mindestens eine Temperaturmesseinrichtung zur Temperaturmessung des Bauteilwerkstoffs und/oder des Bauteilbereichs zumindest im Bereich der Aufbau- und Fügezone der Vorrichtung. Durch die Temperaturmesseinrichtung kann in vorteilhafter Weise die Temperatur innerhalb der Aufbau- und Fügezone kontrolliert werden. Bei Abweichungen kann zum Beispiel durch eine Bewegung der wenigstens einen Induktionsspule relativ zur Aufbau- und Fügezone und/oder durch das Aktivieren, Abschalten oder Variieren der Stromzufuhr der Induktionsspule eine Intensität eines mittels der Induktionsspule erzeugten, induktiven Erwärmungsfeldes variiert und angepasst werden. Dies ermöglicht eine besonders präzise und situationsgerechte Ausprägung des induktiven Erwärmungsfeldes während der gesamten additiven Herstellung.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Induktionsspule in Abhängigkeit wenigstens eines Parameters aus der Gruppe Bauteilgeometrie, Art des Bauteilwerkstoffs, Temperatur des Bauteilwerkstoffs und Temperatur des Bauteilbereichs zu positionieren und/oder zu betreiben. Hierdurch können Ort und Intensität einer induktiven Erwärmung optimal an den jeweiligen Einzelfall und eine konkrete Bausituation angepasst werden, wodurch qualitativ besonders hochwertige Bauteile herstellbar sind.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Induktionsheizvorrichtung für eine Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Durch eine derartige Induktionsheizvorrichtung ist eine Herstellung besonders großer Bauteilbereiche eines Bauteils unter gleichmäßiger Erwärmung dieser Bauteilbereiche mittels der wenigstens einen Induktionsspule der Induktionsheizvorrichtung ermöglicht.
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Die Induktionsheizvorrichtung umfasst dabei die wenigstens eine Induktionsspule zum Erwärmen des Bauteilwerkstoffs und/oder des Bauteilbereichs vor, während und/oder nach der Beaufschlagung mittels des wenigstens einen Hochenergiestrahls in der Aufbau- und Fügezone der Vorrichtung. Die Induktionsspule umfasst die zumindest zwei Spulenwindungen, welche den sich zumindest bereichsweise in Richtung der Aufbau- und Fügezone verjüngenden Innenraum der wenigstens einen Induktionsspule begrenzen, durch welchen der Hochenergiestrahl hindurch und auf die Aufbau- und Fügezone emittierbar ist. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, umfassend zumindest die folgenden Schritte:
- - Positionieren der wenigstens einen Induktionsspule im Bereich der Aufbau- und Fügezone der Vorrichtung; und
- - Aktivieren der wenigstens einen Induktionsspule zum induktiven Erwärmen des Bauteilwerkstoffs und/oder des zumindest einen Bauteilbereichs vor, während und/oder nach der Beaufschlagung des Bauteilbereichs und/oder des Bauteilwerkstoffs mit dem Hochenergiestrahl.
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Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und des zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die wenigstens eine Induktionsspule zum induktiven Erwärmen derart relativ zu einer Strahlenquelle der Vorrichtung verlagert, dass der wenigstens eine Hochenergiestrahl, der durch die, bezüglich der Aufbau- und Fügezone der Vorrichtung oberhalb der wenigstens einen Induktionsspule angeordnete Strahlenquelle emittiert wird, kollisionsfrei durch den Innenraum der wenigstens einen Induktionsspule hindurch emittiert wird und auf die Aufbau- und Fügezone trifft. Dies ist von Vorteil, da somit beim Verlagern der Induktionsspule sichergestellt wird, dass der Hochenergiestrahl ungehindert, also ohne Kollision mit einer der Spulenwindungen durch den Innenraum der Induktionsspule hindurchtritt und auf die Aufbau- und Fügezone trifft. Dadurch kann in vorteilhafter Weise stets sichergestellt werden, dass sowohl eine Erwärmung mittels des Hochenergiestrahls, als auch mittels der Induktionsspule in demjenigen Bereich der Aufbau- und Fügezone erfolgen kann, an welchem sich die Induktionsspule momentan befindet. Dadurch ist eine besonders gleichmäßige Erwärmung ermöglicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die wenigstens eine Induktionsspule in Abhängigkeit wenigstens eines Parameters aus der Gruppe Bauteilgeometrie, Art des Bauteilwerkstoffs, Temperatur des Bauteilwerkstoffs und Temperatur des Bauteilbereichs positioniert und/oder betrieben. Hierdurch können der Ort und die Intensität der induktiven Erwärmung optimal an den jeweiligen Einzelfall und die konkrete Bausituation angepasst werden, wodurch qualitativ besonders hochwertige Bauteile erhalten werden.
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Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil für eine Strömungsmaschine, insbesondere Verdichter- oder Turbinenbauteil, wobei eine hohe Oberflächenqualität des Bauteils erfindungsgemäß dadurch sichergestellt wird, dass das Bauteil zumindest bereichsweise oder vollständig mittels einer Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder unter Verwendung einer Induktionsheizvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und/oder durch ein Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung erhalten ist. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile gehen aus der Beschreibung des ersten, zweiten und dritten Erfindungsaspekts hervor, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten, zweiten und dritten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des vierten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen.
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Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils mit einer Induktionsheizvorrichtung;
- 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Induktionsspule der Induktionsheizvorrichtung; und
- 3 eine schematische Schnittdarstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Induktionsspule.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung 10 zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs 12 eines Bauteils 14 und wird im Folgenden in Zusammenschau mit 2 erläutert, welche eine schematische Schnittansicht einer Induktionsspule 30 einer Induktionsheizvorrichtung 20 der Vorrichtung 10 zeigt. Die Vorrichtung 10 ist vorliegend als selektive Laserschmelz- bzw. Lasersintervorrichtung (Selective Laser Melting, SLM) ausgebildet und umfasst eine Strahlenquelle 60, mittels welcher ein Hochenergiestrahl 50 in Form eines Lasers erzeugt und damit emittiert werden kann. Der Hochenergiestrahl 50 trifft zur additiven Herstellung auf eine Auftrefffläche 18 im Bereich einer Aufbau- und Fügezone 16 der Vorrichtung 10 auf, um einen in der Aufbau- und Fügezone 16 vorhandenen, vorliegend pulverförmigen Bauteilwerkstoff des Bauteils 14 selektiv und schichtweise zu verfestigen. Bei dem Bauteil 14 kann es sich beispielsweise um ein Verdichter- oder Turbinenbauteil einer Gasturbine bzw. eines Flugtriebwerks handeln.
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Mittels der Induktionsspule 30 der Induktionsheizvorrichtung 20 ist ein Erwärmen des Bauteilwerkstoffs und zusätzlich oder alternativ des Bauteilbereichs 12 vor, während und zusätzlich oder alternativ nach der Beaufschlagung mittels des Hochenergiestrahls 50 in der Aufbau- und Fügezone 16 der Vorrichtung 10 ermöglicht. Mit anderen Worten kann mittels der Induktionsspule 30 ein Vorwärmen des Bauteilwerkstoffs und zusätzlich oder alternativ des Bauteilbereichs 12, ein gleichzeitiges Erwärmen des Bauteilwerkstoffs und zusätzlich oder alternativ des Bauteilbereichs 12 sowie ein Erwärmen durch die Induktionsspule 30 nach der Bearbeitung (Beaufschlagung) durch den Hochenergiestrahl 50 erfolgen. Die Induktionsspule 30 umfasst vorliegend zwei Spulenwindungen 32, 34 in Form einer ersten Spulenwindung 32 bzw. einer zweiten Spulenwindung 34. Die zwei Spulenwindungen 32, 34 begrenzen einen sich zumindest bereichsweise in Richtung der Aufbau- und Fügezone 16 verjüngenden Innenraum 40 der Induktionsspule 30, durch welchen der Hochenergiestrahl 50 zur additiven Herstellung hindurch und auf die Aufbau- und Fügezone 16 emittiert wird.
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2 zeigt besonders deutlich, dass sich der Innenraum 40 vorliegend kegelstumpfförmig in Richtung der Aufbau- und Fügezone 16 verjüngt. Mit anderen Worten ist der Innenraum 40 sich kegelstumpfförmig in Richtung der Aufbau- und Fügezone 16 verjüngend ausgebildet, wobei sich der Innenraum 40 entgegen einer Pfeilrichtung einer Achse z eines in 1 und 2 gezeigten Koordinatensystems verjüngt. Die Achse z entspricht vorliegend einer Mittelachse 31 der Induktionsspule 30.
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Die Induktionsheizvorrichtung 20 umfasst wenigstens ein Antriebsmittel 22, mittels welchem die Induktionsspule 30 relativ zur Aufbau- und Fügezone 16 bewegbar ist. Mittels des Antriebsmittels 22, welches beispielsweise als Linearmotor ausgestaltet sein kann, ist die Induktionsspule 30 translatorisch beispielsweise in einer Ebene und damit parallel zu jeweiligen Achsen x, y sowie parallel zur Achse z bewegbar. Zusätzlich ist die Induktionsspule 30 um die jeweiligen Achsen x, y, z rotatorisch bewegbar, also um die Achsen x, y, z verschwenkbar. Dadurch ist die Induktionsspule 30 hinsichtlich ihrer Bewegung besonders exakt einer Bauteilgeometrie des Bauteils 14 führbar.
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Die Vorrichtung 10 umfasst wenigstens ein Verstellmittel 52, mittels welchem der Hochenergiestrahl 50 relativ zu der Aufbau- und Fügezone 16 verstellbar und dabei schwenkbar ist. Das Verstellmittel 52 kann dabei als verstellbarer Spiegel ausgestaltet sein, wie in 1 angedeutet ist. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren mindestens eine Temperaturmesseinrichtung 70 zur Temperaturmessung des Bauteilwerkstoffs und zusätzlich oder alternativ des Bauteilbereichs 12 zumindest im Bereich der Aufbau- und Fügezone 16 der Vorrichtung 10. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 10 eine Steuereinrichtung 80, welche dazu ausgebildet ist, die Induktionsspule 30 in Abhängigkeit wenigstens eines Parameters aus der Gruppe Bauteilgeometrie, Art des Bauteilwerkstoffs, Temperatur des Bauteilwerkstoffs und Temperatur des Bauteilbereichs 12 zu positionieren und zusätzlich oder alternativ zu betreiben. Die Steuereinrichtung 80 ist vorliegend signalübertragend mit dem Antriebsmittel 22, dem Verstellmittel 52, der Strahlenquelle 60 sowie mit der Temperaturmesseinrichtung 70 gekoppelt. Dadurch kann die Steuereinrichtung 80 die Induktionsspule 30 relativ zu den jeweiligen Achsen x, y, z bewegen und synchron dazu das Verstellmittel 52 (hier: Spiegel) verstellen, um den Hochenergiestrahl 50 mit der Induktionsspule 30 mitzuführen, sodass der Hochenergiestrahl 50 während der additiven Herstellung durch den Innenraum 40 hindurchtritt und auf die Aufbau- und Fügezone 16 bzw. die Auftrefffläche 18 auftrifft.
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2 zeigt, dass die erste Spulenwindung 32, welche auch als zonenferne Spulenwindung bezeichnet werden kann, eine erste Windungsinnenseite 33 aufweist, welche in einem ersten Abstand 36 von der Mittelachse 31 der Induktionsspule angeordnet ist. Die zweite Spulenwindung 34, welche auch als zonennahe Spulenwindung bezeichnet werden kann, weist eine zweite Windungsinnenseite 35 auf, welche in einem zweiten Abstand 38 zu der Mittelachse 31 angeordnet ist. Der kegelstumpfförmige bzw. trichterförmige Innenraum 40 ergibt sich dadurch, dass der erste Abstand 36 größer ist als der zweite Abstand 38. Die Induktionsspule 30, welche allgemein als Vorwärmspule ausgestaltet sein kann, weitet sich also in Pfeilrichtung der Achse z und damit von der Aufbau- und Fügezone 16 weg, bzw. von der zweiten Spulenwindung 34 hin zur ersten Spulenwindung 32 auf. Mit anderen Worten öffnet sich die Induktionsspule 30 von der zweiten Spulenwindung 34 hin zur ersten Spulenwindung 32.
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2 zeigt eine Tangente 42, welche an den jeweiligen Windungsinnenseiten 33, 35 anliegt. Die Tangente 42 verläuft dabei parallel zu einer, einen ersten Windungsmittelpunkt 44 der ersten Spulenwindung 32, mit einem zweiten Windungsmittelpunkt 46 der zweiten Spulenwindung 34 verbindenden Gerade 48. Die Gerade 48 schließt - ebenso wie auch die Tangente 42 - einen Öffnungswinkel α mit der Mittelachse 31 ein, wie in 2 zu erkennen ist. Während der Hochenergiestrahl 50 zwischen der Mittelachse 31 und der Tangente 42 kollisionsfrei in den Innenraum 40 eintreten und durch den Innenraum 40 in Richtung der Aufbau- und Fügezone 16 durchtreten kann, ist dies bei einer, in 3 schematisch in einer Schnittdarstellung gezeigten, konventionellen Induktionsspule 100 nicht möglich. Die konventionelle Induktionsspule 100 umfasst zwei äquidistant zu einer Mittelachse 102 der Induktionsspule 100 angeordnete Windungen 106, 108. Mit anderen Worten bilden die Windungen 106, 108 einen Hohlzylinder aus, sodass es bei einem Einfall eines Laserstrahls 104 unter dem Öffnungswinkel α zu einer Kollision 110 des Laserstrahls 104 mit der Windung 106 kommt.
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Durch Zusammenschau von 2 und 3 ist erkennbar, dass mittels der Induktionsspule 30 ein größerer Bereich der Aufbau- und Fügezone 16 ohne Kollision mit dem Hochenergiestrahl 50 abgefahren werden kann, als unter Einsatz der konventionellen Induktionsspule 100. Insbesondere in jeweiligen Ecken der Aufbau- und Fügezone 16, welche auch als Baufeld bezeichnet werden kann, fällt der Hochenergiestrahl 50 (hier: Laserstrahl) außermittig und damit seitlich in den Innenraum 40 ein, sodass durch die sich öffnende Gestaltung der Spulenwindungen 32, 34, also mit anderen Worten durch den sich verjüngenden Innenraum 40 eine Kollision zwischen dem Hochenergiestrahl 50 und der Induktionsspule 30 zumindest weitgehend vermieden werden kann.
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Wenngleich in 1 und 2 mit den Spulenwindungen 32, 34 lediglich zwei Spulenwindungen 32, 34 der Induktionsspule 30 gezeigt sind, so ist klar, dass die Induktionsspule 30 auch noch weitere, also beispielsweise eine dritte Spulenwindung, eine vierte Spulenwindung, eine fünfte Spulenwindung usw. aufweisen kann.
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Bevorzugt sind allgemein sämtliche Spulenwindungen 32, 34 entlang der Gerade 48 bzw. der Tangente 42 ausgerichtet, sodass eine Kollision mit dem Hochenergiestrahl 40 wirksam unterbunden werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Bauteilbereich
- 14
- Bauteil
- 16
- Aufbau- und Fügezone
- 18
- Auftrefffläche
- 20
- Induktionsheizvorrichtung
- 22
- Antriebsmittel
- 30
- Induktionsspule
- 31
- Mittelachse
- 32
- erste Spulenwindung
- 33
- erste Windungsinnenseite
- 34
- zweite Spulenwindung
- 35
- zweite Windungsinnenseite
- 36
- erster Abstand
- 38
- zweiter Abstand
- 40
- Innenraum
- 42
- Tangente
- 44
- erster Windungsmittelpunkt
- 46
- zweiter Windungsmittelpunkt
- 48
- Gerade
- 50
- Hochenergiestrahl
- 52
- Verstellmittel
- 60
- Strahlenquelle
- 70
- Temperaturmesseinrichtung
- 80
- Steuereinrichtung
- 100
- Induktionsspule
- 102
- Mittelachse
- 104
- Laserstrahl
- 106
- Windung
- 108
- Windung
- 110
- Kollision
- α
- Öffnungwinkel
- x
- Achse
- y
- Achse
- z
- Achse