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DE102019208836B4 - Process for the production of complex three-dimensional components - Google Patents

Process for the production of complex three-dimensional components

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DE102019208836B4
DE102019208836B4 DE102019208836.8A DE102019208836A DE102019208836B4 DE 102019208836 B4 DE102019208836 B4 DE 102019208836B4 DE 102019208836 A DE102019208836 A DE 102019208836A DE 102019208836 B4 DE102019208836 B4 DE 102019208836B4
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DE
Germany
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powder layer
roller
layer
uppermost
uppermost powder
Prior art date
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German (de)
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DE102019208836A1 (en
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Bernd KIEBACK
Johannes Trapp
Volkmar Schlegel
Burghardt KLÖDEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Dresden
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of DE102019208836A1 publication Critical patent/DE102019208836A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102019208836B4 publication Critical patent/DE102019208836B4/en
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    • B22F10/28Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
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Abstract

Verfahren zur Herstellung von formkomplexen dreidimensionalen Bauteilen (6), bei dem Pulverschichten auf einer stufenweise absenkbaren Plattform schichtweise übereinander ausgebildet werden und auf eine jeweilige oberste Pulverschicht (13)
mittels einer um eine parallel zur Oberfläche der obersten Pulverschicht (13) ausgerichtete Rotationsachse rotierende und dabei
translatorisch entlang der Oberfläche der obersten Pulverschicht (13) bewegte, aus Graphit bestehende oder mit Graphit gebildete Walze (4), die jeweilige oberste Pulverschicht (13) in einem Kontaktbereich (18), der zwischen den aufeinander zu gewandten Oberflächen der Oberfläche der jeweils obersten Pulverschicht (13) und der Walze (4) angeordnet ist, mit einer Anpresskraft von 100 N bis 102 N je cm Breite der obersten Pulverschicht (13) zusammengepresst und dabei die Schichtdicke der jeweiligen obersten Pulverschicht (13) reduziert und
gleichzeitig die oberste Pulverschicht (13) innerhalb des Kontaktbereichs (18) dadurch erwärmt wird, dass ein elektrischer Strom mit einer elektrischen Spannung von 0,01 V bis 10 V und einer elektrischen Stromstärke von 101 A bis 103 A je cm Breite der obersten Pulverschicht (13) durch die Walze (4), die an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen ist, fließt und
bei der translatorischen Bewegung der Walze (4) nach dem Kontaktbereich (18) ein lokal definiert ausgelenkter Laser- oder Elektronenstrahl (5.1)
zur Durchführung eines selektiven Laserstrahl- oder Elektronenstrahlschmelzverfahrens auf die Oberfläche der verdichteten und vorgewärmten jeweiligen obersten Pulverschicht (13) gerichtet wird; wobei ein elektrischer Stromfluss von der Walze (4) durch den Kontaktbereich (18) und die Pulverschichten erreicht wird, indem die Plattform, auf der die Pulverschichten sukzessive nacheinander übereinander ausgebildet werden an einen Pol der elektrischen Spannungsquelle oder an
Erdpotential angeschlossen und die Pulverschichten mit einem elektrisch leitenden Werkstoff gebildet sind und
der elektrische Stromfluss gepulst durchgeführt wird und dabei eine Pulsdauer und dazwischen Pausenzeiten eingehalten werden.
Method for producing complex three-dimensional components (6), in which powder layers are formed one above the other on a stepwise lowerable platform and are applied to a respective uppermost powder layer (13)
by means of a rotating axis aligned parallel to the surface of the uppermost powder layer (13) and thereby
a roller (4) consisting of graphite or formed with graphite, which is moved translationally along the surface of the uppermost powder layer (13), compresses the respective uppermost powder layer (13) in a contact area (18) which is arranged between the mutually facing surfaces of the surface of the respective uppermost powder layer (13) and the roller (4) with a contact force of 10 0 N to 10 2 N per cm width of the uppermost powder layer (13) and in the process reduces the layer thickness of the respective uppermost powder layer (13) and
at the same time, the uppermost powder layer (13) within the contact area (18) is heated by an electric current with an electrical voltage of 0.01 V to 10 V and an electrical current intensity of 10 1 A to 10 3 A per cm width of the uppermost powder layer (13) flowing through the roller (4), which is connected to an electrical voltage source, and
during the translational movement of the roller (4) after the contact area (18) a locally defined deflected laser or electron beam (5.1)
for carrying out a selective laser beam or electron beam melting process onto the surface of the compacted and preheated respective uppermost powder layer (13); wherein an electric current flow from the roller (4) through the contact area (18) and the powder layers is achieved by connecting the platform on which the powder layers are successively formed one above the other to a pole of the electrical voltage source or to
connected to earth potential and the powder layers are formed with an electrically conductive material and
the electrical current flow is carried out in a pulsed manner, with a pulse duration and pause times in between.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von formkomplexen dreidimensionalen Bauteilen.The invention relates to a method for producing three-dimensional components with complex shapes.

Neue Methoden der Herstellung von dreidimensional gestalteten Bauteilen aus Metallpulver sind die Verfahren Laser-Beam Melting (LBM) und Electron-Beam Melting (EBM). Beiden Verfahren gemeinsam ist es, dass ein Computermodell des Bauteils zunächst in einzelne Scheiben zerlegt wird und diese Scheiben anschließend sukzessive hergestellt werden, indem eine Pulverschicht definierter Höhe auf eine Unterlage aufgestrichen und durch einen Laser- bzw. Elektronenstrahl anschließend lokal definiert aufgeschmolzen wird. Das nicht bestrahlte Pulver in der Umgebung bleibt dabei unbeeinträchtigt bzw. wird nur sehr schwach verbunden und kann deshalb später leicht entfernt werden. Der Prozess wird mit dem erneuten Aufbringen einer Pulverschicht und dem Aufschmelzen der entsprechend der Werkstückgeometrie ggf. veränderten Fläche fortgesetzt und so oft wiederholt, bis das gesamte dreidimensionale Bauteil schichtweise fertig aufgebaut ist.New methods for producing three-dimensional components from metal powder are the laser beam melting (LBM) and electron beam melting (EBM) processes. What both processes have in common is that a computer model of the component is first divided into individual slices, and these slices are then produced successively by spreading a layer of powder of a defined height onto a substrate and then melting it locally using a laser or electron beam. The unirradiated powder in the surrounding area remains unaffected or is only very weakly bonded and can therefore be easily removed later. The process is continued with the further application of a powder layer and the melting of the surface, which may be modified to suit the workpiece geometry, and is repeated as often as necessary until the entire three-dimensional component is built up layer by layer.

Auch wenn LBM und EBM eine Vielzahl neuer Möglichkeiten in Bezug auf Ressourceneffizienz und geometrische Vielfalt bieten und bei komplex strukturierten Bauteilen (besonders, wenn diese aus schwer spanend bearbeitbaren Materialien bestehen) großes Potential zur Kostenreduktion aufweisen, existieren für diese pulverbettbasierten Strahlschmelzverfahren unter anderem folgende Limitierungen:

  • Speziell für das EBM-Verfahren ist das Vorheizen des Pulverbettes ein notwendiger Schritt für die Prozessstabilität und abhängig vom zu verarbeitenden Werkstoff sehr zeitaufwendig. Wenn der Elektronenstrahl auf eine lose Pulverschicht trifft, kommt es zur Ladungskonzentration in den Pulverpartikeln und als Folge dessen zu deren Abstoßung untereinander. Dies führt dazu, dass in der Anlage eine Pulverwolke (sog. „smoke“) entsteht und der Aufbauprozess abgebrochen werden muss.
Although LBM and EBM offer a multitude of new possibilities in terms of resource efficiency and geometric diversity and have great potential for cost reduction in complex structured components (especially when they are made of materials that are difficult to machine), these powder bed-based jet melting processes have the following limitations, among others:
  • Preheating the powder bed is a necessary step for process stability, especially for the EBM process, and depending on the material being processed, it can be very time-consuming. When the electron beam hits a loose layer of powder, the charge concentrates in the powder particles, causing them to repel each other. This leads to a powder cloud (so-called "smoke") forming in the system, and the build-up process must be aborted.

In US 8 187 521 B wird eine Lösung für das Problem der smoke-Bildung offengelegt. Basierend auf der Tatsache, dass die Ladungsverteilung in den Pulverpartikeln von der Wahl der Prozessparameter, wie z.B. Strahlstrom, Scangeschwindigkeit, Geschwindigkeit der Elektronen (vorgegeben durch die Beschleunigungsspannung) sowie Werkstoffkennwerten, wie z.B. der elektrischen Leitfähigkeit abhängt, wird ein zusätzlicher Prozessschritt beschrieben, während dessen die Pulverschicht mittels des Elektronenstrahls flächig und möglichst homogen erwärmt wird. Dadurch sinkt die elektrische Leitfähigkeit als Funktion der Temperatur. Dem gegenüber steht jedoch ein starker Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit, wenn zwischen den Pulverteilchen ein leichtes Ansintern stattfindet, wodurch die elektrostatische Aufladung vermieden wird. Dieser Prozessschritt des Vorheizens ist bei den kommerziell verfügbaren EBM-Anlagen fester Bestandteil der Prozessführung, um die Stabilität des Fertigungsprozesses zu gewährleisten. Ein solches Vorheizen verlängert aber die Prozessdauer und ist energieintensiv.In US 8,187,521 B discloses a solution to the problem of smoke formation. Based on the fact that the charge distribution in the powder particles depends on the choice of process parameters, such as beam current, scan speed, electron speed (specified by the acceleration voltage), as well as material properties such as electrical conductivity, an additional process step is described during which the powder layer is heated across the surface and as homogeneously as possible using an electron beam. This reduces the electrical conductivity as a function of temperature. However, this is offset by a strong increase in electrical conductivity when slight sintering occurs between the powder particles, which prevents electrostatic charging. This preheating step is an integral part of the process control in commercially available EBM systems to ensure the stability of the manufacturing process. However, this type of preheating increases the process time and is energy-intensive.

Beim LBM-Verfahren ist ein Vorheizen des Pulverbettes durch den Laserstrahl nicht möglich und zur Zeit ausschließlich über ein Beheizen der Bauplatte umgesetzt. Dabei entsteht mit zunehmender Bauhöhe ein großer Temperaturunterschied in Baurichtung. Die begrenzte Vorheiztemperatur führt zu sehr hohen Abkühlraten nach dem selektiven Schmelzvorgang und damit einhergehend zu Eigenspannungen im Bauteil.In the LBM process, preheating the powder bed with the laser beam is not possible and is currently implemented exclusively by heating the build plate. This creates a large temperature difference in the build direction as the build height increases. The limited preheating temperature leads to very high cooling rates after the selective melting process and, consequently, to residual stresses in the component.

Bei einer alternativen Erwärmung durch Wärmestrahlung aus Infrarot- oder Widerstandsheizern ist nachteilig, dass ein Erwärmen durch Strahlungsheizung, insbesondere durch die zunächst sehr geringe Wärmeleitfähigkeit der Pulver, äußerst langsam ist. Dies führt zu langen Prozesszeiten und schlechter Reproduzierbarkeit in den Einzelschichten.The disadvantage of alternative heating methods such as thermal radiation from infrared or resistance heaters is that heating by radiant heating is extremely slow, particularly due to the initially very low thermal conductivity of the powders. This leads to long process times and poor reproducibility in the individual layers.

So sind aus WO 2011/ 001 270 A2 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur schichtweisen Herstellung eines dreidimensionalen Objekts bekannt.So from WO 2011/ 001 270 A2 a device and a method for layer-by-layer production of a three-dimensional object are known.

WO 87/ 07 538 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum schichtweisen Herstellen dreidimensionaler integraler Gegenstände. WO 87/ 07 538 A1 relates to an apparatus and a method for layer-by-layer production of three-dimensional integral objects.

Möglichkeiten zum additiven Fertigen mit direkter Widerstandsbeheizung eines Werkstücks sind in WO 2018/ 194 481 A1 beschrieben.Possibilities for additive manufacturing with direct resistance heating of a workpiece are WO 2018/ 194 481 A1 described.

DE 10 2015 201 796 B3 offenbart eine Pulverauftragseinheit zum Aufbringen und Verarbeiten von insbesondere trockenem Pulver. DE 10 2015 201 796 B3 discloses a powder application unit for applying and processing, in particular, dry powder.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile mittels LBM oder EBM anzugeben, die zu einer Verkürzung der erforderlichen Herstellungsdauer bei gleichzeitig guter Qualität führen.It is therefore an object of the invention to provide possibilities for the production of three-dimensional components by means of LBM or EBM, which lead to a reduction in the required production time while at the same time maintaining good quality.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention, this object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be realized with features defined in subordinate claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Pulverschichten aus einem elektrisch leitenden Material auf einer stufenweise absenkbaren Plattform schichtweise übereinander ausgebildet werden. Die jeweilige oberste Pulverschicht wird mittels einer um eine parallel zur Oberfläche der obersten Pulverschicht ausgerichtete Rotationsachse rotierende und dabei translatorisch entlang der Oberfläche der obersten Pulverschicht bewegte, aus Graphit oder mit Graphit gebildete Walze in einem Kontaktbereich, der zwischen den aufeinander zu gewandten Oberflächen der jeweiligen obersten Pulverschicht der Walze angeordnet ist, mit einer Anpresskraft von 100 N bis 102 N je cm Breite der obersten Pulverschicht zusammengepresst und dabei die Schichtdicke der Pulverschicht reduziert. Gleichzeitig wird die jeweilige oberste Pulverschicht innerhalb des Kontaktbereichs dadurch erwärmt, dass ein elektrischer Stromfluss mit einer elektrischen Spannung von 0,01 V bis 10 V und einer elektrischen Stromstärke von 101 A bis 103 A je cm Breite der obersten Pulverschicht durch die Walze, die an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen ist, erfolgt.In the method according to the invention, powder layers made of an electrically conductive material are formed layer by layer on top of one another on a gradually lowerable platform. The respective uppermost powder layer is pressed together by means of a roller made of graphite or with graphite, which rotates about an axis of rotation aligned parallel to the surface of the uppermost powder layer and moves translationally along the surface of the uppermost powder layer, in a contact area arranged between the mutually facing surfaces of the respective uppermost powder layer of the roller, with a contact force of 10 0 N to 10 2 N per cm width of the uppermost powder layer, thereby reducing the layer thickness of the powder layer. At the same time, the respective uppermost powder layer is heated within the contact area by an electrical current flowing with an electrical voltage of 0.01 V to 10 V and an electrical current of 10 1 A to 10 3 A per cm width of the uppermost powder layer through the roller, which is connected to an electrical voltage source.

In Bewegungsrichtung der Walze nach dem Kontaktbereich wird ein lokal definiert ausgelenkter Laser- oder Elektronenstrahl zur Durchführung eines selektiven Laserstrahl- oder Elektronenstrahlschmelzverfahrens auf die Oberfläche der verdichteten und vorgewärmten jeweiligen obersten Pulverschicht gerichtet.In the direction of movement of the roller after the contact area, a locally defined deflected laser or electron beam is directed onto the surface of the compacted and preheated respective uppermost powder layer to carry out a selective laser beam or electron beam melting process.

Es kann bei jeder translatorischen Bewegung in mindestens eine Achsrichtung der Walze um seine Rotationsachse eine oberste Pulverschicht aufgebracht und ein Bauteil mit dreidimensional gestalteter Oberfläche sukzessive aufgebaut werden. Das Aufbringen der Pulverschichten kann mit einer an sich bekannten Pulverfördereinrichtung sowie ggf. mit einer Rakel erfolgen. Dabei sollten möglichst konstante Schichtdicken der einzelnen Pulverschichten eingehalten werden.During each translational movement of the roller in at least one axial direction around its rotational axis, a top layer of powder can be applied, and a component with a three-dimensional surface can be successively built up. The powder layers can be applied using a conventional powder conveying device and, if necessary, a doctor blade. The thickness of each powder layer should be maintained as consistently as possible.

Varianten der Pulveraufbringung:

  • - Die Walze kann gleichzeitig mit Pulvervorrat oder Rakel bewegt werden oder der Walzvorgang findet separat statt
  • - Der Pulvervorrat kann mitgeführt werden oder das Pulver wird von der Rakel aus Vorratsbehältern an den Rändern abgeholt
  • - Die Walze kann auch ohne eine Rakel verwendet werden
Powder application variants:
  • - The roller can be moved simultaneously with the powder supply or doctor blade or the rolling process can take place separately
  • - The powder supply can be carried along or the powder is picked up by the doctor blade from storage containers at the edges
  • - The roller can also be used without a squeegee

Es wird ein elektrischer Stromfluss von der Walze durch den Kontaktbereich und die Pulverschichten erreicht, indem die Walze an einen Pol der elektrischen Spannungsquelle oder an Erdpotential angeschlossen und die Pulverschichten aus oder mit einem elektrisch leitenden Material gebildet sind. Dadurch kann elektrischer Strom von der Walze durch die im Kontaktbereich verdichteten Pulverschichten fließen, was neben der direkten Erwärmung der jeweiligen obersten Pulverschicht zu einer weiteren Erwärmung der verdichteten jeweiligen obersten Pulverschicht durch die Wärmefreisetzung im Kontaktbereich und einer besseren Anbindung bis zur Ansinterung von Pulverpartikeln aneinander führen kann.An electrical current flow from the roller through the contact area and the powder layers is achieved by connecting the roller to a pole of the electrical voltage source or to ground potential, and by forming the powder layers from or with an electrically conductive material. This allows electrical current to flow from the roller through the powder layers compacted in the contact area. This can lead not only to the direct heating of the respective uppermost powder layer, but also to further heating of the compacted uppermost powder layer through the heat release in the contact area and to improved bonding, even to the point of sintering, of the powder particles to one another.

Der elektrische Stromfluss wird gepulst durchgeführt. Dadurch kann eine bevorzugte Erwärmung des Kontaktbereiches zwischen Pulverpartikeln erreicht und damit eine Versinterung bei reduzierter mittlerer Temperatur der Pulverschicht und des Bauteils erreicht werden.The electrical current flow is pulsed. This allows for preferential heating of the contact area between powder particles, thus achieving sintering at a reduced average temperature of the powder layer and the component.

Bei einem gepulsten Betrieb werden eine Pulsdauer und Pausenzeit, bevorzugt jeweils im Bereich 1 ms bis 500 ms, eingehalten.In pulsed operation, a pulse duration and pause time are maintained, preferably in the range of 1 ms to 500 ms.

Zusätzlich können dabei nach einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen, beispielsweise mindestens 10 mit entsprechend dazwischen liegenden Pausenzeiten eine längere Pausenzeit als 10 ms eingehalten werden. Eine längere Pausenzeit sollte bevorzugt mindestens 50 ms betragen.In addition, a pause time longer than 10 ms can be maintained after a specified number of pulses, for example, at least 10 with appropriate pause times in between. A longer pause time should preferably be at least 50 ms.

Der bevorzugt gepulste elektrische Strom stellt eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Pulverpartikeln sowie zwischen Pulverpartikeln und Unterlage/vorheriger Pulverlage her. Diese verhindert ein Bewegen der Pulverpartikel (z.B. durch Konvektion erwärmter Gase). Außerdem steigt die elektrische Leitfähigkeit, sodass keine Aufladung beim EBM durch den Elektronenstrahl erfolgt. Dabei sind plastische Verformung und möglicherweise aufgeschmolzenes Volumen im Kontakt zwischen den Pulverpartikeln minimal, sodass das Pulver später erneut verwendet werden kann.The preferably pulsed electric current creates a bond between the powder particles and between the powder particles and the substrate/previous powder layer. This prevents movement of the powder particles (e.g., due to convection of heated gases). Furthermore, electrical conductivity increases, preventing charging during EBM by the electron beam. Plastic deformation and potentially molten volume in the contact between the powder particles are minimal, allowing the powder to be reused later.

Speziell wenn die Pulsdauer verlängert wird, kann anstatt der Begrenzung der Wärmefreisetzung auf den Kontaktbereich zwischen den Pulverpartikeln, das Pulverbett auch in seinem gesamten Volumen aufgeheizt werden. Dadurch wird die Abkühlgeschwindigkeit nach dem selektiven Schmelzen mittels EBM/LBM verringert, was die Einstellung isotroper Gefüge und der Gefügefeinheit ermöglicht und Eigenspannungen im Bauteil reduziert oder verhindert.Especially when the pulse duration is extended, instead of limiting heat release to the contact area between the powder particles, the powder bed can be heated throughout its entire volume. This reduces the cooling rate after selective melting using EBM/LBM, enabling the creation of isotropic microstructures and microstructure fineness, and reducing or preventing residual stresses in the component.

Anstelle eines gepulsten Gleichstromes kann auch ein konstanter Gleichstrom oder Wechselstrom eingesetzt werden.Instead of a pulsed direct current, a constant direct current or alternating current can also be used.

Die Pulsmuster des gepulsten elektrischen Stromes können auch zu Pulsblöcken zusammengefasst werden. Z.B. können 2 ms Puls, 2 ms Pause, das ganze 10 mal wiederholt und danach 50 ms Pause eingehalten werden.The pulse patterns of the pulsed electrical current can also be combined into pulse blocks. For example, 2 ms pulse, 2 ms pause, Repeat the whole thing 10 times and then take a 50 ms break.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below by way of example.

Dabei können Merkmale unabhängig vom jeweiligen Beispiel sowie unabhängig von einer zeichnerischen Darstellung in den Figuren miteinander kombiniert werden.Features can be combined independently of the respective example and independently of a graphic representation in the figures.

Dabei zeigen:

  • 1 in schematischer Darstellung eine Möglichkeit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 2 eine Detaildarstellung von Stromfluss und Temperaturverteilung im Kontaktbereich;
  • 3 eine vergrößerte Detaildarstellung eines Kontaktbereichs und
  • 4 ein Beispiel für eine bei der Erfindung einsetzbare Walze.
Showing:
  • 1 a schematic representation of a possibility for carrying out the method according to the invention;
  • 2 a detailed representation of current flow and temperature distribution in the contact area;
  • 3 an enlarged detailed view of a contact area and
  • 4 an example of a roller that can be used in the invention.

Für die Herstellung Bauteile 6, wie in 1 dargestellt, wird das Pulver aus einem Pulvervorratsbehälter 1 mithilfe einer Rakel 2 als gleichmäßig dicke oberste Pulverschicht 13 auf eine Oberfläche einer Plattform oder einer Oberfläche einer vorab ausgebildeten bereits verdichteten, erwärmten und mit einem Laser- oder Elektronenstrahl 5.1, der von einer Laser- oder Elektronenstrahlquelle 5 lokal definiert bearbeiteten Pulverschicht aufgebracht. Mittels einer rotierenden und translatorisch über die Oberfläche der obersten Pulverschicht 13 bewegten Walze 4, die bspw. aus Graphit besteht oder mit Graphit gebildet ist, erfolgt durch die mittels der Walze 4 auf die oberste Pulverschicht 13 aufgebrachte Presskraft F ein Vorverdichten der obersten Pulverschicht 13 von der Höhe h0 14 auf h1 15, wie in 2 gezeigt. Mit dem bevorzugt gepulsten Gleichstrom I, der durch die Walze 4 fließt, erfolgt ein bevorzugt teilweises Versintern von Partikeln mit denen die oberste Pulverschicht 13 gebildet ist. Die Walze 4 kann durch die Reibungskräfte zwischen den Oberflächen der Walze 4 und der obersten Pulverschicht 13 als Folge der Presskraft F oder durch einen zusätzlichen Motor angetrieben werden.For the production of components 6, as in 1 As shown, the powder is applied from a powder storage container 1 by means of a doctor blade 2 as a uniformly thick uppermost powder layer 13 onto a surface of a platform or a surface of a previously formed, already compacted, heated, and locally defined powder layer with a laser or electron beam 5.1 from a laser or electron beam source 5. By means of a rotating and translationally moved roller 4, which consists, for example, of graphite or is formed with graphite, the pressing force F applied to the uppermost powder layer 13 by means of the roller 4 results in a pre-compaction of the uppermost powder layer 13 from the height h 0 14 to h 1 15, as in 2 shown. With the preferably pulsed direct current I flowing through the roller 4, a preferably partial sintering of particles with which the uppermost powder layer 13 is formed takes place. The roller 4 can be driven by the frictional forces between the surfaces of the roller 4 and the uppermost powder layer 13 as a result of the pressing force F or by an additional motor.

Die Walze 4 ist an eine nicht dargestellte elektrische Spannungsquelle angeschlossen. Von der Laser- oder Elektronenstrahlstrahlungsquelle 5 wird ein definiert lokal auslenkbarer Laser- oder Elektronenstrahl 5.1 auf die Oberfläche der vorverdichteten und erwärmten obersten Pulverschicht 13 in Bewegungsrichtung der Walze nach dem Kontaktbereich 18 gerichtet, um ein additives Laser-/Elektronenschmelzverfahren zu realisieren. Der Brennfleck des Laser- oder Elektronenstrahls 5.1 wandert dabei definiert eine Kontur abfahrend auf der Oberfläche der obersten Pulverschicht 13 in einem Bereich der in Bewegungsrichtung hinter der Walze 4 während deren translatorischer Bewegung hinter dem Kontaktbereich 18 angeordnet ist.The roller 4 is connected to an electrical voltage source (not shown). A defined, locally deflectable laser or electron beam 5.1 is directed from the laser or electron beam radiation source 5 onto the surface of the pre-compacted and heated uppermost powder layer 13 in the direction of movement of the roller after the contact area 18 in order to implement an additive laser/electron melting process. The focal spot of the laser or electron beam 5.1 migrates along a defined contour on the surface of the uppermost powder layer 13 in a region that is located behind the contact area 18 in the direction of movement of the roller 4 during its translational movement.

2 zeigt die Erwärmung der obersten Pulverschicht 13 und der Walze 4 infolge des elektrischen Stromflusses durch die Walze 4 und die oberste Pulverschicht 13 im Kontaktbereich 18. Der Bereich 17 wird bevorzugt erwärmt, da erstens der fließende elektrische Strom 16 hier eine Engstelle passieren muss und die elektrische Stromdichte folglich erhöht ist, und zweitens da die oberste Pulverschicht 13 einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand abhängig vom Pressdruck aufweist. Die Ausdehnung des Bereiches 17 in Richtung der Rotationsachse der Walze 4 wird über den Vortrieb (Umfangsgeschwindigkeit 19 der stromdurchflossenen Walze 4 und die Vorschubgeschwindigkeit der translatorischen Bewegung der Walze 4 entlang der Oberfläche der obersten Pulverschicht 13 und die Wärmeleitfähigkeit der Walze 4 beziehungsweise des Bauteils 6 bestimmt. 2 shows the heating of the uppermost powder layer 13 and the roller 4 as a result of the electric current flowing through the roller 4 and the uppermost powder layer 13 in the contact area 18. The area 17 is preferentially heated because, firstly, the flowing electric current 16 has to pass through a narrow point here and the electric current density is consequently increased, and secondly because the uppermost powder layer 13 has a high specific electrical resistance depending on the pressing pressure. The extension of the area 17 in the direction of the rotational axis of the roller 4 is determined by the propulsion (circumferential speed 19 of the current-carrying roller 4 and the feed rate of the translational movement of the roller 4 along the surface of the uppermost powder layer 13) and the thermal conductivity of the roller 4 or the component 6.

Die Ausdehnung des erwärmten Kontaktbereichs 18 in der Ebene der obersten Pulverschicht 13 und in Walzrichtung 20 in 2 wird über den Radius der stromdurchflossenen Walze 4, die Pulverschichtdicke h0 14 und den Pressdruck, der zwischen der Oberfläche der obersten Pulverschicht 13 der Walze 4 auf die oberste Pulverschicht 13 wirkt, gesteuert.The extension of the heated contact area 18 in the plane of the uppermost powder layer 13 and in the rolling direction 20 in 2 is controlled via the radius of the current-carrying roller 4, the powder layer thickness h 0 14 and the pressing pressure acting between the surface of the uppermost powder layer 13 of the roller 4 on the uppermost powder layer 13.

Die Erzeugung des gepulsten elektrischen, bevorzugt Gleichstroms erfolgt, wie in den Verfahren des feldaktivierten Sinterns (FAST, auch als Spark Plasma Sintern, SPS bezeichnet) beschrieben. Innerhalb der obersten Pulverschicht 13 wird die Wärme bevorzugt an den Kontaktstellen der Pulverpartikel 21 freigesetzt (siehe 3). Damit erfolgt die Erwärmung dort, wo eine Kontaktbildung, ein Versintern der Pulverpartikel 21 zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit, der Wärmeleitfähigkeit und zur Herstellung der Haftung zwischen den Pulverpartikeln 21 erreicht werden soll. Die Wärmefreisetzung ist zum elektrischen Widerstand des stromdurchflossenen Materials und dem Quadrat der elektrischen Stromstärke proportional. Hier besteht der Vorteil eines gepulst fließenden elektrischen Stromes darin, dass während der kurzen Pulsdauer ein sehr hoher elektrischer Strom fließen kann, der die Erwärmung der Pulverpartikel 21 in deren mikroskopischen Kontaktbereichen 25, in denen sich Pulverpartikel 21 berühren, bestimmt. Die Ausdehnung des Bereiches 25 wird durch das Pulsmuster und die Wärmeleitfähigkeit der Pulverpartikel 21 bestimmt. Die Erwärmung des Gesamtsystems bleibt dagegen begrenzt, da diese von der äquivalenten Gleichstromstromstärke IRCS bestimmt wird. ( I R C S = P u l s d a u e r P u l s d a u e r + P a u s e n d a u e r I ) The generation of the pulsed electrical current, preferably direct current, occurs as described in the field-activated sintering (FAST, also referred to as Spark Plasma Sintering, SPS) process. Within the uppermost powder layer 13, the heat is released preferentially at the contact points of the powder particles 21 (see 3 ). This means that heating takes place where contact is to be formed and sintered between the powder particles 21 in order to increase electrical conductivity, thermal conductivity and to create adhesion between the powder particles 21. The heat release is proportional to the electrical resistance of the material through which the current flows and the square of the electrical current intensity. The advantage of a pulsed electrical current here is that a very high electrical current can flow during the short pulse duration, which determines the heating of the powder particles 21 in their microscopic contact areas 25 where the powder particles 21 are in contact. The extent of the area 25 is determined by the pulse pattern and the thermal conductivity of the powder particles 21. The heating of the entire system, on the other hand, remains limited because this is determined by the equivalent direct current intensity I RCS . ( I R C S = P u l s d a u e r P u l s d a u e r + P a u s e n d a u e r I )

Hat die stromdurchflossene Walze 4 bei ihrer Drehung und translatorischen Bewegung einen verdichteten und erwärmten Oberflächenbereich der obersten Pulverschicht 13 passiert, ist bei den Pulverpartikeln 21 im verdichteten Bereich 15 mit der reduzierten Schichtdicke h1 eine hinreichende Haftung und elektrische Leitfähigkeit erreicht. Danach kann mit dem Elektronen- oder Laserstrahl 5.1 der jeweilige Werkstoff, mit dem das Bauteil 6 hergestellt werden soll, selektiv aufgeschmolzen werden (siehe Figur (1)).Once the current-carrying roller 4 has passed a compacted and heated surface area of the uppermost powder layer 13 during its rotation and translational movement, sufficient adhesion and electrical conductivity are achieved for the powder particles 21 in the compacted area 15 with the reduced layer thickness h 1. The respective material with which the component 6 is to be manufactured can then be selectively melted using the electron or laser beam 5.1 (see Figure (1)).

VariantenVariants

  • • Anstelle eines gepulsten Gleichstromes kann auch ein konstanter Gleichstrom oder Wechselstrom eingesetzt werden.• Instead of a pulsed direct current, a constant direct current or alternating current can also be used.
  • • Die Pulsmuster des gepulsten elektrischen Stromes können auch zu Pulsblöcken zusammengefasst werden (z.B. 2 ms Puls, 2 ms Pause, das ganze 10 mal wiederholt und danach 50 ms Pause eingehalten werden).• The pulse patterns of the pulsed electrical current can also be combined into pulse blocks (e.g. 2 ms pulse, 2 ms pause, the whole thing repeated 10 times and then a 50 ms pause is observed).
  • • Aus einem Vorratsbehälter 1 wird über die Rakel 2 eine jeweilige oberste Pulverschicht 13 mit einer Pulverschichtdicke 10 µm bis 1000 µm, bevorzugt 50 µm bis 150 µm aufgetragen. Bei dem konkreten Beispiel mit einer Schichtdicke von jeweils 150 µm aufgetragen werden.• From a storage container 1, a respective uppermost powder layer 13 with a powder layer thickness of 10 µm to 1000 µm, preferably 50 µm to 150 µm, is applied via the doctor blade 2. In this specific example, a layer thickness of 150 µm is applied.
  • • Das verwendete Pulver ist bevorzugt sphärisch. Der mittlere Partikeldurchmesser d50 sollte 10 µm bis 200 µm, vorzugsweise 50 µm bis 150 µm betragen. Bei dem konkreten Beispiel wurde pulverförmiger Werkzeugstahl 1.2343 mit einer mittleren Partikelgröße d50 von 50 um eingesetzt, um Pulverschichten 13 auszubilden.• The powder used is preferably spherical. The average particle diameter d 50 should be between 10 µm and 200 µm, preferably between 50 µm and 150 µm. In this specific example, powdered tool steel 1.2343 with an average particle size d 50 of 50 µm was used to form powder layers 13.

Für die stromführende Walze 4 gelten folgende Kennwerte:

  • • Abmessungen der Walze 4: Radius R = 10 mm bis 1000 mm beim konkreten Beispiel: Radius 50 mm, Breite 10 mm bis 1000 mm beim konkreten Beispiel 50 mm. Die Breite der Walze 4 entspricht im Beispielfall (aber nicht zwingend) der Breite der obersten Pulverschicht 13
  • • Anpresskraft: 100 N bis 102 N je cm Breite der obersten Pulverschicht 13 (im Beispiel 20 N mal 50 mm = 100 N)
  • • Die Vorschubgeschwindigkeit der translatorisch bewegten Walze 4 soll im Bereich 0,1 cm/s bis 1 cm/s liegen (im Beispiel 0,2 cm/s)
  • • Nach 4 erfolgt die Übertragung der Presskraft F auf die Walze 4 bevorzugt über die Wälzlager 24. Die Umfanggeschwindigkeit mit der die Walze 4 rotiertentspricht der Translation der Walze auf der Pulverschicht 13
The following characteristics apply to the current-carrying roller 4:
  • • Dimensions of roller 4: Radius R = 10 mm to 1000 mm in the specific example: radius 50 mm, width 10 mm to 1000 mm in the specific example 50 mm. The width of roller 4 in the example corresponds (but not necessarily) to the width of the top powder layer 13
  • • Contact pressure: 10 0 N to 10 2 N per cm width of the top powder layer 13 (in the example 20 N times 50 mm = 100 N)
  • • The feed speed of the translationally moving roller 4 should be in the range of 0.1 cm/s to 1 cm/s (in the example 0.2 cm/s)
  • • After 4 The transmission of the pressing force F to the roller 4 is preferably carried out via the roller bearings 24. The peripheral speed with which the roller 4 rotates corresponds to the translation of the roller on the powder layer 13

Die Leistungseinheit mit der elektrischen Spannungsquelle kann folgende Kennwerte aufweisen:

  • • Elektrische Spannung 0,01 V bis 10 V, bevorzugt 0,1 V bis 1 V, beim konkreten Beispiel: 1 V
  • • Elektrische Stromstärke: 101 A bis 103 A je cm Breite der obersten Pulverschicht 13, bevorzugt 10 A bis 100 A je cm Breite der Pulverschicht 13, beim konkreten Beispiel 500 A (bei 5 cm breiter Pulverschicht)
  • • Die Einleitung des elektrischen Stroms erfolgt bspw. über Schleifkontakte 4.4 bzw. 4.5 in die Walze 4 selbst oder in der unmittelbaren Umgebung der Walze 4. Letztere Variante bietet den Vorteil einer größeren Kontaktfläche, so dass die Erwärmung bzw. der Verschleiß der Schleifkontakte 4.4 bzw. 4.5 reduziert werden kann.
  • • Pulsmuster: Puls- und Pausenzeiten des elektrischen Stromflusses durch die Walze 4 von 1 ms bis 500 ms, vorzugsweise 3 ms bis 15 ms Pulsdauer mit 2 ms bis 10 ms Pausenzeit (im Beispiel Pulsdauer 10 ms, Pausendauer 5 ms).
  • • Die nicht miteinander ver- oder angesinterten Pulverpartikel können nach Abschluss des Verfahrens mechanisch (z.B. mittels Druckluft) einfach voneinander getrennt werden und stehen ohne messbare Eigenschaftsveränderungen (Fließfähigkeit, Schüttdichte, Sauerstoffgehalt) für eine erneute Verwendung zur Verfügung.
The power unit with the electrical voltage source can have the following characteristics:
  • • Electrical voltage 0.01 V to 10 V, preferably 0.1 V to 1 V, in the specific example: 1 V
  • • Electrical current: 10 1 A to 10 3 A per cm width of the uppermost powder layer 13, preferably 10 A to 100 A per cm width of the powder layer 13, in the specific example 500 A (with a 5 cm wide powder layer)
  • • The electrical current is introduced, for example, via sliding contacts 4.4 or 4.5 into the roller 4 itself or in the immediate vicinity of the roller 4. The latter variant offers the advantage of a larger contact surface, so that the heating or wear of the sliding contacts 4.4 or 4.5 can be reduced.
  • • Pulse pattern: Pulse and pause times of the electrical current flow through the roller 4 from 1 ms to 500 ms, preferably 3 ms to 15 ms pulse duration with 2 ms to 10 ms pause time (in the example pulse duration 10 ms, pause duration 5 ms).
  • • The powder particles that are not fused or sintered together can be easily separated from each other mechanically (e.g. using compressed air) after the process has been completed and are available for reuse without any measurable changes in properties (flowability, bulk density, oxygen content).

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
PulvervorratsbehälterPowder storage container
22
RakelSqueegee
33
GrundplatteBase plate
44
Walzeroller
4.14.1
Kern der Walze aus CuCrZr1Roller core made of CuCrZr1
4.24.2
Folie aus GraphitGraphite foil
4.34.3
WälzlagerRolling bearings
4.44.4
Schleifkontaktsliding contact
4.54.5
Schleifkontaktsliding contact
55
Laser- oder ElektronenstrahlquelleLaser or electron beam source
5.15.1
Laser- oder ElektronenstrahlLaser or electron beam
66
Pulverbett/BauteilPowder bed/component
77
BauraumInstallation space
88
Rakel (falls anhaftende Pulverpartikel abgestreift werden sollen)Squeegee (if adhering powder particles need to be removed)
1313
oberste Pulverschichttop layer of powder
1414
Höhe der obersten Pulverschicht vor der Verdichtung durch die WalzeHeight of the top layer of powder before compaction by the roller
1515
Höhe der obersten Pulverschicht nach der Verdichtung durch die WalzeHeight of the top layer of powder after compaction by the roller
1616
elektrischer Stromfluss durch die verdichtete oberste Pulverschicht im Kontaktbereichelectrical current flow through the compacted top powder layer in the contact area
1717
makroskopisch erwärmter Bereichmacroscopically heated area
1818
KontaktbereichContact area
1919
Umfangsgeschwindigkeit der WalzePeripheral speed of the roller
20 2120 21
Pulverpartikelpowder particles
2424
ein Strompfad durch die verdichtete oberste Pulverschichta current path through the compacted top layer of powder
2525
ein mikroskopisch erwärmter Bereicha microscopically heated area

Claims (5)

Verfahren zur Herstellung von formkomplexen dreidimensionalen Bauteilen (6), bei dem Pulverschichten auf einer stufenweise absenkbaren Plattform schichtweise übereinander ausgebildet werden und auf eine jeweilige oberste Pulverschicht (13) mittels einer um eine parallel zur Oberfläche der obersten Pulverschicht (13) ausgerichtete Rotationsachse rotierende und dabei translatorisch entlang der Oberfläche der obersten Pulverschicht (13) bewegte, aus Graphit bestehende oder mit Graphit gebildete Walze (4), die jeweilige oberste Pulverschicht (13) in einem Kontaktbereich (18), der zwischen den aufeinander zu gewandten Oberflächen der Oberfläche der jeweils obersten Pulverschicht (13) und der Walze (4) angeordnet ist, mit einer Anpresskraft von 100 N bis 102 N je cm Breite der obersten Pulverschicht (13) zusammengepresst und dabei die Schichtdicke der jeweiligen obersten Pulverschicht (13) reduziert und gleichzeitig die oberste Pulverschicht (13) innerhalb des Kontaktbereichs (18) dadurch erwärmt wird, dass ein elektrischer Strom mit einer elektrischen Spannung von 0,01 V bis 10 V und einer elektrischen Stromstärke von 101 A bis 103 A je cm Breite der obersten Pulverschicht (13) durch die Walze (4), die an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen ist, fließt und bei der translatorischen Bewegung der Walze (4) nach dem Kontaktbereich (18) ein lokal definiert ausgelenkter Laser- oder Elektronenstrahl (5.1) zur Durchführung eines selektiven Laserstrahl- oder Elektronenstrahlschmelzverfahrens auf die Oberfläche der verdichteten und vorgewärmten jeweiligen obersten Pulverschicht (13) gerichtet wird; wobei ein elektrischer Stromfluss von der Walze (4) durch den Kontaktbereich (18) und die Pulverschichten erreicht wird, indem die Plattform, auf der die Pulverschichten sukzessive nacheinander übereinander ausgebildet werden an einen Pol der elektrischen Spannungsquelle oder an Erdpotential angeschlossen und die Pulverschichten mit einem elektrisch leitenden Werkstoff gebildet sind und der elektrische Stromfluss gepulst durchgeführt wird und dabei eine Pulsdauer und dazwischen Pausenzeiten eingehalten werden.Method for producing complex-shaped three-dimensional components (6), in which powder layers are formed layer by layer on top of each other on a stepwise lowerable platform and the respective uppermost powder layer (13) is pressed together in a contact region (18) arranged between the mutually facing surfaces of the surface of the respective uppermost powder layer (13) and the roller (4) by means of a roller (4) consisting of graphite or formed with graphite, which rotates about a rotation axis aligned parallel to the surface of the uppermost powder layer (13) and thereby moves translationally along the surface of the uppermost powder layer (13), with a contact force of 10 0 N to 10 2 N per cm width of the uppermost powder layer (13), thereby reducing the layer thickness of the respective uppermost powder layer (13) and simultaneously heating the uppermost powder layer (13) within the contact region (18) by applying an electric current with an electric voltage of 0.01 V to 10 V and an electrical current of 10 1 A to 10 3 A per cm width of the uppermost powder layer (13) flows through the roller (4), which is connected to an electrical voltage source, and during the translational movement of the roller (4) after the contact region (18) a locally defined deflected laser or electron beam (5.1) is directed onto the surface of the compacted and preheated respective uppermost powder layer (13) to carry out a selective laser beam or electron beam melting process; wherein an electrical current flow from the roller (4) through the contact region (18) and the powder layers is achieved by connecting the platform on which the powder layers are formed one after the other to a pole of the electrical voltage source or to ground potential and the powder layers are formed with an electrically conductive material and the electrical current flow is carried out in a pulsed manner, a pulse duration and pause times in between are observed. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsdauer und dazwischen Pausenzeiten im Bereich 1 ms bis 500 ms eingehalten werden.Method according to the preceding claim, characterized in that a pulse duration and pause times in between in the range 1 ms to 500 ms are maintained. Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen mit dazwischen liegenden Pausenzeiten eine längere Pausenzeit als 10 ms eingehalten wird.Method according to one of the two preceding claims, characterized in that after a predeterminable number of pulses with pause times in between, a pause time longer than 10 ms is maintained. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Pulsmuster des gepulsten elektrischen Stromes zu Pulsblöcken zusammengefasst werden.Method according to one of the three preceding claims, characterized in that pulse patterns of the pulsed electrical current are combined into pulse blocks. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (6) nach seiner Fertigstellung von der Plattform entfernt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the component (6) is removed from the platform after its completion.
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