DE19649865C1 - Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines FormkörpersInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers,
insbesondere eines Prototyps eines Produkts oder Bauteils, eines Werkzeugproto
typs oder eines Ersatzteils, entsprechend dreidimensionalen CAD-Daten eines Mo
dells des Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, metalli
schem Werkstoff, bei dem nacheinander mehrere Pulverschichten übereinander auf
gebracht werden, wobei jede Pulverschicht vor dem Aufbringen der nächstfolgenden
Pulverschicht mit einem fokussierten Laserstrahl in einem vorgegebenen Bereich,
der einem ausgewählten Querschnittsbereich des Modells des Formkörpers ent
spricht, auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt wird und bei dem der Laserstrahl
jeweils entsprechend den CAD-Querschnittsdaten des ausgewählten Querschnitts
bereichs des Modells über die jeweilige Pulverschicht geführt wird, wodurch diese
Pulverschicht an der darunterliegenden Schicht fixiert wird.
Der zunehmende Wettbewerbsdruck zwingt Unternehmen in erhöhtem Maße, nicht
nur bei gleichbleibend hoher Produktqualität wirtschaftlicher zu fertigen, sondern im
Bereich der Produktentwicklung durch Einsatz neuer Verfahren Zeit und Kosten ein
zusparen. Die Produktlebenszeit verkürzt sich zunehmend. Neben der
Produktqualität und den Produktionskosten ist für den Erfolg eines Produkts der
Zeitpunkt seiner Markteinführung zunehmend von Bedeutung.
In vielen Industriezweigen ist es erforderlich, vor einer Serienfertigung, Prototypen
zu fertigen, um sie bereits als funktionsmäßige Teile zum Testen in Versuchsanord
nungen einzubauen. Vorzugsweise sollen solche Prototypen nicht nur in ihrer Form
den Serienprodukten entsprechen, sondern sie sollen auch vorzugsweise in Bezug
auf den Werkstoff dem Serienprodukt möglichst nahekommen, um solche Prototypen
auch im Einsatz zu testen.
Aus den vorstehend genannten Gründen hat sich in den letzten Jahren eine Techno
logie für die vorstehend angegebenen Zwecke etabliert, die als Stereolithographie
bezeichnet wird. Im Rahmen der Stereolithographie wird ein zu fertigender Prototyp
datenverarbeitungsmäßig in einzelne Schichten unterteilt und die Daten der einzel
nen Schichten in Bezug auf den herzustellenden Prototyp werden einer Fertigungs
anordnung zugeführt. Eine solche Fertigungsanordnung besteht aus einem Flüssig
keitsbad mit einer UV-härtenden Flüssigkeit, die mit einem UV-Strahl entsprechend
den Konturen und Feldern des herzustellenden Prototyps überstrichen wird, um die
Flüssigkeit auszuhärten. Danach wird diese erste Schicht um eine definierte Schicht
dicke abgesenkt, um darauf die zweite Schicht gemäß den erstellten Daten auszu
härten. Diese Verfahrensweise wird schichtweise fortgeführt, bis das gesamte Mo
dell bzw. der Prototyp erstellt ist. Auf diese Art und Weise können dünne Rohrwan
dungen, Hohlräume oder in sich verschlungene Teile gefertigt werden, und zwar ent
sprechend dem Serienprodukt. Je nach dem Unterteilungsgrad der Schichten, d. h.
entsprechend der Dicke jeder Schicht, die ausgehärtet wird, können auch Krümmun
gen sehr detailliert aufgebaut werden.
Neben dieser Stereolithographie, bei der Kunststoffmaterialien mittels UV-Licht aus
gehärtet bzw. polymerisiert werden, ist auch ein Verfahren bekannt, einen Prototyp
aus gesintertem, metallischem Werkstoffpulver aufzubauen. Ein solches Verfahren
ist in der PCT WO 92/10343 beschrieben. Gemäß dem in dieser Druckschrift be
schriebenen Verfahren wird zur Herstellung eines Teils eine erste Schicht eines sin
terfähigen Pulvers aufgebracht und das Pulver entsprechend den Schichtbereichen
des herzustellenden Teils gesintert. Danach wird diese Verfahrensweise wiederholt,
indem jeweils weitere Schichten auf die jeweils zuvor gesinterte Schicht aufgebracht
werden, die den jeweiligen Schichten bzw. Querschnittsflächenbereichen des herzustel
lenden Teils entsprechen.
Aus "Heinz Haferkampt et al, Laserstrahl-Sintern zur Herstellung von Blechformwerk
zeugen", in der Zeitschrift "BLECH ROHRE PROFILE, 43, 1996, Seiten 317 bis 319" ist
es bekannt, Metallstrukturen durch schichtweises lokales Sintern bzw. Verschmelzen
von vordeponierten Metallpulverschichten mit fokussierter Laserstrahlung aufzubauen.
Hierbei werden die Metallstrukturen aus pulverförmigen Werkstoffen ohne Bindemittel
zusätze über die Schmelzphase hergestellt, wobei mehrere übereinanderliegende Metall
pulverschichten mit einer Dicke von jeweils 0,1 bis 0,2 mm nacheinander aufgebracht
und jeweils mit Laserstrahlung unter einer Argon-Schutzgasatmosphäre bestrahlt
werden.
Ein gemeinsamer Nachteil der heute auf dem Markt verfügbaren Verfahren, wie Stereoli
thographie, Sintern von Metallpulvern, besteht darin, daß hierdurch auf direktem Weg
keine metallischen Prototypen hergestellt werden können, die für einen betriebsmäßi
gen Einsatz, beispielsweise als Abgaskrümmer eines Kraftfahrzeugs, einsetzbar sind.
Die erzeugten Bauteile bestehen aus Kunststoffen, Metall, Wachs oder Papier, die be
triebsmäßige Funktionsprüfungen, insbesondere unter hoher Temperatur und starken
Belastungen, nicht zulassen.
In Bezug auf das Sinterverfahren, wie es auch aus der vorstehend zitierten Druckschrift
bekannt ist, werden im wesentlichen zwei Verfahrensvarianten derzeit verfolgt, zum ei
nen das direkte Sintern und zum anderen das indirekte Sintern. Beim indirekten Sintern
wird das metallische Werkstoffpulver mit einem Polymer umhüllt oder mit einem ande
ren, sinterfähigen Hüllmaterial, wie Sinterhilfsmittel, was für solches Metall erforderlich
ist, das selbst nicht sinterfähig ist. Bei dem Sintervorgang wird nur das Polymermaterial
oder das Hüllmaterial aufgeschmolzen oder gesintert und bindet dadurch die Metallparti
kel zusammen. Der so erzeugte sogenannte Grünling muß jedoch noch in einem Folge
prozeß nachbehandelt werden, beispielsweise in Form einer Oberflächenglättung oder
eines Ausbrennens des Binders aus Polymermaterial. Oder es müssen meistens solche
Bauteile noch durch Nachsintern und Infiltrieren verdichtet und verfestigt werden,
wodurch sich Maß- und Formveränderungen durch Schrumpfung oder Verzug ergeben
können. Bei der direkten Sinterung besteht die Pulvermischung aus einem niedrig- und
einem hochschmelzenden Material. Bei einer Bearbeitung wird nur die niedrigschmel
zende Komponente aufgeschmolzen und fungiert als Binder für die hochschmelzenden
Pulverpartikel. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die hergestellten Bauteile eine
Dichte kleiner ca. 80% aufweisen und eine geringe Festigkeit haben. Deshalb ist auch
bei dieser Verfahrensvariante eine direkte Erprobung oder ein Einsatz des Bauteils un
ter betriebsmäßigen oder gar extremen Testbedingungen nicht möglich.
Ausgehend von dem eingangs angegebenen Stand der Technik sowie der vorste
hend aufgeführten Problematik, die sich bei herkömmlichen Verfahren ergibt, liegt
der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Formkörper, insbesondere Proto
typen eines Produkts oder Bauteils, zu schaffen, die ein Testen unter Bedingungen,
die mindestens denjenigen entsprechen, denen das Serienprodukt ausgesetzt wer
den soll, ermöglichen, wobei diese Prototypen in ihrer Festigkeit und Dichte dem
Endprodukt mindestens angenähert werden sollen und insbesondere auch keine
aufwendigen Nachbearbeitungsschritte erfordern.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren gemäß der
Erfindung dadurch gelöst, daß das metallische Werkstoffpulver als bindemittel- und
flußmittelfreies, metallisches Werkstoffpulver aufgebracht wird, daß es durch den
Laserstrahl auf Schmelztemperatur erhitzt wird, daß die Energie des Laserstrahls so
ausgewählt wird, daß das metallische Werkstoffpulver an der Auftreffstelle des La
serstrahls über seine gesamte Schichtdicke vollständig aufgeschmolzen wird, daß
der Laserstrahl in mehreren Spuren über den vorgegebenen Bereich der Werkstoff
pulverschicht so geführt wird, daß jede folgende Spur des Laserstrahls die vorherige
Spur teilweise überlappt, und daß eine Schutzgasatmosphäre über jeder Wechsel
wirkungszone von Laserstrahl mit dem metallischen Werkstoffpulver aufrechterhal
ten wird.
Dadurch, daß das metallische Werkstoffpulver bindemittel- und flußmittelfrei ist, und
es jeweils auf seine Schmelztemperatur erhitzt wird, wird das metallische Werkstoff
pulver über die gesamte Schichtdicke vollständig aufgeschmolzen, so daß ein sehr
dichter Formkörper hoher Festigkeit herstellbar ist, der ein Testen unter betriebsmä
ßigen Bedingungen, also sowohl unter hohen Temperaturen, in Abhängigkeit von
der Metallart, aus der das verwendete Pulver besteht, als auch unter hohen mecha
nischen Beanspruchungen zuläßt. Hierbei ist wesentlich, daß die metallische Werk
stoffpulverschicht entlang der Spuren, die der Laserstrahl beim Aufschmelzen über
fährt, bis zu der darunterliegenden, bereits aufgeschmolzenen Schicht durchdringt,
so daß sich jeweils benachbarte Spuren derart überlappen, daß benachbarte Berei
che miteinander verschmolzen werden und somit keine Rillen oder sonstige Über
gangsstellen entstehen. Durch diese Oberlappung wird die Schmelze des Pulvers
und die Schmelze der angrenzenden, festen Kontur, die zuvor aufgeschmolzen wur
de oder unter der Pulverschicht liegt, zu einem gemeinsamen Schmelzbad aufge
schmolzen, wonach das Schmelzbad eine schmelzmetallurgische Verbindung ein
geht und dann nach der Erstarrung eine homogene Struktur entsteht.
Hierbei ist auch wesentlich, daß während des Verfahrens in der Wechselwirkungs
zone zwischen dem Laserstrahl und dem metallischen Werkstoffpulver eine Schutz
gasatmosphäre aufrechterhalten wird, um Fehlstellen, wie sie beispielsweise durch
Oxidation hervorgerufen werden, zu vermeiden. Mit dem erfindungsgemäßen Ver
fahren können nicht nur hoch feste und sehr dichte Bauteile erzeugt werden, son
dern es ist mit dem Verfahren auch, praktisch materialunabhängig, die Möglichkeit
gegeben, die unterschiedlichsten metallischen Werkstoffpulver einzusetzen, bei
spielsweise Edelstahl, Aluminium oder Titan, um einige der wesentlichsten dieser
seriennahen und im Vergleich zu bisherigen Sinterwerkstoffen hochschmelzenden
Werkstoffe zu nennen, die heute eingesetzt werden; Die Pulver erfordern keine Vor
behandlungen, sondern es können handelsübliche Pulver ohne große Einschrän
kungen verwendet werden. Die einzige Einschränkung, die eingehalten werden
muß, ist diejenige, daß das metallische Werkstoffpulver eine ausreichend feine Kör
nung haben sollte, um die einzelnen Schichten fein abgestuft aufbauen zu können.
Wie bereits vorstehend ausgeführt, ist es wesentlich, daß der Spurabstand benach
barter Spuren, d. h. der Abstand, mit dem jeweils durch den Laserstrahl aufgeschmol
zen wird, so gewählt wird, daß sich die Spuren derart überlappen, daß eine folgende
Schmelzspur jeweils an die vorherige Spur angeschmolzen wird, indem eine ausrei
chend breite Zone, auch von der bereits erstarrten Spur erneut aufgeschmolzen
wird. In Bezug auf diese Maßnahme hat sich ein Spurabstand Δys benachbarter
Spuren gemäß der Vorschrift 2 < ds/Δys < 1,5 als bevorzugt erwiesen, wobei ds der
Durchmesser des Laserstrahls in der Schmelzebene ist. Weiterhin sollte der Durch
messer des Laserstrahls im Bereich von 0,2 bis 0,5 mm, vorzugsweise etwa
0,35 mm, liegen. Geht man von einem Laserstrahldurchmesser von beispielsweise
von 0,5 mm aus und berücksichtigt die Bedingung, wie sie vorstehend angegeben
ist, so überlappt jeweils der Laserstrahl mit 0,25 mm seines Durchmessers die be
reits erstarrte, vorherige Spur, die dann wieder aufgeschmolzen wird.
Es hat sich gezeigt, daß ein besonders gutes Aufschmelzen und Verbinden des auf
geschmolzenen Metallpulvers mit einer bereits erstarrten und wieder aufgeschmol
zenen Spur dann erzielt wird, wenn die benachbarte, erstarrte Spur noch eine aus
reichende Restwärme besitzt, so daß sie schneller auf die Schmelztemperatur durch
den Laserstrahl wieder aufgeheizt werden kann. Um dies zu erreichen, wird jede
Schicht des schichtartigen Aufbaus des Formkörpers in Teilflächen unterteilt und je
de Teilfläche wird dann wiederum in Abtastvektorlängen unterteilt, die der Laser
strahl nacheinander überstreicht. Dies bedeutet, daß sich der Laserstrahl nur eine
kurze Spurlänge in einer Richtung bewegt und dann seine Richtung umkehrt, um ne
ben der zuvor aufgeschmolzenen Pulverschicht zurückzukehren. Durch diese Um
kehrfolge wird unmittelbar dort der Laserstrahl entlanggeführt, wo das aufgeschmol
zene und verfestigte Pulvermaterial noch stark aufgewärmt ist. Eine solche maximale
Abtastvektorlänge sollte auf 20 mm, vorzugsweise auf maximal 10 mm, eingestellt
werden, d. h. der Laser überstreicht nur eine sehr kurze Strecke, bevor er seine
Richtung umkehrt, um parallel zu seiner letzten Spur abzutasten. Eine solche Unter
teilung jeder Schicht in einzelne Teilflächen und diese wiederum in einzelne Ab
tastvektorzonen einer vorgegebenen Länge kann im Rahmen der Datenverarbeitung
durchgeführt werden, d. h. ein Datenverarbeitungssystem unterteilt die Flächen der
art, daß der Laserstrahl keine Sprünge in der Schmelzebene vornehmen muß, son
dern fortlaufend die gesamte Schicht nach und nach durchläuft, um möglichst opti
miert die Restwärme, die in den bereits aufgeschmolzenen Schichten noch verblie
ben ist, zu nutzen.
Weiterhin sollte bevorzugt beachtet werden, daß die maximale Abtastvektorlänge
kleiner ist als die Breite der Teilfläche in Abtastrichtung des Laserstrahls, d. h. der
Laserstrahl tastet quer zu seiner Abtastrichtung lange, streifenförmige Teilflächen
der Pulverschicht ab und schmilzt diese Bereiche auf.
Um die Einkopplung des Laserstrahls in die Pulverschicht zu unterstützen, sollte der
Laserstrahl unter einem Winkel zur Flächennormalen der Pulverschicht, vorzugswei
se unter einem Winkel von etwa 45°, eingestrahlt werden. Durch diese Maßnahme
erfolgt eine tiefere Eindringung des Laserstrahls bei gleicher Laserleistung in das
metallischen Werkstoffpulver, als dies der Fall wäre, wenn der Laserstrahl parallel
zur Flächennormalen der Pulverschicht eingestrahlt würde.
Um das Pulver gleichmäßig aufzuschmelzen derart, daß jeweils ausreichende Zonen
des bereits erstarrten Metalls erneut aufgeschmolzen werden, um eine übergangslo
se Verbindung zu schaffen, werden die Metallpulverschichten vorzugsweise in einer
Dicke zwischen 0,05 mm und 0,02 mm aufgebracht, mit einer bevorzugten Dicke von
etwa 0,1 mm.
Die Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls sollte auf einen Wert zwischen 50 und
150 mm/s, vorzugsweise auf etwa 150 mm/s, eingestellt werden.
Die Körnung des metallischen Werkstoffpulvers sollte unterhalb 100 µm liegen mit
einer bevorzugten, durchschnittlichen Korngröße der Körnung von 10 bis 50 µm.
Für die Energiedichte im Schmelzbereich sollten Werte zwischen 1 bis 3 J/mm² ein
gehalten werden; mit diesen Energiedichten werden gute Ergebnisse in Bezug auf
Metalle, wie Stahl, Titan und Aluminium, erhalten.
Die Verbindung der Schmelzen der festen Kontur und der Schmelzen des Pulvers
wird oft durch Oxidationsschichten und Verunreinigungen auf der Oberfläche der
Schmelzen verhindert. Deshalb sollte durch eine geeignete Schutzgasführung die
Oxidation der Schmelze, insbesondere durch den Luftsauerstoff, vermieden werden,
sowie Verunreinigungen aus der Atmosphäre um die Bearbeitungszone herum ent
fernt werden. Dazu wird während des Aufschmelzens des metallischen Werkstoffpul
vers über der Oberfläche des sich aufbauenden Formkörpers eine laminare Schutz
gasströmung aufrechterhalten. Als Schutzgas kann zum Beispiel Stickstoff, Helium
oder Argon verwendet werden. Eine ausreichende Strömung ist erforderlich, um
nicht nur die sich im Bereich der Oberfläche befindlichen Gase, die eine Oxidation
der entsprechenden Metalloberflächen bewirken könnten, sondern auch solche Ga
se, die in den Hohlräumen zwischen dem metallischen Werkstoffpulver eingelagert
sind, zu entfernen. Diese Gase werden dann ständig mit dem vorbeiströmenden
Schutzgas abtransportiert, insbesondere auch dann, wenn diese Gase durch die Er
wärmung des metallischen Werkstoffpulvers freigesetzt werden. Die laminare
Strömung hat weiterhin den Vorteil, daß das metallische Werkstoffpulver im Pulver
bett nicht aufgewirbelt wird, was sich nachteilig auf den Aufbau des Formkörpers
auswirken könnte. Um den gesamten Bereich des aufzubauenden Formkörpers mit
Schutzgasen abzudecken, wird vorzugsweise das Schutzgas von der einen Seite
des Formkörpers zugeführt und auf der anderen Seite, und zwar der gegenüberlie
genden Seite des Formkörpers, abgeführt. Um den Schutzgasvolumenstrom einer
seits zu begrenzen und andererseits die laminare Strömung zu definieren, wird das
Schutzgas in einem eng begrenzten Volumen oberhalb des aufzubauenden Form
körpers, vorzugsweise in einem Bereich von maximal 20 mm oberhalb des Formkör
pers, aufrechterhalten. Das Schutzgas sollte unter einem Überdruck von größer 0,1
Mpa, vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 0,6 MPa, gehalten werden. Gegebenen
falls besteht auch die Möglichkeit, die Schutzgasströmung im Bereich der jeweiligen
Aufschmelzstelle mittels einer Düse aufrechtzuerhalten; eine solche Düse kann dann
mit der Bewegung des Laserstrahls oder von Teilfläche zu Teilfläche mitgeführt wer
den; es besteht auch die Möglichkeit, innerhalb der Teilfläche quer zu der Ab
tastvektorrichtung zu verfahren.
Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Herstellen eines
Formkörpers gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Spurabstands des Laserstrahls in ei
ner Draufsicht, wobei ein Teil der Pulverschicht aus metallischem Werk
stoffpulver aufgeschmolzen ist, während im Bereich des anderen Teils die
Metallpulverkörnung sichtbar ist,
Fig. 3A bis 3C drei aufeinanderfolgende Darstellungen der Erzeugung einer
schmelzmetallurgischen Verbindung zwischen einer festen Kontur und
aufgeschmolzenem Pulver,
Fig. 4 ein Bauteil, bei dem eine Teilfläche des Bauteils in Abtastvektorlängen für
den Laserstrahl unterteilt ist,
Fig. 5 einen Querschliff eines gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren herge
stellten Probeteils aus Edelstahl,
Fig. 6A eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung, um die Gasströmung
in der Prozeßkammer zu erläutern,
Fig. 6B eine Draufsicht auf die Vorrichtung der Fig. 6A,
Fig. 7A eine der Fig. 6A entsprechende Vorrichtung, bei der eine Gasströmung
mit einer Gasdüse erzeugt wird, und
Fig. 7B eine Draufsicht auf die Vorrichtung der Fig. 7A.
Die Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einge
setzt wird, umfaßt, wie in Fig. 1 dargestellt ist, eine Prozeßkammer 1 mit einem
Schutzgaseinlaß 2, der im Bereich der oberen Seitenkante der Prozeßkammer 1 an
geordnet ist, sowie einen Schutzgas-Auslaß 3 an der gegenüberliegenden Kante,
der im Bereich der Bodenfläche 4 der Prozeßkammer 1 angeordnet ist. Der Boden
fläche 4 der Prozeßkammer 1 ist zum einen ein Vorratsbehälter 5, der mit metalli
schem Werkstoffpulver 6 gefüllt ist, sowie eine Aufbaukammer 7 zugeordnet. In jeder
Kammer 5, 7 ist jeweils ein Hubtisch 8, 9 angeordnet, die über jeweils einen Hubkol
ben 10 in Richtung der Doppelpfeile in der z-Richtung bewegbar sind. Oberhalb der
Prozeßkammer 1 im Bereich der Aufbaukammer 7 ist eine Abtasteinrichtung 11 an
geordnet, die eine von einem Laser 12 erzeugten Laserstrahl 13 auf den Hubtisch 9
hin richtet. Der Laser 12, die Abtasteinrichtung 11, eine Pumpe 25 für die Schutz
gaszufuhr zu dem Schutzgas-Einlaß 2 sowie eine Antriebseinrichtung 14 für die bei
den Hubkolben 10 sind über jeweilige Steuerleitungen, die nicht mit einem Bezugs
zeichen versehen sind, einer zentralen Verarbeitungseinheit 15 zugeordnet.
Um einen Formkörper, beispielsweise den Prototyp, eines Bauteils 16 herzustellen,
werden zunächst über eine Eingabeeinheit 17 die Bauteilkoordinaten in die zentrale
Verarbeitungseinheit 15 dreidimensional eingegeben, und zwar in einzelne, in z-
Richtung unterteilte Schnitte. Die Schnitte sind in der z-Richtung durch das Bauteil
16 unter einer Beabstandung von 0,1 mm gelegt, so daß sich beispielsweise für ein
Bauteil mit einer Bauhöhe in z-Richtung von 10 cm 1000 Schnitte ergeben. Nach
dem die Bauteildaten entsprechend aufbereitet sind, wird der Hubtisch 9 in der Auf
baukammer 7 in eine erste, obere Stellung verfahren, in der die Auflagefläche 18 auf
das Niveau der Bodenfläche 4 verfahren ist. Der Hubtisch 8 des Vorratsbehälters 5
wird in die untere Position verfahren, beispielsweise in eine Position, wie sie in Fig.
1 gezeigt ist, und in den Vorratsbehälter 5 wird ein feinkörniges Pulver 6 aus dem
Metall eingefüllt, aus dem das Bauteil 16 aufgebaut werden soll. Die Körnung des
Pulvers 6 sollte im Bereich von 10-100 µm liegen, wobei die exakte Korngröße von
den Bauteil-Vorgaben abhängig ist. Über eine Nivelliereinrichtung 19, in Fig. 1
schematisch mit einem Pfeil dargestellt, wird das metallische Werkstoffpulver 6, das
über die Bodenfläche 4 hinaus mittels des Hubtischs 8 angehoben ist, über die Bo
denfläche 4 der Prozeßkammer 1 verteilt, indem diese Nivelliereinrichtung 19 in
Richtung des Pfeils 20 verfahren wird, um so eine dünne Schicht an metallischem
Werkstoffpulver, wie oberhalb der Bodenfläche 4 zu sehen ist, zu verteilen. Die Ni
velliereinrichtung 19, die ebenfalls mit der zentralen Verarbeitungseinheit 15 in Ver
bindung steht, wird in einem Abstand oberhalb der Bodenfläche 4 angehoben, die
einer auftubauenden Schicht des Bauteils 16 entspricht. Wie ersichtlich ist, ist ober
halb des Hubtisches 9 dann ebenfalls eine dünne Pulverschicht aufgebracht. Nach
dem diese vorbereitende Maßnahme abgeschlossen ist, werden der Laser 12 und
die Abtasteinrichtung 11 angesteuert, um den Laserstrahl 13 auf die Auflagefläche
18 bzw. das darauf befindliche metallische Werkstoffpulver zu richten, um, entspre
chend den Koordinaten, dasjenige Pulver aufzuschmelzen, das der untersten
Schicht des Bauteils 16 entspricht. Hierbei wird der Laserstrahl 13, wie in Fig. 2 ge
zeigt ist, entlang aufeinanderfolgender Spuren n in der x-Richtung verfahren, um das
metallische Werkstoffpulver 6 aufzuschmelzen, wie auch in Fig. 3A gezeigt ist.
Nachdem die unterste Schicht s des Bauteils 16 gebildet ist, wird der Hubtisch 9 um
einen Abstand Δz nach unten verfahren, so daß die Oberseite dieser ersten Schicht
S wiederum in etwa der Ebene der Bodenfläche 4 der Prozeßkammer 1 liegt. Da
nach wird wiederum die Nivelliereinrichtung 19 betätigt, um eine definierte Pulver
schicht auf die darunterliegende Schicht S des Bauteils 16 aufzutragen. Danach wird
der Laserstrahl 13 wieder Spur für Spur n entsprechend den Bauteilkoordinaten über
das Pulver geführt, um dieses aufzuschmelzen. Hierbei wird nicht nur das metalli
sche Werkstoffpulver aufgeschmolzen, sondern auch die darunterliegende Oberflä
che der Schicht S sowie die jeweils benachbarte Spur, d. h. in Fig. 2 überstreicht
der Laserstrahl 13, der entlang der Spur n + 1 verfährt, auch die Spur n. Hierbei soll
te der Laserstrahl, um das verfestigte Metall der angrenzenden Spur aufzuschmel
zen, mit mindestens einem Drittel seines Durchmessers auch die vorherige Spur n
überstreichen. Hierbei wird die Spur n angeschmolzen, wie in Fig. 3A dargestellt
ist, sowie die darunterliegende Schicht S, so daß unterhalb des Laserstrahls ein
Schmelzbereich, in Fig. 3B mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet, gebildet wird.
Das aufgeschmolzene Pulver 6 verfestigt sich dann, wie in Fig. 3C dargestellt ist,
mit dem Metall in der vorherigen Spur n zu einer homogenen Schicht. Diese Verfah
rensweise wird wiederholt, bis das gesamte Bauteil 16 aufgebaut ist. Es ist ersicht
lich, daß nicht nur zusammenhängende Flächen jeweils aufgebaut werden können,
sondern auch dünne Stege, wie anhand des Bauteils 16 angedeutet ist.
Der Laserstrahl 13 sollte von der vorherigen Spur n, parallel zu der er verschwenkt
wird, der Vorschrift 2 < ds/Δys < 1,5 genügen, wobei ds der Durchmesser des Laser
strahls ist und Δys der mittlere Spurabstand benachbarter Spuren bezeichnet. Bei ei
nem Strahldurchmesser ds = 0,35 mm beträgt der Spurabstand Δys etwa 0,2 mm.
Typische Energiedichten, die mit dem Laserstrahl 13 auf das metallische Werkstoff
pulver 6 aufgebracht werden, um dieses vollständig auftuschmelzen, liegen bei
spielsweise bei der Verarbeitung von Edelstahl im Bereich von 2 J/mm²; diese Ener
giedichte kann zum Beispiel mit einer typischen Laserleistung von ca. 100 W, einem
Strahldurchmesser von ca. 0,3 bis 0,4 mm, einer Abtastgeschwindigkeit in Richtung
der Achse x in Fig. 2 von ca. 140 mm/s und einer Pulverschichtdicke Δz von
0,1 mm erreicht werden.
Geeignete Laser für das Verfahren sind, in Abhängigkeit von den Strahlungsabsorp
tionseigenschaften des eingesetzten Pulvers, Nd:YAG-Laser, CO₂-Laser und
Diodenlaser.
Es hat sich gezeigt, daß die Absorption der Laserstrahlung 13 im metallischen
Werkstoffpulver 6 wesentlich effizienter wird, wenn die Laserstrahlung 1 3 unter ei
nem Winkel, vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 45°, zu der Flächennorma
len der Pulverschicht eingestrahlt wird, da durch die schräge Strahlinzidenz die La
serstrahlung tiefer in die Pulverschicht eingekoppelt werden kann in Bezug auf die
sen Winkel kann ein beliebiger Raumwinkel gewählt werden.
Eine wesentliche Maßnahme, um das metallische Werkstoffpulver homogen, auch in
Bezug auf die angrenzende Spur n und die darunterliegende Schicht s, aufzu
schmelzen, ist der vorstehend erläuterte Spurversatz benachbarter Spuren n und n + 1.
Hierbei trifft ein Teil des Laserstrahls 13 auf das Pulver 6 auf, während ein ande
rer Teil auf die feste Kontur der vorher bearbeiteten Spur n auftrifft. Der Anteil der
Laserstrahlung 13, die auf die relativ glatte, schön feste Kontur der benachbarten
Spur auftrifft, wird zu einem größeren Teil reflektiert, als derjenige Teil, der auf das
Pulver auftrifft, das aufgeschmolzen werden soll. Damit der geringe, absorbierte Teil
der Laserstrahlung dennoch ausreicht, die feste Kontur an der Oberfläche der be
nachbarten Spur n aufzuschmelzen, sollte die Temperatur der schon festen Kontur
noch möglichst hoch sein, wenn die Laserstrahlung 13 darauf auftrifft. Dies wird da
durch erreicht, daß die Abtastvektorlänge begrenzt wird, d. h. der Laser wird nur ei
nen relativ kurzen Weg entlang einer Spur n verfahren, bevor die nächste Spur n + 1
überstrichen wird. Bei langen Abtastvektoren vergeht nämlich eine bestimmte Zeit,
bis eine Spur n + 1 bearbeitet ist. In dieser Zeit kann die gerade bearbeitete Spur n
abkühlen. Wird dann die nächste Spur bearbeitet, ist die bereits bearbeitete Spur
soweit abgekühlt, daß die darauf auftreffende Laserstrahlung nicht ausreichen kann,
diese wieder anzuschmelzen. Wird die Abtastvektorlänge kurz gestaltet, verkürzt
sich auch die Zeit, in der die gerade bearbeitete Spur abkühlen kann. Deshalb hat
die Spur noch eine hohe Temperatur, wenn die nächste Spur, die unmittelbar be
nachbart der gerade bearbeiteten Spur ist, abkühlen kann. Dadurch reicht die darauf
auftreffende Laserstrahlung aus, um die Oberfläche der schon festen Spur anzu
schmelzen und die Schmelze des Pulvers kann sich damit verbinden, wie dies auch
in den Fig. 3A bis 3C dargestellt ist. Unter den Parametern, die vorstehend an
gegeben sind, würde die maximale Abtastvektorlänge ca. 10 mm betragen. Zum
Aufbau komplexer Geometrien wird eine Software benutzt, die jede Schicht s eines
Bauteils in Teilflächen 22 zerlegt, wie in Fig. 4 dargestellt ist, die dann entspre
chend den angedeuteten Abtastvektoren 23 Spur n für Spur n hin und her durch den
Laserstrahl 13 überstrichen werden, wobei vorzugsweise unmittelbar am Ende eines
Abtastvektors 23 die Richtung des Laserstrahls umgekehrt wird, um entlang des
nächsten Abtastvektors 23 zu verfahren.
In Fig. 5 ist ein Schliffbild eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge
stellten Edelstahl-Bauteils gezeigt. Anhand der Fig. 5 ist zu erkennen, daß ein
sehr homogener und dichter Körper gebildet ist mit nur sehr geringen Einschlüssen;
die Dichte des Bauteils liegt bei etwa 99% der theoretischen Materialdichte.
Ein Problem, das beim Aufschmelzen der festen Kontur und des Pulvers auftreten
kann, sind Oxidationen an der Oberfläche der Materialien, die einem solchen Auf
schmelzen entgegenwirken. Aus diesem Grund wird über der Oberseite der Aufbau
kammer 7 eine laminare Schutzgasströmung 24 erzeugt, wie durch die entsprechen
den Pfeile in den Fig. 6A und 6B angedeutet ist. Dazu wird als Schutzgas zum
Beispiel Stickstoff, Helium oder Argon über den Schutzgas-Einlaß 2, der in dem Fall
der Fig. 6A und 6B schlitzförmig an der Querseite der Prozeßkammer 1 im obe
ren Bereich verläuft, zugeführt und auf der gegenüberliegenden Seite über den
schlitzförmigen Schutzgas-Auslaß 3, im unteren Bereich, der nahe zu der Bodenflä
che 4 der Prozeßkammer 1 liegt, abgesaugt, und zwar über die Pumpeinrichtung 25.
Aufgrund des tiefliegenden Schutzgas-Auslasses 3 nahe zu der Bodenfläche 4 wird
die Schutzgasströmung 24 sehr dicht über die Oberseite der Aufbaukammer 7 ge
führt. Hierdurch wird nicht nur oberhalb der Pulverschicht, die durch den Laserstrahl
13 aufgeschmolzen werden soll, eine reine Schutzgasatmosphäre aufrechterhalten,
sondern es wird auch Luft, die in den Hohlräumen zwischen den Pulvern zurückge
halten wird, abgeführt. Um den Volumenstrom des Schutzgases gering zu halten,
sollte die Prozeßkammer 1 sehr flach ausgebildet sein, d. h. sie hat eine Höhe 26
von nicht mehr als 20 mm. Ein typischer Volumenstrom des Schutzgases beträgt et
wa 60 l/min; der Druck in diesem Bereich sollte zwischen 0,2 und 0,6 MPa liegen.
Alternativ zu der Anordnung der Fig. 6A und 6B, um die laminare Schutzgasströ
mung oberhalb der Aufbaukammer 7 aufrechtzuerhalten, kann der Aufbau so
modifiziert werden, wie dies in den Fig. 7A und 7B zu sehen ist. In dieser alter
nativen Ausführungsform wird die Schutzgasströmung 24 über eine Düse 27 auf die
Aufschmelzstelle gerichtet. Diese Düse 27 erzeugt eine lokal begrenzte Schutz
gasströmung 24 an der Aufschmelzstelle. Um den gesamten Bereich, über den das
Pulver 6 aufgeschmolzen wird, mit Schutzgas anzuströmen, wird die Düse 27 mit
dem Laserstrahl 13 jeweils mitbewegt. Falls die Breite der Düse größer als die maxi
male Abtastvektorlänge 23 ist, dann wird die Düse 27 innerhalb einer Teilfläche 22
nur senkrecht zu der Abtastrichtung mitbewegt, da parallel zu der Abtastrichtung der
Aufschmelzbereich vollständig abgeschirmt wird. Auch auf diese Weise kann eine
effektive, laminare Strömung unmittelbar oberhalb des mit dem Laserstrahl 13 gera
de aufgeschmolzenen Bereichs erzielt werden, so daß eine Oxidation der Oberflä
chen, sowohl des Pulvers als auch der angrenzenden, bereits aufgeschmolzenen
Flächen, unterbunden wird.
Claims (23)
1. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, insbesondere eines Prototyps eines
Produkts oder Bauteils, eines Werkzeugprototyps oder eines Ersatzteils, entspre
chend dreidimensionalen CAD-Daten eines Modells des Formkörpers durch
schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, metallischem Werkstoff, bei dem
nacheinander mehrere Pulverschichten übereinander aufgebracht werden, wobei
jede Pulverschicht vor dem Aufbringen der nächstfolgenden Pulverschicht mit ei
nem fokussierten Laserstrahl in einem vorgegebenen Bereich, der einem ausge
wählten Querschnittsbereich des Modells des Formkörpers entspricht, auf eine vor
gegebene Temperatur erhitzt wird und bei dem der Laserstrahl jeweils entspre
chend den CAD-Querschnittsdaten des ausgewählten Querschnittsbereichs des
Modells über die jeweilige Pulverschicht geführt wird, wodurch diese Pulverschicht
an der darunterliegenden Schicht fixiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das
metallische Werkstoffpulver als bindemittel- und flußmittelfreies metallisches Werk
stoffpulver aufgebracht wird, daß es durch den Laserstrahl auf Schmelztemperatur
erhitzt wird, daß die Energie des Laserstrahls so ausgewählt wird, daß das metalli
sche Werkstoffpulver an der Auftreffstelle des Laserstrahls über seine gesamte
Schichtdicke vollständig aufgeschmolzen wird, daß der Laserstrahl in mehreren
Spuren über den vorgegebenen Bereich der Werkstoffpulverschicht so geführt
wird, daß jede folgende Spur des Laserstrahls die vorherige Spur teilweise über
lappt, und daß eine Schutzgasatmosphäre über der Wechselwirkungszone von La
serstrahl mit dem metallischen Werkstoffpulver aufrechterhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spurabstand Δys
benachbarter Laserstrahlen gemäß der Vorschrift 2 < ds/Δys < 1,5 eingehalten wird
wobei ds der Durchmesser des Laserstrahls in der Schmelzebene ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des
Laserstrahls im Bereich von 0,2 bis 0,5 mm eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des
Laserstrahls auf maximal 0,35 mm eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht des
schichtartigen Aufbaus in Teilflächen unterteilt wird, wobei jede Teilfläche wieder
um in Abtastvektorlängen unterteilt wird, die der Laserstrahl nacheinander
überstreicht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Ab
tastvektorlänge auf 20 mm eingestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Ab
tastvektorlänge auf etwa 10 mm eingestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen
Abtastvektorlängen von dem Laserstrahl mit einer Hin- und Herbewegung abgear
beitet werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
Laserstrahl unter einem Winkel zur Flächen normalen der Pulverschicht eingestrahlt
wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl unter ei
nem Winkel von etwa 45° zur Flächennormalen der Pulverschicht eingestrahlt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
jeweilige Pulverschicht aus metallischem Werkstoffpulver mit einer Dicke zwischen
0,05 mm und 0,2 mm aufgebracht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Pulver
schicht aus metallischem Werkstoffpulver mit einer Dicke von etwa 0,1 mm aufge
bracht wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die
Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls auf einen Wert zwischen 50 und 250 mm/s
eingestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastgeschwin
digkeit des Laserstrahls auf einen Wert von etwa 150 mm/s eingestellt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß
im Schmelzbereich eine Energiedichte im Bereich von 1 bis 3 J/mm² erzeugt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß wäh
rend des Aufschmelzens über der Oberfläche des sich aufbauenden Formkörpers
eine Schutzgasströmung aufrechterhalten wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das
Schutzgas von der einen Seite des Formkörpers zugeführt und auf der anderen
Seite des Formkörpers abgeführt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schutzgasströmung in einem eng begrenzten Volumen oberhalb des aufzubau
enden Formkörpers aufrechterhalten wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasströ
mung in einem Bereich maximal 20 mm oberhalb des aufzubauenden Formkörpers
aufrechterhalten wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das
Schutzgas unter einem Überdruck von größer 0,1 MPa gehalten wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas unter
einem Überdruck von 0,2 bis 0,6 MPa gehalten wird.
22. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasströ
mung im Bereich der jeweiligen Aufschmelzstelle mittels einer Düse aufrechterhal
ten wird, wobei die Düse mit der Bewegung des Laserstrahls mitgeführt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Werk
stoffpulver mit einer Körnung von < 100 µm aufgebracht wird.
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