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Patent Searching and Data


Title:
3D-METAL-PRINTING METHOD AND ARRANGEMENT THEREFOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/035109
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a 3D-metal-printing method for producing a spatial metal product substantially consisting of a metal powder or metal filaments as the starting material, the powder or the filaments being structured layer-by-layer by applying starting material layers to a respectively previously produced layer and selective local heating of predefined points of the layer above a sintering or melting temperature of the powder and sintering or fusing the molten points with the underlying layer and optional tempering of the points, wherein at least the respectively newly applied starting material layer is formed by planar irradiating IR radiation in such a manner that a radiation spot having a surface area of at least 5mm2, more specifically of more than 20mm2 and even more specifically of more than 100mm2, is pre-heated and/or, following the local heating of the predetermined points, is post-treated for thermal stress compensation.

Inventors:
BÄR KAI K O (DE)
NEULINGER KARL (AT)
RÄNNAR LARS-ERIK (SE)
KOPTYUG ANDREY (SE)
Application Number:
DE2019/100723
Publication Date:
February 20, 2020
Filing Date:
August 09, 2019
Export Citation:
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Assignee:
VALUE & INTELLECTUAL PROPERTIES MAN GMBH (DE)
AIM SWEDEN AB (SE)
ADDITIVE INNOVATION AND RES SWEDEN AB (SE)
International Classes:
B22F3/105; B33Y10/00; B33Y30/00; B33Y40/00
Domestic Patent References:
WO1996035573A11996-11-14
Foreign References:
EP3345697A12018-07-11
US20170072463A12017-03-16
Attorney, Agent or Firm:
MEISSNER BOLTE PATENTANWÄLTE RECHTSANWÄLTE PARTNERSCHAFT MBB (DE)
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Claims:
Ansprüche

1. 3D-Metalldruckverfahren zur Herstellung eines räumlichen Metallprodukts im Wesentlichen aus einem Metallpulver oder Metallfilamenten als

Ausgangsmaterial,

wobei das Pulver bzw. die Filamente schichtweise durch Aufbringen von Ausgangsmaterial-Lagen auf eine jeweils vorab erzeugte Schicht und selektive lokale Erhitzung vorgegebener Punkte der Lage über eine Sinter- oder

Schmelztemperatur des Pulvers und Versinterung oder Verschmelzung der aufgeschmolzenen Punkte mit der darunterliegenden Schicht und optionales Tempern der Punkte aufgebaut wird bzw. werden,

wobei mindestens die jeweils neu aufgebrachte Ausgangsmaterial-Lage durch derart flächige Einstrahlung von IR-Strahlung, dass auf der Oberfläche der Ausgangsmaterial-Lage ein Strahlungs-Fleck mit einer Fläche von mindestens 5mm2, spezieller von mehr als 20mm2 und noch spezieller von mehr als 100mm2, gebildet wird, vor-erwärmt und/oder zeitgleich mit der selektiven lokalen

Erhitzung zusatz-erwärmt und/oder im Anschluss an die lokale Erhitzung der vorgegebenen Punkte zum thermischen Spannungsausgleich nach-behandelt wird.

2. 3D-Metalldruckverfahren nach Anspruch 1, wobei die flächige Einstrahlung von IR-Strahlung derart erfolgt, dass eine Vor-Erwärmung der neu aufgebrachten Ausgangsmaterial-Lage und eine Zusatz-Erwärmung während der selektiven lokalen Erhitzung erfolgt, wobei insbesondere ein vorbestimmter

Temperaturbereich für eine vorbestimmte Zeitdauer eingehalten wird.

3. 3D-Metalldruckverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die IR-Strahlung sequentiell abschnittsweise in Teilabschnitte der Gesamtfläche der jeweiligen Ausgangsmaterial-Lage eingestrahlt wird, wobei die Teilabschnitte insbesondere die Form schmaler Rechtecke haben, deren Länge mindestens einer lateralen Abmessung des zu bildenden Metallprodukts entspricht.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die

Leistungsdichte der flächig eingestrahlten IR-Strahlung auf der Ausgangsmaterial- Lage oberhalb 1 MW/m2 liegt.

5. 3D-Metalldruckverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als IR-Strahlung die Strahlung mindestens eines Halogenstrahlers, insbesondere einer Mehrzahl von Halogenstrahlern, mit einer Strahlertemperatur insbesondere im Bereich von 2900 K bis 3200 K, genutzt wird.

6. 3D-Metalldruckverfahren nach Anspruch 5, wobei zur Erzeugung eines schmal rechteckigen Strahlungsflecks mehr als ein stabförmiger IR-Strahler, insbesondere Halogenstrahler, mit zugeordnetem Reflektor eingesetzt wird.

7. 3D-Metalldruckverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die selektive lokale Erhitzung vorgegebener Punkte durch Abtasten der

Ausgangsmaterial-Lage mit einem Elektronenstrahl bewirkt wird.

8. 3D-Metalldruckverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede aufgebrachte Ausgangsmaterial-Lage eine Dicke von mindestens 150mm, spezieller von mehr als 300mm und noch spezieller von mehr als 500mm, hat und In voller Dicke durch die IR-Strahlung durchwärmt wird.

9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der

vorangehenden Ansprüche, welche aufweist:

einen Arbeitstisch als Unterlage zum schichtweisen Aufbau des räumlichen Metallprodukts,

eine Pulverauftragsvorrichtung zum sequentiellen Auftrag von

Ausgangsmaterial-Lagen eines Metallpulvers bzw. von Ausgangsmaterial

Filamenten im Bereich des Arbeitstisches,

eine Flächen-Erwärmungseinrichtung zur flächigen Erwärmung jeder neuen Ausgangsmaterial-Lage zur Vor-Erwärmung oder thermischen Nachbehandlung, die eine IR-Bestrahlungseinrichtung zur Erzeugung eines Strahlungsflecks mit einer Fläche von mindestens 5mm2, spezieller von mehr als 20mm2 und noch spezieller von mehr als 100mm2, aufweist, und

Mittel zum Bewirken einer selektiven lokalen Erhitzung vorgegebener Punkte der neuen Ausgangsmaterial-Lage über eine Sinter- oder

Schmelztemperatur des Metallpulvers.

10. Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Mittel zum Bewirken einer selektiven lokalen Erhitzung vorgegebener Punkte einer vorab aufgebrachten Ausgangsmaterial-Lage einen Elektronenstrahlerzeuger zur punktweisen

Einstrahlung von Elektronenstrahlung auf die vorgegebenen Punkte aufweisen und die Anordnung in einer mit Hochvakuum beaufschlagten Vakuumkammer angeordnet ist.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die IR-Bestrahlungseinrichtung mindestens einen IR-Strahler, insbesondere Halogenstrahler, mit derart zugeordnetem und ausgebildetem Reflektor aufweist, dass die Strahlung des oder jedes Infrarotstrahlers In Richtung auf den Arbeitstisch konzentriert wird und auf der letzten Ausgangsmaterial-Lage den Strahlungsfleck mit einer Fläche von mindestens 5mm2, spezieller von mehr als 20mm2 und noch spezieller von mehr als 100mm2 gebildet wird.

12. Anordnung nach Anspruch 11, wobei der IR-Strahler oder eine Mehrzahl von IR-Strahlern mit zugeordnetem Reflektor in mindestens einer Achsenrichtung einer XY-Ebene verfahrbar über dem Arbeitstisch angebracht ist.

13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der oder die Halogenstrahler zum Betrieb mit einer Strahlertemperatur im Bereich von 2900 K bis 3200 K ausgelegt ist/sind.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die IR- Bestrahlungseinrichtung mit mindestens einem stabförmigen IR-Strahler, insbesondere Halogenstrahler, ausgerüstet ist, dessen Länge mindestens einer Abmessung des zu erzeugenden Metaliprodukts entspricht, und eine Einrichtung zum Verfahren des IR-Strahlers in genau einer Achsenrichtung der XY-Ebene umfasst.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, mit einer

Erwärmunssteuereinrichtung, die über Steuerausgänge mit der Flächen- Erwärmungseinrichtung und den Mitteln zum Bewirken einer selektiven lokalen Erhitzung verbunden ist und diese gemäß einem Erwärmungssteuerprogramm derart steuert, dass in der neuen Ausgangsmaterial-Lage eine Temperatur in einem vorbestimmten Temperaturbereich für eine vorbestimmte Zeitdauer gehalten wird.

GEÄNDERTE ANSPRÜCHE

beim Internationalen Büro eingegangen am 26 November 2019 (26.1 1.2019)

1. 3D-Metalldruckverfahren zur Herstellung eines räumlichen Metallprodukts im Wesentlichen aus einem Metallpulver oder Metallfilamenten als

Ausgangsmaterial,

wobei das Pulver bzw. die Filamente schichtweise durch Aufbringen von Ausgangsmaterial-Lagen auf eine jeweils vorab erzeugte Schicht und selektive lokale Erhitzung vorgegebener Punkte der Lage über eine Sinter- oder

Schmelztemperatur des Pulvers und Versinterung oder Verschmelzung der aufgeschmolzenen Punkte mit der darunterliegenden Schicht und optionales Tempern der Punkte aufgebaut wird bzw. werden,

wobei mindestens die jeweils neu aufgebrachte Ausgangsmaterial-Lage durch derart flächige Einstrahlung von NIR-Strahlung, dass auf der Oberfläche der Ausgangsmaterial-Lage ein Strahlungs-Fleck mit einer Fläche von mindestens 5mm2, spezieller von mehr als 20mm2 und noch spezieller von mehr als 100mm2, in dem die Leistungsdichte auf der Ausgangsmaterial-Lage oberhalb 1 MW/m2 liegt, gebildet wird, vor-erwärmt und/oder zeitgleich mit der selektiven lokalen Erhitzung zusatz-erwärmt und/oder im Anschluss an die lokale Erhitzung der vorgegebenen Punkte zum thermischen Spannungsausgleich nach-behandelt wird.

2. 3D-Metalldruckverfahren nach Anspruch 1, wobei die flächige Einstrahlung von NIR-Strahlung derart erfolgt, dass eine Vor-Erwärmung der neu aufgebrachten Ausgangsmaterial-Lage und eine Zusatz-Erwärmung während der selektiven lokalen Erhitzung erfolgt, wobei insbesondere ein vorbestimmter

Temperaturbereich für eine vorbestimmte Zeitdauer eingehalten wird.

3. 3D-Metalldruckverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die NIR-Strahlung sequentiell abschnittsweise in Teilabschnitte der Gesamtfläche der jeweiligen Ausgangsmaterial-Lage eingestrahlt wird, wobei die Teilabschnitte insbesondere die Form schmaler Rechtecke haben, deren Länge mindestens einer lateralen Abmessung des zu bildenden Metallprodukts entspricht.

4. 3D-Metalldruckverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als NIR-Strahlung die Strahlung mindestens eines Halogenstrahlers, insbesondere einer Mehrzahl von Halogenstrahlern, mit einer Strahlertemperatur insbesondere im Bereich von 2900 K bis 3200 K, genutzt wird.

5. 3D-Metalldruckverfahren nach Anspruch 4, wobei zur Erzeugung eines schmal rechteckigen Strahlungsflecks mehr als ein stabförmiger NIR-Strahler, insbesondere Halogenstrahler, mit zugeordnetem Reflektor eingesetzt wird.

6. 3D-Metalldruckverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die selektive lokale Erhitzung vorgegebener Punkte durch Abtasten der

Ausgangsmaterial-Lage mit einem Elektronenstrahl bewirkt wird.

7. 3D-Metalldruckverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede aufgebrachte Ausgangsmaterial-Lage eine Dicke von mindestens 150pm, spezieller von mehr als 300mhi und noch spezieller von mehr als 500mΐti, hat und in voller Dicke durch die NIR-Strahlung durchwärmt wird.

8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der

vorangehenden Ansprüche, welche aufweist:

einen Arbeitstisch als Unterlage zum schichtweisen Aufbau des räumlichen Metallprodukts,

eine Pulverauftragsvorrichtung zum sequentiellen Auftrag von

Ausgangsmaterial-Lagen eines Metallpulvers bzw. von Ausgangsmaterial

Filamenten im Bereich des Arbeitstisches, eine Flächen-Erwärmungseinrichtung zur flächigen Erwärmung jeder neuen Ausgangsmaterial-Lage zur Vor-Erwärmung oder thermischen Nachbehandlung, die eine NIR-Bestrahlungseinrichtung zur Erzeugung eines Strahlungsflecks mit einer Fläche von mindestens 5mm2, spezieller von mehr als 20mm2 und noch spezieller von mehr als 100mm2, in dem die Leistungsdichte auf der

Ausgangsmaterial-Lage oberhalb 1 MW/m2 liegt, aufweist, und

Mittel zum Bewirken einer selektiven lokalen Erhitzung vorgegebener Punkte der neuen Ausgangsmaterial-Lage über eine Sinter- oder

Schmelztemperatur des Metallpulvers.

9. Anordnung nach Anspruch 8, wobei die Mittel zum Bewirken einer selektiven lokalen Erhitzung vorgegebener Punkte einer vorab aufgebrachten Ausgangsmaterial-Lage einen Elektronenstrahlerzeuger zur punktweisen

Einstrahlung von Elektronenstrahlung auf die vorgegebenen Punkte aufweisen und die Anordnung in einer mit Hochvakuum beaufschlagten Vakuumkammer angeordnet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die NIR-Bestrahlungseinrichtung mindestens einen NIR-Strahler, insbesondere Halogenstrahler, mit derart zugeordnetem und ausgebildetem Reflektor aufweist, dass die Strahlung des oder jedes Infrarotstrahlers in Richtung auf den Arbeitstisch konzentriert wird und auf der letzten Ausgangsmaterial-Lage den Strahlungsfleck mit einer Fläche von mindestens 5mm2, spezieller von mehr als 20mm2 und noch spezieller von mehr als 100mm2 gebildet wird.

11. Anordnung nach Anspruch 10, wobei der NIR-Strahler oder eine Mehrzahl von NIR-Strahlern mit zugeordnetem Reflektor in mindestens einer

Achsenrichtung einer XY-Ebene verfahrbar über dem Arbeitstisch angebracht ist.

12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, wobei der oder die Halogenstrahler zum Betrieb mit einer Strahlertemperatur im Bereich von 2900 K bis 3200 K ausgelegt ist/sind.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die

Bestrahlungseinrichtung mit mindestens einem stabförmigen NIR-Strahler, insbesondere Halogenstrahler, ausgerüstet ist, dessen Länge mindestens einer Abmessung des zu erzeugenden Metallprodukts entspricht, und eine Einrichtung zum Verfahren des NIR-Strahlers in genau einer Achsenrichtung der XY-Ebene umfasst.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, mit einer

Erwärmunssteuereinrichtung, die über Steuerausgänge mit der Flächen- Erwärmungseinrichtung und den Mitteln zum Bewirken einer selektiven lokalen Erhitzung verbunden ist und diese gemäß einem Erwärmungssteuerprogramm derart steuert, dass in der neuen Ausgangsmaterial-Lage eine Temperatur in einem vorbestimmten Temperaturbereich für eine vorbestimmte Zeitdauer gehalten wird.

Description:
3D-Metalldruckverfahren und Anordnung für ein solches

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein insbesondere elektronenstrahlbasiertes 3D- Metalldruckverfahren zur Herstellung eines räumlichen Metallprodukts im

Wesentlichen aus einem Metallpulver oder Metallfilamenten, wobei das

Metallprodukt schichtweise durch Aufbringen von Ausgangsmaterial-Lagen auf eine jeweils vorab erzeugte Schicht und selektive lokale Erhitzung vorgegebener Punkte der Lage über eine Sinter- oder Schmelztemperatur und Versinterung oder Verschmelzung der aufgeschmolzenen Punkte mit der darunterliegenden Schicht an den entsprechenden Punkten aufgebaut wird und wobei eine Vor-Erwärmung des vorhandenen Teil-Metallproduktes und/oder eine thermische Nachbehandlung vorgenommen wird. Sie betrifft des Weiteren eine Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von Verfahren zum schichtweisen Aufbau räumlicher Metallprodukte entwickelt, die unter den Begriffen„additive Fertigung” oder„3D-Druck" zusammengefasst werden. Diese Verfahren beruhen teilweise auf Schmelz- und Erstarrungsschritten und schließen dann eine selektive lokale Erhitzung von vorher aufgebrachten Ausgangsmaterial-Lagen ein, die hier auch als„punktweise” oder„punktweise abtastende" Erhitzung bezeichnet wird. Zur Herstellung von Metallprodukten insbesondere aus relativ hochschmelzenden Metallen, wie Titan, wird üblicherweise ein koordinatengesteuert über den Ausgangsmaterial-Lagen verfahrbarer Laserstrahl oder Elektronenstrahl eingesetzt.

In der Praxis dominieren derzeit Laserstrahl-Verfahren (LMB), die sich wegen der erforderlichen hohen Temperaturen zum lokalen Aufschmelzen der obersten Schicht des im Aufbau befindlichen Produkts eines energiereichen Laserstrahls bedienen müssen. Wegen der dabei in der obersten Schicht entstehenden

Erweichungen und thermischen Spannungen sind, je nach Produktgeometrie, teilweise komplexe Stützstrukturen erforderlich, die vom fertigen Produkt aufwändig wieder entfernt werden müssen. Die hohen Temperaturen führen zudem zu einem unerwünschten„Verbacken” (Cakes) des Ausgangsmaterial- Pulvers bzw. der Ausgangsmaterial-Filamente außerhalb der Kontur des herzustellenden Produkts. Solche verbackenen Pulver- bzw. Filament-Portionen vom fertigen Produkt abzulösen, erfordert ebenfalls Aufwand und hinterlässt vielfach eine unerwünscht unebene Produktoberfläche. Verbackenes

Ausgangsmaterial kann zudem nicht ohne weiteres zurückgewonnen und zur Herstellung weiterer Produkte genutzt werden, so dass die Ausnutzung des Ausgangsmaterials bei solchen Verfahren zu wünschen übrig lässt.

In der Regel müssen die fertigen Produkte aufgrund der im Herstellungsprozess aufgetretenen punktuellen thermischen Belastungen einer nachfolgenden thermischen Behandlung (Tempern, Annealing) zum Spannungsfrei-Machen unterzogen werden. Dies nimmt, je nach Produktgröße und -geometrie, erhebliche Zeit in Anspruch und verringert damit gravierend die Produktivität der laserbasierten Verfahren.

Eletronenstrahl-Verfahren (EBM-Verfahren) erfordern hohen apparativen Aufwand und sind derzeit wirtschaftlich nur für Produkte mit relativ geringen Abmessungen ersetzbar und daher noch relativ wenig verbreitet. Bei ihnen erfolgt

üblicherweise eine Vor-Erwärmung der obersten Ausgangsmateriallage vor dem lokalen Aufschmelzen mittels einer„stochastischen” Abrasterung der gesamten Oberfläche mit dem Elektronenstrahl, was den apparativen und Steuerungs- Aufwand weiter erhöht und Im Übrigen auch die Herstellungszeit des Produkts erheblich verlängert. Andererseits treten hier thermische Spannungen deutlich weniger ausgeprägt auf, und die oben erwähnten Maßnahmen zu deren

Beherrschung bzw. Beseitigung ihrer Folgen entfallen weitgehend. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren der gattungsgemäßen Art und eine Anordnung für dessen Durchführung anzugeben, mit denen eine hohe Produktivität, sparsame Materialausnutzung und moderater Energieverbrauch und somit insgesamt verringerte Produktkosten bei

gleichzeitiger Erfüllung hoher Qualitätsanforderungen erreicht werden können.

Diese Aufgabe wird in Ihrem Verfahrensaspekt durch ein 3D-Metalldruckverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und in ihrem Vorrichtungsaspekt durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Zweckmäßige

Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen

Ansprüche.

Es ist ein Gedanke der vorliegenden Erfindung, eine Vor-Erwärmung vor dem lokalen,„punktweisen" Aufschmelzen neu aufgetragener Material-Lagen und/oder eine parallele unterstützende Erwärmung während des punktweisen

Aufschmelzens nur in den tatsächlich zu bearbeitenden Bereichen (Schichten) des entstehenden Metallprodukts zu vorzunehmen. Gemäß einem relativ

unabhängigen Aspekt der Erfindung wird eine thermische Nachbehandlung unmittelbar nach dem lokalen Aufschmelzen gleichermaßen bereichs- bzw.

schichtweise vorgenommen.

Ein weiterer Gedanke der Erfindung ist es, die Vor-Erwärmung bzw. Nach-Heizung nicht wie bei den etablierten Elektronenstrahlverfahren spot-weise, sondern flächig über relativ große Bereiche (verglichen mit dem Spot-Durchmesser eines Elektronenstrahls) vorzunehmen. Speziell soll die Vor-Erwärmung über eine Fläche von jeweils mindestens 5mm 2 , spezieller von mehr als 20 mm 2 und noch spezieller von mehr als 100 mm 2 , erfolgen. Hierbei sind verschiedene Konturen des Strahlungsflecks realisierbar, unter praktischen Gesichtspunkten wird dieser jedoch in der Regel rechteckig sein. Mit einem rechteckigen Strahlungsfleck lässt sich eine abtastende Vor-Erwärmung oder Nach-Heizung der Gesamtoberfläche der Jeweiligen Ausgangsmaterial-Lage zuverlässig und mit relativ geringem Steuerungsaufwand und mit kurzer Behandlungszelt realisieren.

Als Energiequelle wird sehr kostengünstig verfügbare Infrarot(IR)-Strahlung eingesetzt, wobei dies ausdrücklich den Einsatz von naher IR-Strahlung, also solcher mit einem Strahlungsdichtemaximum im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 und 1,5 mhi, einschließt. In praktisch bedeutsamen Ausführungen wird als Metallpulver ein Aluminium-, Edelstahl-, oder Titanpulver oder auch Refraktärmetall-Pulver bzw. Pulver aus Legierungen mit diesen Metallen eingesetzt. Auch eine Kombination mit Keramikoder anderem nichtmetallischem Pulver ist möglich. Grundsätzlich kann das Verfahren auch mit Ausgangsmaterialien Filament-Form oder auch als Granulat, ausgeführt werden.

In einer Ausführung wird die IR-Strahlung sequentiell abschnittsweise in

Teilabschnitte der Gesamtfläche der jeweiligen Ausgangsmaterial-Lage eingestrahlt, wobei die selektive lokale Erhitzung über die Sinter- oder

Schmelztemperatur jeweils für vorgegebene Punkte innerhalb eines vorerwärmten Teilabschnittes vorgenommen wird. Die Vor-Erwärmung oder spannungsreduzierende flächige Nach-Heizung„wandert” also insbesondere vorbereitend und begleitend mit der lokalen Erhitzung über die Sinter- oder Schmelztemperatur über die Oberfläche der jeweils zu behandelnden

Ausgangsmaterial-Lage hinweg.

In einer aus derzeitiger Sicht bevorzugten Ausgestaltung wird ein

streifenförmiger, also die Form eines schmalen Rechtecks aufweisender

Strahlungsfleck auf der Oberfläche des im Aufbau befindlichen Metallprodukts erzeugt, der sich über die gesamte Breite oder Länge des Produkts erstreckt. Dieser Streifen wird dann senkrecht zu seiner Erstreckungsrichtung über die Oberfläche bewegt, so dass sukzessive die gesamte Oberfläche der letzten Ausgangsmaterial-Lage vorgewärmt wird.

Die Geometrie des Strahlungsflecks, speziell die Breite eines streifenförmigen Strahlungsflecks, wird durch Wahl eines Reflektors mit geeigneter Geometrie in Abstimmung auf die Parameter des eingesetzten IR-Strahlers bzw. NIR-Strahlers derart eingestellt, dass die erreichte Leistungsdichte den Prozessanforderungen genügt. Ein wichtiger Aspekt ist hierbei, dass das Überfahren der gesamten Oberfläche mit dem zu vorwärmenden Strahlungsfleck abgestimmt ist auf die nachfolgende selektive lokale (punktuelle) Erhitzung des Materials zum Sintern und Aufschmelzen. Der gesamte Ablauf soll im Interesse einer hohen

Verfahrensökonomie möglichst wenig Zeit in Anspruch nehmen. Dient die Beaufschlagung mit der IR-Strahlung allerdings einem Nach-Heizen zum Zwecke einer Spannungsreduzierung oder eines Temperns o.ä., sind die physikalischen Bedingungen bei dem zu erzielenden Effekt primär zu beachten. Wie bei konventionellen Verfahren, wird in einer weiteren Ausführung die selektive lokale Erhitzung vorgegebener Punkte zum Sintern bzw. Aufschmelzen und zum Tempern durch Abtasten der Ausgangsmaterial-Lage mit einem

Elektronenstrahl bewirkt. Sinnvollerweise ist die punktuelle Beaufschlagung der vorgewärmten Ausgangsmaterial-Lage mit dem Elektronenstrahl auf die oben erwähnte bereichsweise und speziell streifenförmige Beaufschlagung mit der zum Vorwärmen dienenden Strahlung zu synchronisieren. Insbesondere sollte der Elektronenstahl auf optimal vorgewärmte (und nicht wieder bereits etwas abgekühlte) Punkte der Ausgangsmaterial-Lage treffen. Die Steuerung der Elektronenstrahlablenkung ist also mit der Steuerung der IR- Bestrahlungseinrichtung zu verknüpfen.

In zweckmäßigen Ausgestaltungen des Verfahrens liegt die Leistungsdichte der flächig oder„wandernd" eingestrahlten IR-Strahlung auf der Oberfläche der obersten Ausgangsmaterial-Lage oberhalb lMW/m 2 , und es wird als nahe IR- Strahlung die Strahlung mindestens eines Halogenstrahlers, insbesondere einer Mehrzahl von Halogenstrahlern, mit einer Strahlertemperatur von bis zu 3200 K, insbesondere im Bereich von 2900 K bis 3200 K, genutzt.

Die erfindungsgemäße Vorwärmung ermöglicht den Auftrag wesentlich dickerer Materialschichten als bei den bisherigen EBM-Verfahren, und zwar aus derzeitiger Sicht eine Dicke von mehr als 150mm, spezieller von mehr als 300mm und noch spezieller von mehr als 500mm. Die Erfindung gewährleistet, dass derartig bemessene Ausgangsmaterial-Lagen vollständig durchwärmt werden und ggfs, auch noch eine hinreichende Wärmeleitung in eine darunterliegende Schicht zur besseren Verbindung der aufeinanderfolgenden Schichten bzw. zu deren

Eigenschaftsverbesserung beiträgt.

Inwieweit sich qualitativ hochwertige Produkte aus derartig dicken

Materialschichten mit hoher Produktivität auf bauen lassen, wird bei den

elektrodenstrahlbasierten Verfahren von der Möglichkeit des Einsatzes

leistungsstarker Elektronenstrahlquellen und zugehöriger Ablenk- und

Fokussierungseinrichtungen abhängen. Das hier vorgeschlagene Verfahren schafft jedenfalls weitreichende Voraussetzungen hierfür.

In weiteren Ausführungen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine in Abhängigkeit von der Schmelztemperatur und weiteren Parametern des zu verarbeitenden Metalls bzw. der Legierung gewählte Vorheiztemperatur, insbesondere im Bereich zwischen 600 und 1200 °C, eingestellt ist und

insbesondere durch eine Zeit- und/oder Strahlungsdichtesteuerung der flächigen Einstrahlung der IR-Strahlung geregelt wird. Beispielsweise für die Verarbeitung von Titan-Legierungen erscheint eine Temperatureinstellung im Bereich zwischen 600 und 800 °C und für Nickel-basierte Legierungen bzw. sog. Super-Alloys im Bereich zwischen 1000 und 1200 °C erfolgen.

Für die Optimierung des Gesamtprozesses ist Insbesondere bei

elektronenstrahlbasierten Verfahren die Einhaltung eines materialspezieflsch vorbestimmten Temperaturbereichs („Fensters") der jeweils prozessierten Schicht für eine vorbestimmte Zeit von Bedeutung. Die Einwirkung der eher flächigen IR- Strahlung und des eher punktuellen Elektronenstrahls Ist also bevorzugt steuerungsseitig auf die Gewährleistung eines solchen Temperatur-/Zeitfensters abzustimmen.

Insgesamt ermöglicht die vorgeschlagene Lösung eine deutliche Verkürzung der Prozesszeiten, sowohl schichtbezogen als auch auf ein Gesamtprodukt bezogen, in der Größenordnung von 50% oder mehr.

Vorteilhafte Ausführungen der vorgeschlagenen Anordnung ergeben sich für den Fachmann weitgehend aufgrund der vorstehend erläuterten Verfahrensaspekte, so dass von ausführlichen Erläuterungen weitgehend Abstand genommen wird. Es wird jedoch auf folgende Vorrichtungsaspekte hingewiesen:

Während der Aufbau der Gesamtanordnung weitgehend dem bekannter 3D- Drucker entspricht, deren Funktion auf dem sequentiellen lokalen Aufschmelzen von schichtweise aufgetragenen Metallpulvern oder -filamenten beruht, besteht eine Besonderheit In der Ausgestaltung der Einrichtung zur flächigen Erwärmung der jeweils obersten Ausgangsmaterial-Lage, im Sinne einer Vor-Erwärmung vor dem lokalen Aufschmelzen und/oder einer thermischen Nachbehandlung zum Spannungsausgleich unmittelbar nach dem Aufschmelzen.

Diese Einrichtung weist eine IR-Bestrahlungseinrichtung zur Einstrahlung von IR- Strahlung mit hoher Leistungsdichte auf eine vorbestimmte Fläche von

mindestens 5 mm 2 , spezieller von mehr als 20 mm 2 , noch spezieller von mehr als 100 mm 2 im Bereich des Arbeitstisches auf. Aus derzeitiger Sicht kann bei der weiteren Entwicklung der EBM-Technologie unter Einbindung der vorliegenden Erfindung auch eine gleichzeitige Vorwärmung wesentlich größerer

Flächenbereiche in Betracht kommen, insbesondere wenn die Technologie für deutlich größere als die damit erzeugten Produkte anwendbar gemacht wird.

Die Formulierung„im Bereich des Arbeitstisches" ist in einem allgemeinen Sinne zu verstehen und bedeutet nicht notwendigerweise, dass die IR- Bestrahlungseinrichtung senkrecht über dem Arbeitstisch platziert ist, und auch nicht, dass ihre laterale Erstreckung mit derjenigen des Arbeitstisches

übereinstimmt. Bei geeigneter Reflektorgeometrie kann die IR- Bestrahlungseinrichtung eine kleinere Grundfläche als der Arbeitstisch haben und auch schräg über diesem oder sogar seitlich von diesem positioniert sein.

Bei Nutzung der vorliegenden Erfindung im Rahmen des EBM-Verfahrens, welches im Hochvakuum ausgeführt wird, ist die NIR-Bestrahlungseinrichtung

insbesondere in der Vakuumkammer zu platzieren und zu betreiben, und sie muss derart positioniert sein, dass jede Störung der Abrasterung der Produktoberfläche durch den Elektronenstrahl verhindert wird.

In einer praktisch bewährten Ausgestaltung weist die spezielle NIR- Bestrahlungseinrichtung mindestens einen stabförmigen (linearen)

Halogenstrahler, insbesondere eine Mehrzahl von Halogenstrahlern, mit derart zugeordnetem Reflektor auf, dass die Strahlung des oder jedes Infrarotstrahlers in Richtung auf den Arbeitstisch konzentriert wird. In anderen Ausgestaltungen kann die IR-Bestrahlungseinrichtung jedoch auch ein Array von Hochleistungs- NIR-Laserdioden umfassen, und bei einer solchen Ausführung kann ggfs, auch weitgehend auf spezielle Reflektoren verzichtet werden.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Mehrzahl von Halogenstrahlern mit zugeordnetem Reflektor in mindestens einer Achsenrichtung einer XY-Ebene positionsgesteuert verfahrbar über dem Arbeitstisch angebracht. Diese

Ausführung dient der Realisierung einer Verfahrensführung, bei der die Vor- Erwärmung jeweils nur für einen konkret zu bearbeiten Tell-Oberflächenabschnitt des im Entstehen begriffenen Metallprodukts ausgeführt wird und dieser Bereich über die zu bearbeitende Oberfläche„wandert". Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass die Mehrzahl von Halogenstrahlern mit zugeordnetem Reflektor stationär oder allenfalls höhenverstellbar über dem Arbeitstisch angebracht ist.

In an sich bekannter Weise umfassen die Mittel zum Bewirken einer selektiven lokalen Erhitzung vorgegebener Punkte einer vorab aufgebrachten

Ausgangsmaterial-Lage eine Elektronenstrahlkanone mit zugehörigen

Ablenkeinrichtungen zur Strahlpositionierung gemäß der gewünschten

Produktgeometrie.

Die Erfindung erbringt, mindestens in gewissen Ausführungsformen, mehrere erhebliche Vorteile gegenüber Verfahren nach dem Stand der Technik.

Im Vergleich zu Wärmekammer-Lösungen ermöglicht es die Erwärmung im Wesentlichen nur der letzten Ausgangsmaterial-Lage unmittelbar vor dem lokalen Versintern bzw. Verschmelzen, große Werkstückvolumina zu erwärmen, und ist somit grundsätzlich energiesparend und verringert die thermische Belastung der Gesamtvorrichtung .

Weiterhin reduziert das erfindungsgemäße Vorgehen die dauerhafte Einwirkung relativ hoher Temperaturen auf programmgemäß nicht versinterte oder verschmolzene Bereiche von in früheren Verfahrensschritten bearbeiteten Ausgangsmaterial-Lagen und somit unbeabsichtigte Erweichungen und

Verschlechterungen des nicht versinterten Pulvers in jenen Lagen, was die Effizienz der Rückgewinnung von wiederverwertbarem Metallpulver nach der Fertigstellung eines Produkts deutlich verbessern kann.

Da erfindungsgemäß nämlich größere Temperaturdifferenzen zwischen den zu verschmelzenden und den nicht zu verschmelzenden„Punkten" der Pulver- oder Filamentschichten eingestellt werden können, werden solche unerwünschten Erweichungseffekte signifikant reduziert, wenn nicht gar völlig beseitigt. Ist es bei herkömmlichen Verfahren vielfach erforderlich, das fertige Produkt aufwändig von solchen anhaftenden Erweichungs-Bereichen zu säubern, kann auf solche Reinigungsschritte bei Anwendung der Erfindung weitestgehend verzichtet werden. Zudem kann weitgehend auf ein Sieben oder eine sonstige Aufbereitung des aus dem Prozess zurückgeführten Ausgangsmaterials verzichtet werden. Gegenüber bekannten EBM-Verfahren lässt sich nach den Erkenntnissen der Erfinder mit der Erfindung eine verbesserte Trocknung des Ausgangsmaterials als Grundlage für einen qualitativ verbesserten Verschmelzungs- bzw. Sintervorgang erreichen, und es scheint sich auch ein positiver Einfluss auf die Leitfähigkeit des Metallpulvers im Hinblick auf die nachfolgende selektive Beaufschlagung mit dem Elektronenstrahl zu ergeben, insbesondere im Sinne einer Beschleunigung der erwünschten Veränderungen gegenüber einer Elektronenstrahl-Vorwärmung.

Mit der erfindungsgemäßen Durchwärmung größerer Bereiche der zuletzt aufgetragenen Ausgangs-Material läge lässt sich nach den Erkenntnissen der Erfinder auch ein Nach-Heizen der vorab aufgebrachten und punktuell

verschmolzenen bzw. versinterten Materiallage im Sinne eines Temperns bzw. Annealing verknüpfen. Dies bietet die Möglichkeit einer strukturellen

Qualitätsverbesserung des erzeugten Metallprodukts.

Speziell im Vergleich zu laserbasierten Verfahren, bei denen am Produkt

Stützstrukturen vorgesehen sind, erbringt die Erfindung weiterhin die Vorteile einer wesentlichen Zeit- und Kosteneinsparung durch den weitgehenden Fortfall derartiger Stützstrukturen und somit auch den Wegfall der Nachbearbeitungs- Schritte zu deren Entfernung. Gleichermaßen gravierend ist der Zeitgewinn und hierdurch entstehende Produktivitätsvorteil durch den Wegfall oder zumindest die Verkürzung einer thermischen Gesamt-Nachbearbeitung des fertigen Produkts zur Spannungsfreimachung.

Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der einzigen Figur.

Fig. 1 zeigt skizzenartig eine Anordnung 100 zur additiven Fertigung eines (hier noch unvollständig gezeigten) räumlichen Metallprodukts P, das mittels schichtweisem Auftrag von Metallpulver und abtastender lokaler Erhitzung der einzelnen Schichten aus einem Metallpulver-Bett 101 gebildet wird

Die Anordnung umfasst einen Arbeitstisch 103, auf dem schichtweise das

Metallpulverbett 101 aufgebracht und das Metallprodukt P gebildet wird. Wie durch den Pfeil A symbolisiert, ist der Arbeitstisch 103 vertikal verfahrbar, um die Oberfläche des Metallpulver-Bettes 101 trotz dessen mit dem fortschreitenden Schichtauftrag anwachsender Höhe auf gleichem Höhenniveau zu halten. Eine Pulverauftragsvorrichtung zur Zuführung von Metallpulver in den eigentlichen Arbeitsbereich umfasst einen Stempel 105, der In Richtung des Pfeils B, also in Gegenrichtung zum Pfeil A vertikal verfahrbar ist, und eine Pulverauftragsrakel 107, die in Richtung des Pfeils C bewegbar ist und auf dem Stempel 105 als Vorrat aufgenommenes Metallpulver 109 jeweils in einzelnen Lagen

vorbestimmter Dicke in den Arbeitsbereich (also in der Figur nach rechts in das Pulverbett 101) verschiebt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Mittel zur sukzessiven Aufbringung von Pulverschichten auf den Arbeitstisch das dort ausgebildete Metallpulver-Bett 101 in der Figur lediglich beispielhaft und symbolisch gezeigt sind; Die tatsächliche Ausführung dieses Arbeitsschrittes im Rahmen der Realisierung der Erfindung kann gemäß etablierten Techniken erfolgen.

Oberhalb des Arbeitsbereiches ist eine NIR-Strahlungsquelle 111, die im Beispiel durch eine einzelne Halogenlampe lila und einen zugehörigen Reflektor 111b gebildet Ist, positioniert. Die NIR-Strahlungsquelle 111 ist, wie mit den Pfeilen Dl und D2 symbolisiert, lateral über das Pulverbett 101 hin und her bewegbar und dient zur Vor-Erwärmung der jeweils bestrahlten Abschnitte des Pulverbettes auf eine Temperatur unterhalb einer Sinter- oder Schmelztemperatur des

Metallpulvers. Wahlweise dient sie auch zur thermischen Nachbehandlung

(Annealing) einer unmittelbar vorher lokal aufgeschmolzenen Schicht, was beispielsweise durch ein„Zurückfahren” der NIR-Strahlungsquelle in Richtung des Pfeils D2 erfolgen kann, wenn die Strahlungsquelle zur Vor-Erwärmung In

Richtung des Pfeils Dl über die Oberfläche des Pulverbetts 101 gefahren wurde. Die NIR Strahlungsquelle 111 kann auch mehrere Halogenlampen mit einem dann entsprechend angepasst ausgeformten Reflektor umfassen.

Eine Elektronenstrahlröhre 113 mit zugehöriger koordinatengesteuerter

Ablenkeinheit 115 ist oberhalb des Arbeitsbereiches angeordnet. Die

Ablenkeinheit 115 lenkt einen von der Elektronenstrahlröhre 113 erzeugten Elektronenstrahl E zu beliebigen, durch Fertigungszeichnungen des

Metallprodukts P bezüglich dessen einzelner Schichten vorgegebenen Punkten auf der Oberfläche des vorgewärmten Pulverbettes 101. Mit dem Elektronenstrahl wird das durch die NIR-Strahlung an seiner Oberfläche vor-erwärmte Pulverbett 101 an den gemäß der Produktgeometrie vorbestimmten Auftreffpunkten über die Sinter- bzw. Schmelztemperatur erhitzt. Hierdurch wird an jenen Stellen ein Versintern mit der jeweils darunter liegenden Schicht bewirkt und somit die nächste Schicht des Metallprodukts P ausgebildet. In üblicher Weise verbleibt das Metallpulver 109 an jenen Stellen, an denen es nicht über die Sinter- bzw.

Schmelztemperatur erhitzt wurde, im Pulver-Zustand und fällt nach dem

Entnehmen vom Arbeitstisch vom Metallprodukt P ab bzw. kann aus diesem ausgewaschen werden.

Durch eine (nicht gezeigte) Leistungs- Betriebsstromsteuerung der

Elektronenröhre 113 lässt sich nahezu trägheitslos die Leistung des

Elektronenstrahls E und somit die am Auftreffort erzielbare Temperatur steuern. Dies ermöglicht unter anderem die präzise T-gesteuerte Ausführung von

Versinterungs- bzw. Aufschmelzschritten einerseits und nachfolgenden

Temperschritten der aufgebrachten Metallschicht andererseits.

Die gesamte Anordnung ist in einer Vakuumkammer 117 untergebracht, der ein Vakuumgenerator 119 zur Erzeugung eines Hochvakuums in der Vakuumkammer während des Herstellungsprozesses eines Produktes zugeordnet ist.

Im Übrigen ist die Ausführung der Erfindung auch in einer Vielzahl von

Abwandlungen des hier gezeigten Beispiels und weiter oben hervorgehobenen Aspekte der Erfindung möglich.