Schichtbauvorrichtung Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils, eine Einlassströmungsführung für eine derartige Schichtbauvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schichtbauvorrichtung.

Bei so genannten additiven bzw. generativen Fertigungsverfahren (sog. Rapid Manufacturing- bzw. Rapid Prototyping- Verfahren) wird ein Bauteilbereich bzw. ein vollständiges Bauteil, bei dem es sich beispielsweise um ein Bauteil einer Strömungsmaschine bzw. eines Flugtriebwerks handeln kann, schichtweise aufgebaut. Vorwiegend metallische Bauteile werden in der Regel durch Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelz- oder -sinterverfahren hergestellt. Dabei wird zunächst mittels eines Beschichters schichtweise mindestens ein pulverformiger Werkstoff im Be reich einer Aufbau- und Fügezone aufgetragen, um eine Pulverschicht zu bilden. Anschließend wird der Bauteilwerkstoff lokal verfestigt, indem dem Werkstoff im Bereich der Aufbau- und Fügezone Energie mittels wenigstens eines Energiestrahls zugeführt wird, wodurch der Werk- Stoff schmilzt bzw. sintert und eine Bauteilschicht bildet. Der Energiestrahl wird dabei in Abhängigkeit einer Schichtinformation der jeweils herzustellenden Bauteilschicht gesteuert. Die Schichtinformationen werden üblicherweise aus einem 3D-CAD-Körper des Bauteils erzeugt und in einzelne Bauteilschichten unterteilt. Nach dem Verfestigen des geschmolzenen oder ver- sinterten Werkstoffs wird die Bauplattform schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke ab- gesenkt. Danach werden die genannten Schritte bis zur endgültigen Fertigstellung des gewünschten Bauteilbereichs oder des gesamten Bauteils wiederholt. Der Bauteilbereich bzw. das Bauteil kann dabei beispielsweise auf einer absenkbaren Bauplattform und/oder auf einem bereits erzeugten Teil des Bauteils oder Bauteilbereichs bzw. auf einer Stützstruktur hergestellt werden. Die Vorteile dieser additiven Fertigung liegen insbesondere in der Möglichkeit, sehr komplexe Bauteilgeometrien mit Hohlräumen, Hinterschnitten und dergleichen im Rahmen eines einzelnen Verfahrens hersteilen zu können.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Als problematisch bei diesen Schichtbauverfahren ist der Umstand anzusehen, dass sich häufig Zonen mit Verwirbelungen der Pulverschicht oder Staub sowie sonstige Verunreinigungen wie etwa Kondensat, Rauch oder Spratzer bilden, die sich unkontrolliert auf dem Baufeld, auf aufgeschmolzenem Pulver oder auf bereits verfestigten Bereichen der Bauteilschicht ablagem. Dies führt zu entsprechenden Verunreinigungen, Einschlüssen und Prozessstörungen und damit letztlich zu einer Verminderung der Bauteilqualität.

Aus der DE 10 2015 117 238 Al ist es daher beispielsweise bekannt, eine Einlassströmungsführung vorzusehen, mittels welcher ein Fluidstrom erzeugt werden kann, um den Bereich der Pul- verschicht beispielsweise mit einem Schutzgas oder Kühlmittel zu beaufschlagen.

Als nachteilig an den bekannten Einlassströmungsführungen ist der Umstand anzusehen, dass der Fluidstrom einen Freistrahl darstellt, welcher nach dem Austritt aus einer Austrittsöffhung der Einlassströmungsführung unkontrolliert fließt. Zudem variieren die Strömungsgeschwindigkeiten am Auslass der bekannten Einlassströmungsführungen und es entsteht ein nachteiliges, inhomogenes Strömungsbild in diesem Bereich. Hierdurch kann es zu einer Aufwirbelung des pulver- förmigen Werkstoffs sowie zur unkontrollierten Verteilung von Staub, Kondensat, Rauch, Sprat- zem und dergleichen kommen, was zu einer schlechteren Bauteilqualität führen kann. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine prozesssicherere additive Herstellung von Bauteilschichten eines Bauteils mit höherer Qualität zu ermöglichen.

Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Schichtbauvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Einlassströmungsführung für eine derartige Schichtbauvorrichtung gemäß Patentanspruch 12 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 15 zum Betreiben einer solchen Schichtbauvorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren. Die Schichtbauvorrichtung umfasst mindestens einen Beschichter zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf eine Aufbau- und Fügezone, mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls zum schichtweisen und lokalen Verschmelzen und/oder Versintem des Werkstoffs zum Ausbilden einer Bauteilschicht durch selektives Bestrahlen des Werkstoffs mit dem wenigstens einem Energiestrahl gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie; und wenigstens eine Einlassströmungsführung zur Leitung eines Fluidstroms in Richtung der Aufbau- und Fügezone zur Erzeugung eines Fluidstrom über der Pulverschicht, wobei die Einlassströmungsführung mindestens zwei Kanäle zur Aufnahme und Leitung des Fluidstroms sowie einen oberen Stromführungsbereich und einen stromabwärts hierzu anschließenden unteren Stromfuhrungsbereich umfasst. Dabei sind die einzelnen Kanäle im unteren Stromfuhrungsbereich der Einlassströmungsführung derart ausgestaltet, dass sie gleiche Volumen des Fluidstroms zur Ausbildung eines gleichmäßigen Volumenstroms aufnehmen und leiten. Zudem weist die Schichtbauvorrichtung wenigstens eine Strömungsleiteinrichtung auf, welche mindestens ein Leitelement zum Leiten des Fluidstroms über zumindest einen Teilbereich der Pulverschicht umfasst, wobei die Strömungsleiteinrichtung zumindest im Betrieb der Schichtbauvorrichtung im Bereich eines Kanalaustrittsöffnungen umfassenden Endbereichs der Einlassströmungsführung angeordnet ist. Generell sind„ein/eine“ im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmte Artikel zu lesen, also ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe immer auch als„mindestens ein/mindestens eine“. Umgekehrt können„ein/eine“ auch als„nur ein/nur eine“ verstanden werden. Des Weiteren umfassen die Begriffe„gleich“ und„gleichmäßig“ nicht nur identische Werte oder Wertebereiche, sondern auch Werte und Wertebereiche die um ca. 15% von den identischen Werten oder Wertebereichen abweichen. Unter den Begriffen„angeordnet“ oder„Anordnung“ ist eine direkte oder indirekte Verbindung der entsprechenden Einzelelemente zu verstehen. Eine derartige Strömungsleiteinrichtung erlaubt eine verbesserte Kontrolle und gleichmäßigere Strömungsführung des Fluidstroms. Mittels der Einlassströmungsführung ist gewährleistet, dass eine gleichmäßige Geschwindigkeits- und Volumenstromverteilung innerhalb und insbesondere am Austritt der Einlassströmungsführung beziehungsweise im Bereich der Ka- nalaustrittsöffnungen erzielt wird. Dadurch entsteht ein homogenes Strömungsbild in diesem Bereich, so dass die Entstehung von beispielsweise seitlichen Strömungskomponenten im Bauraum der Schichtbauvorrichtung, an welchen Verwirbelungen und/oder Totwassergebiete entstehen können, wirksam verhindert wird. Über die gesamte Aufbau- und Fügezone kann ein homogenes Strömungsfeld erzeugt werden. Zudem ist es mit Hilfe des mindestens einen Leitelements beispielsweise möglich, den Fluidstrom über dem Pulverbett bedarfsweise weiter zu homogenisieren, zu richten bzw. umzulenken und/oder zu zerstäuben. Dies ermöglicht eine prozesssicherere additive Herstellung von Bauteilschichten eines Bauteils mit höherer Qualität. Das Leitelement kann in einfachster Ausgestaltung wandartig, das heißt flach, rechtwinklig und eben ausgebildet sein. Grundsätzlich ist die Geometrie des Leitelements aber nicht auf eine bestimmte Geometrie beschränkt, so dass auch abweichende, insbesondere unebene, beispielsweise bereichsweise konvex und/oder konkav gewölbte Geometrien sowie nicht-rechtwinklige Geometrien vorgesehen sein können. Dies erlaubt es, die Pulverschicht bzw. die verfestigte Bauteilschicht gezielt mit einem gewünschten Fluid, beispielsweise einem Schutz- und/oder Kühlgas, zu beaufschlagen und/oder zu um- bzw. überströmen, um eine zielgerichtete Abführung von verwirbeltem Werkstoffpulver, Staub, Kondensat, Rauch, Spratzem und dergleichen sicherzustellen. Das Schutzgas kann Argon und/oder ein anderes Edelgas bzw. Edelgasgemisch (He, Ne, Kr, Xe) umfassen oder sein. Vorzugsweise weist das Schutzgas möglichst geringe Verunreinigungen an Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Wasser(dampf) auf. Unter einer möglichst geringen Verunreinigung werden jeweils Gehalte von höchstens 20 ppm, insbesondere von höchstens 10 ppm oder weniger verstanden. Die Schichtbauvorrichtung kann grundsätzlich als selektive Lasersinter- und/oder Laserschmelzvorrichtung ausgebildet sein und einen oder mehrere Laser als Strahlungsquelle(n) aufweisen. Zur Erzeugung eines Laserstrahls kann beispielsweise ein CO2-Laser, Nd:YAG- Laser, Yb-Faserlaser, Diodenlaser oder dergleichen vorgesehen sein. Ebenso ist es möglich, dass die Schichtbauvorrichtung als Elektronenstrahlsinter- und/oder -Schmelzvorrichtung ausgebildet ist, das heißt eine oder mehrere Elektronenquellen als Strahlungsquelle(n) aufweist. Auch beliebige Kombinationen sind denkbar. In Abhängigkeit des verwendeten Werkstoffs und der Belichtungsstrategie kann es beim Belichten bzw. Bestrahlen zu einem Aufschmelzen und/oder zu einem Versintem des Werkstoffpulvers kommen, so dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff„Verschweißen“ auch„Versintem“ und umgekehrt verstanden werden kann.

In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schichtbauvorrichtung ist ein Querschnitt des jeweiligen Kanals der Einlassströmungsführung über eine Lauflänge des entsprechenden Kanals derart ausgestaltet, dass in jedem Kanal gleiche Druckverluste des Fluidstroms über die Lauflänge des Kanals entstehen. Dadurch ist wiederum ein homogenes Strömungsbild beziehungsweise eine homogene Strömungsverteilung am Austritt der Einlassströmungsfuhrung beziehungsweise im Bereich der Kanalaustrittsöffhungen gewährleistet, unabhängig von den unterschiedlichen Kanallängen der einzelnen Kanäle. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die jeweiligen Kanäle im unteren Stromführungsbereich derart ausgebildet sind, dass sie senkrecht zum Austritt beziehungsweise der Austrittsrichtung der Fluidströmung über die entsprechend Kanalaustrittsöffhung verlaufen. Bei bekannten Einlassströmungsführungen weisen die Kanäle in dem genannten Bereich unterschiedliche Austrittswinkel auf. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Ausrichtung und Volumenverteilung der Strömung in diesem Bereich. Vorteilhafterweise wird dies durch die erfindungsgemäße Ausrichtung der Kanäle zuverlässig verhindert. Es kann eine homogene Strömung aufgebaut werden. Der Begriff„senkrecht“ ist dabei als Wertebereich von 90° ± 5° zu verstehen. Zudem besteht die Möglichkeit, dass die Einlassströmungsführung im Bereich der Kanalaustrittsöffhungen mindestens eine Zentriervorrichtung aufweist. Die Zentriervorrichtung dient dabei zum definierten Anschluss der Einlassströmungsführung an die Schichtbauvorrichtung beziehungsweise einer Düse der Schichtbauvorrich- tung. Bei bekannten Einlassströmungsführungen fehlt diese Zentriervorrichtung. Dadurch kann bei unsachgemäßer Montage ein Versatz zu weiterführenden Kanälen oder Düsen entstehen. Bei einer zu hohen Anbringung der Einlassströmungsführung entsteht nach dem Übergang ein Ablösungsgebiet an einer unteren Kante. Bei einer zu niedrigen Anbringung trifft der Fluidstrom gegen eine starre Wand der Schichtaufbauvorrichtung und wird abgelenkt. Beide Varianten bewir- ken am Übergang beziehungsweise der Verbindungsstelle eine Querschnittsverengung und verursachen sowohl Druck- als auch Energieverluste. Durch die erfmdungsgemäße Ausbildung einer Zentriervorrichtung wird dies zuverlässig verhindert. Ein stetiger Strömungsübergang ist vorteilhafterweise gewährleistet. Zudem wird eine Übertragbarkeit der Strömungsverhältnisse unter unterschiedlichen Schichtbauvorrichtungen gewährleistet.

Eine besonders flexible und homogene Prozessströmungsführung wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch ermöglicht, dass das Leitelement relativ zur Pulverschicht bewegbar ist. Die Bewegung des Leitelements kann dabei grundsätzlich vor, während und/oder nach dem Verfestigen einer Bauteilschicht erfolgen. Beispielsweise kann das Leitelement bewegt werden, wenn es gegenwärtig nicht benötigt wird, wenn es während des Auftrags einer neuen

Pulverschicht im Verfahrweg des Beschichters oder im Verfahrweg eines anderen bewegten Bauteils der Schichtbauvorrichtung steht oder wenn es sich im Belichtungspfad des Energiestrahls befindet. Hierdurch kann auch sichergestellt werden, dass der additive Herstellungsprozess nicht gestört wird. Eine einfache Bewegbarkeit des mindestens einen Leitelements wird in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, dass die Strömungsleiteinrichtung eine Steuer- und/oder regelbare Antriebseinrichtung umfasst, mittels welcher das mindestens eine Leitelement relativ zur Pulverschicht bewegbar ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass das Leitelement oder die Leitelemente mit Hilfe einer Antriebseinrichtung bewegbar ist bzw. sind, wobei die Antriebseinrichtung steuerbar und/oder regelbar ausgebildet ist. Hierdurch ist eine automatisierbare und prozessabhängige Bewegbarkeit des oder der Leitelemente möglich. Dabei hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, wenn die Antriebseinrichtung elektrisch, pneumatisch, mechanisch, magnetisch und/oder hydraulisch betätigbar ist. Hierdurch kann die Bewegbarkeit des mindestens einen LeitelementsO besonders flexibel realisiert werden. Beispielsweise kann die Bewegung des Leitelements oder der Leitelemente elektrisch, das heißt mit Hilfe von einem oder mehreren Elektromotoren, pneumatisch, das heißt durch den Einsatz von unter Druck stehendem Gas, mechanisch, beispielsweise durch einen Schwerkraftantrieb, durch das Eigengewicht des wenigstens einen Leitelements, durch eine Seilwinde, durch eine o- der mehrere Federn und dergleichen, magnetisch, das heißt durch magnetische Anziehungsund/oder Abstoßungskräfte, oder hydraulisch, das heißt durch eine Leistungsübertragung über eine Hydraulikflüssigkeit, erfolgen. Auch beliebige Kombinationen hieraus können vorgesehen sein, beispielsweise ein magnetohydrodynamischer Antrieb oder dergleichen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungsleiteinrichtung dazu ausgebildet ist, das mindestens eine Leitelement in Abhängigkeit wenigstens eines Prozessparameters aus der Gruppe Fluidströmungsgeschwindigkeit, Fluidströmungsrate, Temperatur, Bauteilgeometrie, relative Position des Beschichters zur Pulverschicht und Prozesszustand der additiven Herstellung zu bewegen. Hierdurch ist eine situationsangepasste Prozess- strömungsfuhrung realisierbar. Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Strömungsleiteinrichtung eine Führungseinrichtung umfasst, mittels welcher das mindestens eine Leitelement entlang eines vorgebbaren Bewegungspfads bewegbar ist. Hierdurch wird auf konstruktiv einfache Weise eine Zwangsführung des wenigstens einen Leitelements sichergestellt, wodurch die Bewegung des Leitelements oder der Leitelemente auf einen vorgebbaren oder vorgegebenen Bewegungs pfad beschränkt ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Führungseinrichtung dazu ausgebildet ist, das Leitelement rotatorisch und/oder translatorisch gegenüber der Pulverschicht zu bewegen. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass das Leitelement durch die Führungseinrichtung translatorisch und/oder rotatorisch zwangsgefuhrt ist. Beispielsweise kann die Führungseinrichtung dazu ausgebildet sein, das Leitelement um eine Achse zu verschwenken und/oder entlang einer Führungsschiene zu bewe gen, welche beispielsweise formschlüssig mit dem Leitelement gekoppelt ist. Weitere Vorteile ergeben sich, indem zumindest das mindestens eine Leitelement der Strömungsleiteinrichtung innerhalb einer Prozesskammer der Schichtbauvorrichtung angeordnet ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Schichtbauvorrichtung eine Prozesskammer aufweist, innerhalb welcher das additive Herstellungsverfahren durchgeführt wird, und dass die gesamte Strömungsleiteinrichtung oder zumindest das wenigstens eine Leitelement der Strömungsleiteinrichtung innerhalb der Prozesskammer angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, das additive Herstellungsverfahren in einer kontrollierten Atmosphäre durchzuf hren, indem die Prozesskammer während der additiven Herstellung teilweise oder vollständig evakuiert bzw. mit einem Schutzgas befällt wird. Indem zumindest das Leitelement oder die Leitelemente innerhalb der Prozesskammer angeordnet ist bzw. sind, ist durch die Anordnung innerhalb der Prozesskammer weiterhin eine Prozessströmungsführung möglich.

Weitere Vorteile ergeben sich, indem das mindestens eine Leitelement an wenigstens einem Element aus der Gruppe Boden, Decke, Beschichter, Wand und Tür der Schichtbauvorrichtung angeordnet ist. Auch Kombinationen hiervon sind denkbar. Hierdurch kann das Leitelement besonders flexibel an unterschiedlichen Stellen angeordnet bzw. befestigt oder gelagert werden, wodurch den jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten der Schichtbauvorrichtung optimal Rechnung getragen werden kann. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungsleiteinrichtung unabhängig von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der additiven Herstellung des zumindest einen Bauteilbereichs des Bauteils durch das additive Schichtbauverfahren Steuer- und/oder regelbar ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Strömungsleiteinrichtung möglichst ohne Eingriff in die hard- und/oder software- technisch realisierte Steuerung und/oder Regelung der Schichtbauvorrichtung betreibbar ist.

Hierdurch kann die Strömungsleiteinrichtung besonders einfach und bedarfsweise integriert werden und eignet sich auch als Nachrüstlösung für bereits existierende Schichtbauvorrichtungen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schichtbauvorrichtung weist diese mindestens eine Absaugvorrichtung zur Absaugung und Entfernung von beim schichtweisen und lokalen Verschmelzen und/oder Versintem des Werkstoffs entstehenden Nebenprodukten und überschüssigem Pulver auf. Hierdurch kann Fluid nach dem Austritt über die Kanalauslassöffnungen wieder abgesaugt bzw. entfernt werden, wodurch eine zusätzliche Strö- mungsführung erreicht wird und Verunreinigungen wie verwirbeltes Werkstoffpulver, Staub, Kondensat, Rauch, Spratzer und dergleichen abgeführt und das Entstehen eines Überdrucks in einer Prozesskammer zuverlässig verhindert werden. Durch ein Anbringen der Absaugvorrichtung an dem Beschichter besteht vorteilhafterweise die Möglichkeit, dass vor einem Auftrag der nächsten Pulverschicht die Prozesskammer von Kondensat und anderen Verunreinigungen gereinigt wird. In der darauffolgenden Pulverschicht wird dadurch das Risiko von Bindefehlem signifikant reduziert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schichtbauvorrichtung um- fasst diese mindestens eine Vibrationseinrichtung, mit welcher der zumindest eine, teilweise oder bereits vollständig hergestellte Bauteilbereich des Bauteils und/oder eine Bauplattform der Schichtbauvorrichtung in Schwingungen versetzt werden können. Dadurch ist es möglich, beispielsweise die zuletzt abgeschiedene Festkörperschicht des herzustellenden Bauteiles vom Pulvermaterial durch Vibrieren zu reinigen. Damit ist sichergestellt, dass keine losen Pulverpartikel in die nächste aufzubringende Schicht eingebaut werden.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Einlassströmungsführung zur Leitung eines Fluidstroms in Richtung einer Aufbau- und Fügezone einer Schichtbauvorrichtung und zur Erzeugung eines Fluidstrom über der Aufbau- und Fügezone, wobei die Einlassströmungsführung mindestens zwei Kanäle zur Aufnahme und Leitung des Fluidstroms sowie einen oberen Stromführungsbereich und einen stromabwärts hierzu anschließenden unteren Stromführungsbereich umfasst. Die einzelnen Kanäle sind dabei im unteren Stromführungsbereich der Einlassströmungsführung derart ausgestaltet sind, dass sie gleiche Volumen des Fluidstroms aufnehmen und leiten. Zudem besteht die Möglichkeit, dass ein Querschnitt des jeweiligen Kanals über eine Lauflänge des entsprechenden Kanals derart ausgestaltet ist, dass in jedem Kanal gleiche Druckverluste des Fluidstroms über die Lauflänge des Kanals entstehen. Des Weiteren ist es möglich, dass die jeweiligen Kanäle im unteren Stromführungsbereich derart ausgebildet sind, dass sie senkrecht zum Austritt der Fluidströmung über die entsprechend Kanalaustrittsöffnung verlaufen. Schließlich kann die Einlassströmungsführung im Bereich der Kanalaustrittsöffnungen mindes- tens eine Zentriervorrichtung aufweisen. Mittels der erfindungsgemäßen Einlassströmungsführung ist gewährleistet, dass eine gleichmäßige Geschwindigkeits- und Volumenstromverteilung innerhalb und insbesondere am Austritt der Einlassströmungsführung beziehungsweise im Bereich der Kanalaustrittsöffnungen erzielt wird. Dadurch entsteht ein homogenes Strömungsbild in diesem Bereich, so dass die Entstehung von beispielsweise seitlichen Strömungskomponenten im Bauraum der Schichtbauvorrichtung, an welchen Verwirbelungen und/oder Totwassergebiete entstehen können, wirksam verhindert wird. Über die gesamte Aufbau- und Fügezone kann ein homogenes Strömungsfeld erzeugt werden. Dies ermöglicht eine prozesssicherere additive Herstellung von Bauteilschichten eines Bauteils mit höherer Qualität. Weitere sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts anzusehen sind und umgekehrt.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Schichtbauvorrichtung nach den ersten Erfindungsaspekt, bei welchem vor, während und/oder nach einer additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren mittels einer Einlassströmungsführung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt ein Fluidstrom über der Pulverschicht erzeugt und mittels mindestens eines Leitelements einer Strömungsleiteinrichtung zumindest über einen Bereich der Pulverschicht geleitet wird. Mittels der Einlassströmungsf hrung wird eine gleichmäßige Geschwindigkeits- und Volumenstromverteilung innerhalb und insbesondere am Austritt der Einlassströmungsführung beziehungsweise im Bereich der Kanalaustrittsöffhungen erzielt. Dadurch entsteht ein homogenes Strömungsbild in diesem Bereich, so dass die Entstehung von beispielsweise seitlichen Strömungskomponenten im Bauraum der Schichtbauvorrichtung, an welchen Verwirbelungen und/oder Totwassergebiete entstehen können, wirksam verhindert wird. Über die gesamte Aufbau- und Fügezone kann ein homogenes Strömungsfeld erzeugt werden. Zudem ermöglicht die Strömungsleieinrichtung eine prozesssicherere additive Herstellung von Bauteilschichten eines Bauteils mit höherer Qualität, da eine verbesserte Kontrolle und Strömungsführung des Fluidstroms in der Schichtbauvorrichtung gegeben ist. Mit Hilfe des mindestens einen Leitelements ist es damit beispielsweise möglich, den Fluidstrom bedarfsweise zu homogenisieren, zu richten bzw. umzulenken und/oder zu zerstäuben. Weitere Merkmale und deren Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung des ersten und des zweiten Erfindungsaspekts, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskom- binationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten imabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schichtbauvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schichtbauvorrichtung; und

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer Einlassströmungsführung der erfindungsgemäßen Schichtbauvorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schichtbauvorrichtung 1 gemäß dem Stand der Technik. Die bekannte Schichtbauvorrichtung 1, die beispielsweise als selektive Lasersinter- und/oder Laserschmelzvorrichtung ausgebildet ist, weist ein Gehäuse 2 auf, welches eine Prozesskammer 4 begrenzt. Innerhalb der Prozesskammer 4 ist ein Beschichter 4a zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf eine Aufbau- und Fügezone 6 angeordnet. Die Aufbau- und Fügezone 6 befindet sich auf einer Bauplattform 8. Die bekannte Schichtbauvorrichtung 1 weist zudem eine Einlassströmungsführung 3 zur Leitung eines Fluidstroms in Richtung der Aufbau- und Fügezone 6 und zur Erzeugung eines Fluidstroms über der Pulverschicht, wobei die Einlassströmungsführung 3 mehrere Kanäle 5 zur Aufnahme und Leitung des Fluidstroms mit entsprechenden, zur Aufbau- und Fügezone 6 hin, ausgebildeten Kanalaustritts- öfftiungen 5a auf. Mittels der Pfeile 7 ist die Strömungsrichtung des Fluidstroms in den Kanälen 5 gezeigt, die Strömungsrichtung des Fluidstroms über der Pulverschicht ist mit den Pfeilen 9 schematisch dargestellt. Die Länge der Pfeile 7 soll zudem unterschiedliche Geschwindigkeitsund Volumenstromverteilungen des Fluidstroms innerhalb der Kanäle 5 der bekannten Einlassströmungsfuhrung 3 verdeutlichen. Aufgrund der ungleichmäßigen Geschwindigkeits- und Volumenstromverteilung des Fluidstroms ergibt sich beim Austritt der Strömung aus den Kanalaus- trittsöffnungen 5a ein inhomogenes Strömungsbild. Des Weiteren entstehen durch die einzelnen Längen der Kanäle 5 unterschiedliche Druckverluste, sodass es auch hierdurch zu einer Variation der Geschwindigkeiten des Fluidstroms am Austritt der Einlassströmungsfuhrung 3 kommt. Zusätzlich weisen die Kanäle 5 im Bereich des Strömungsaustritts in die Prozesskammer 4 eine unterschiedliche Krümmung auf, sodass unterschiedliche Strömungsaustrittswinkel entstehen. Die unterschiedlichen Strömungsaustrittswinkel sind in der Fig. 1 durch die schräg innerhalb der Einlassströmungsfuhrung 3 verlaufenden Linie dargestellt. Dies bewirkt, dass der Fluidstrom am Übergang zur Einlassströmungsfuhrung 3 nicht gleichmäßig gerichtet ist. In Folge dessen treten wiederum am Austritt des Fluidstroms unterschiedlich hohe Volumenströme auf, die wiederum zu einem äußerst inhomogenen Strömungsbild fuhren. Dieses inhomogene Strömungsbild setzt sich in der Strömung über der Aufbau- und Fügezone 6 fort (vgl. Richtungspfeile 9). Zudem entstehen durch die sprunghafte Vergrößerung des Bauraums nach Austritt der Fluidströmung aus der Einlassströmungsfuhrung 3 Verwirbelungen zu den Seiten, die die geringe Strömungsuniformität der Fluidströmung über der Aufbau- und Fügezone 6 bestärken. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schichtbauvorrichtung 10. Die Schichtbauvorrichtung 10, welche vorliegend als selektive Lasersinter- und/oder Laserschmelzvorrichtung ausgebildet ist, weist ein Gehäuse 12 auf, welches eine Prozesskammer 14 begrenzt. Innerhalb der Prozesskammer 14 ist ein Beschichter 58 zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf eine Aufbau- und Fügezone 16 angeordnet. Die Aufbau- und Fügezone 18 befindet sich gemäß dem vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel auf einer absenk- baren Bauplattform 18. Der Beschichter 58 wird zum Aufträgen einer neuen Pulverschicht in an sich bekannter Weise zwischen einer Dosierplattform (nicht dargestellt), welches neues Werkstoffpulver bereitstellt, und einer Überlaufplattform (nicht dargestellt), in welcher überschüssiges Werkstoffpulver aufgetragen wird, bewegt. Weiterhin umfasst die Schichtbauvorrichtung 10 ei- nen Laser (nicht dargestellt) als Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls zum schichtweisen und lokalen Verschmelzen und/oder Versintem des Werkstoffs zum Ausbil den von Bauteilschichten durch selektives Bestrahlen der Werkstoffs gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie. Hierdurch können unterschiedliche Bauteile, beispielsweise Bauteile von Strömungsmaschinen wie etwa Flugtriebwerken, hergestellt werden.

Die Schichtbauvorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Einlassströmungsfuhrung 20 zur Leitung eines Fluidstroms in Richtung der Aufbau- und Fügezone 16 und zur Erzeugung eines Fluidstroms über der Aufbau- und Fügezone 16. Man erkennt, dass die Einlassströmungsführung 20 mehrere Kanäle 22 zur Aufnahme und Leitung des Fluidstroms aufweist. Die Strömungsrichtung des Fluidstroms innerhalb der Kanäle 22 ist mit Richtungspfeilen 40 dargestellt. Des Weiteren erkennt man, dass die Einlassströmungsführung 20 einen oberen Stromfuhrungsbereich 26 und einen stromabwärts hierzu anschließenden unteren Stromführungsbereich 28 umfasst. Es wird deutlich, dass die einzelnen Kanäle 22 im unteren Stromfuhrungsbereich 26 derart ausgestaltet sind, dass sie gleiche Volumen des Fluidstroms aufnehmen und leiten. Durch die gleiche Volumenaufteilung innerhalb des jeweiligen Kanals 22 ergibt sich ein homogenes Strömungsbild der Fluidströmung. Auch die Geschwindigkeiten der einzelnen Fluidströme innerhalb der Kanäle 22 sind ungefähr gleich. Damit ist ein homogener Strömungsaustritt der Fluidströmung aus der Einlassströmungsfuhrung 20 über die entsprechenden Kanalaustrittsöffnungen 24 gewährleistet.

Des Weiteren erkennt man, dass die jeweiligen Querschnitte der jeweiligen Kanäle 22 über deren entsprechenden Lauflängen derart ausgestaltet sind, dass in jedem Kanal 22 gleiche Druckverluste des Fluidstroms über die individuelle Lauflänge des Kanals 22 entstehen (vgl. auch Fig. 3). Zudem sind die jeweiligen Kanäle 22 im unteren Stromfuhrungsbereich 26 derart ausgebildet, dass sie senkrecht zum Austritt der Fluidströmung über die entsprechende Kanalaustrittsöffnung 24 verlaufen. Dadurch wird eine insgesamt homogene Strömung aufgebaut.

Um eine verbesserte Prozessströmungsfuhrung und damit höhere Bauteilqualitäten sicherzustellen, umfasst die Schichtbauvorrichtung 10 zudem eine Strömungsleiteinrichtung 32, welche vorliegend zwei Leitelemente 34, 36 umfasst. Diese Leitelemente 34, 36 dienen dazu, die Fluidströmung innerhalb der Prozesskammer 14 zu homogenisieren und zu richten und den Fluidstrom möglichst verwirbelungsarm über zumindest einen Bereich der Pulverschicht im Bereich der Aufbau- und Fügezone 16 zu leiten. Man erkennt, dass die Leitelemente 34, 36 vorliegend wand- bzw. plattenartig ausgebildet sind. Allerdings stehen sie in dem dargestellten Ausfuh- rungsbeispiel im direkten Verfahrweg des Beschichters 58 und sind daher mittels einer Füh- rungseinrichtung (nicht dargestellt) verschwenkbar, um den Weg für den Beschichter 58 während des Auftragens einer neuen Pulverschicht freizugeben. Nach dem Aufträgen der Pulverschicht werden die Leitelemente 34, 36 zurück in die gezeigte Stellung verschwenkt, um während des Verfestigens der Pulverschicht die gewünschte Prozessströmungsführung zu gewährleisten. Die Bewegung der Leitelemente 34, 36 wird im gezeigten Beispiel über eine Steuer- und/oder regelbare Antriebseinrichtung (nicht dargestellt) bewerkstelligt.

Vorzugsweise ist die Strömungsleiteinrichtung 32 autonom bzw. teilautonom betreibbar, wodurch kein Eingriff in die Software der Schichtbauvorrichtung 10 erforderlich ist. Damit kann die Strömungsleiteinrichtung 32 auch als Nachrüstlösung für bereits existierende Schichtbauvorrichtungen verwendet werden.

Bezüglich der Ausgestaltung der Strömungsleiteinrichtung 32 bzw. der Leitelemente 34, 36 sind grundsätzlich verschiedene Varianten denkbar, die in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt sind. Die aufgeführten Varianten sind generell auch beliebig kombinierbar.

Tabelle 1 - Möglichkeiten zur Ausgestaltung der Strömungsleiteinrichtung 32

Des Weiteren weist die Schichtbauvorrichtung 10 eine Absaugvorrichtung 46 zur Absaugung und Entfernung von beim schichtweisen und lokalen Verschmelzen und/oder Versintem des Werkstoffs entstehenden Nebenprodukten und überschüssigem Pulver auf. Die Absaugvorrichtung 46 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dabei gegenüber der Einlassströmungsfüh- rung 20 angeordnet, wobei über die Strömungsauslässe 38 die Fluidströmung über der Aufbau- und Fügezone 16 mit den entsprechenden Nebenprodukten und überschüssigem Pulver abgesaugt wird. Es ist aber auch möglich, dass die Absaugvorrichtung 46 an dem Beschichter 58 zum Auftrag des Pulvermaterials fest oder an diesem verfahrbar angeordnet ist (nicht dargestellt).

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Einlassströmungsführung 20. Man erkennt, dass die Einlassströmungsführung 20 ein Gehäuse 52 umfasst und insgesamt in den oberen Stromführungsbereich 26 und den stromabwärts hierzu anschließenden unteren Strömungsführungsbereich 28 aufgeteilt ist. Zwischen dem oberen und unteren Stromführungsbereich 26, 28 ist ein Umlenkbereich 44 ausgebildet. Über einen Fluidzulauf 50 wird das Fluid, insbesondere ein Inertgas, in die Kanäle 22 eingeleitet. Die Kanäle 22 sind dabei über einzelne Kanal wände 56 voneinander separiert. Aus Fig. 3 werden die unterschiedlichen Längen der einzelnen Kanäle 22 deutlich. Zudem ist aber erkennbar, dass die Querschnitte der jeweiligen Kanäle 22 über deren Lauflänge derart ausgestaltet sind, dass in jedem Kanal 22 gleiche Druckverluste des Fluidstroms über die Lauflänge des Kanals entstehen. Zudem wird deutlich, dass die einzelnen Kanäle 22 im unteren Stromführungsbereich 26 derart ausgestaltet sind, dass sie gleiche Volumen des Fluidstroms zur Ausbildung eines gleichmäßigen Volumenstroms aufnehmen und leiten. Zudem sind die jeweiligen Kanäle 22 im unteren Stromfuhrungsbereich 26 derart ausgebildet, dass sie senkrecht zum Austritt der Fluidströmung über die entsprechende Kanalaustrittsöffnung 24 verlaufen. In dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel weist die Einlassströmungsfuhrung 20 im Bereich der Kanalaustrittsöffnungen 24 Zentriervorrichtungen 30 auf. Durch diese zusätzliche Zentrierung, die im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel durch ein Stecksystem verwirklicht ist, können die Kanäle 22 mit einer davor befindlichen Düse 48 verbunden werden. Durch die Zentrierung ist zudem ein stetiger Strömungsübergang gewährleistet, sodass Druckverluste und Verwirbelungen reduziert werden.

Bezugszeichenliste:

1 Schichtbauvorrichtung

2 Gehäuse

3 Einlassströmungsfuhrung

4 Prozesskammer

4a Beschichter

5 Kanal

5 a Kanalaustrittsöffnung

6 Aufbau- und Fügezone

7 Strömungsrichtung (in Kanal)

8 Bauplattform

9 Strömungsrichtung (über Pulverschicht)

10 Schichtbauvorrichtung

12 Gehäuse

14 Prozesskammer

16 Aufbau- und Fügezone

18 Bauplattform

20 Einlassströmungsfuhrung

22 Kanal

24 Kanalaustrittsöffnung

26 Oberer Strömungsfuhrungsbereich

28 Unterer Strömungsführungsbereich

30 Zentriervorrichtung

32 Strömungsleiteinrichtung

34 Leitelement

36 Leitelement

38 Strömungsauslässe

40 Strömungsrichtung (in Kanal)

42 Strömungsrichtung (über Pulverschicht)

44 Umlenkbereich

46 Absaugvorrichtung

48 Düse 50 Fluidzulauf

52 Gehäuse

54 Verbindungsmittel

56 Kanal wand 58 Beschichter