Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der generativen Fertigung bzw. dem Gebiet additiver F ertigungsverfahren und betrifft insbesondere laser- und elektronenstrahlbasierte Verfahren, die von metallischen oder metallhaltigen Pulvern ausgehen .

Vorbekannter Stand der Technik

[0002] Die pul verbasierte additive Fertigung beruht typischerweise auf dem Stapeln von einzelnen Pulverschichten und dem lokalen Konsolidieren des Pulvers zu dem gewünschten Bauteil. Metallische Pulver werden mittels 3D Druck oder selektivem Schmelzen mit Faser oder Elektronenstrahl j eweils lokal konsolidiert. Dabei werden Partikel einzelner Bereiche der aktuellen Schicht untereinander und mit jenen der darunter liegenden Schicht mittels Binder verklebt oder mittels Faser oder Elektronenstrahl dauerhaft verschmolzen. Eine Restporosität kann beim Schmelzen auf nahe 1% reduziert werden. Selektives Schmelzen mit Faser oder Elektronenstrahl ermöglicht somit den Aufbau von "ready to use" Bauteilen, die eine hohe Dichte haben und direkt eingesetzt werden können. Allerdings sind die Teile zunächst noch durch eine sogenannte Stützstruktur (Supportstruktur) mit der metallischen Bauplattform verbunden. Die Stützstrukturen fixieren das Bauteil im Pulverbett, so dass es beim Auftrag der Pulverschichten nicht verschoben werden kann und sich beim lokalen Aufschmelzen des Pulvers nicht verzieht und deformiert. Außerdem findet durch die Stützstruktur der

Wärmeabfluss aus dem Bauteil in die Bauplattform statt. Stützstrukturen sind somit unverzichtbar. Allerdings stellen ihr Aufbau und insbesondere das Entfernen der

Stützstrukturen zusätzliche Prozessschritte dar, die zeit- und ressourcenintensiv sind. Sie stehen einer autonomen Fertigung, die mittels additiver Fertigung realisiert werden kann, entgegen, da das Entfernen der Stützstrukturen in der Regel nicht automatisierbar ist.

[0003] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das die Entfernung von Stützstrukturen erleichtert und automatisierbar ist.

Kurzdarstellung der Erfindung

[0004] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüchen. [0005] Insbesondere wird ein Verfahren zur additiven Fertigung eines metallischen

Bauteils vorgeschlagen, das die folgenden Prozessschritte umfasst:

Bereitstellen eines metallischen Pulvers;

Bereitstellen und/oder Erzeugen einer metallischen Stützstruktur auf einer

Bauplattform,

wobei die metallische Stützstruktur zumindest eine Ablösestelle umfasst, die einen gegenüber einem elektrischen Widerstand eines benachbarten Abschnitts der

Stützstruktur und gegenüber einem elektrischen Widerstand eines benachbarten Abschnitts des metallischen Bauteils anderen elektrischen Widerstand aufweist;

Konsolidieren des metallischen Pulvers unter Ausbildung des metallischen Bauteils und, optional, unter zumindest abschnittsweiser Ausbildung der metallischen

Stützstruktur, wobei die metallische Stützstruktur an der oder nahe zur Ablösestelle das metallische Bauteil mit der Arbeitsplattform verbindet;

Lösen des metallischen Bauteils von der metallischen Stützstruktur,

wobei das Lösen des metallischen Bauteils durch Bewirken eines elektrischen Stromes in der Ablösestelle erfolgt, indem der elektrische Strom eine zum Schmelzen der Ablösestelle erforderliche Wärmeenergie bereitstellt.

[0006] Weiter wird die Verwendung dieses Verfahrens für die Fertigung eines metallischen Bauteils vorgeschlagen, wobei das metallische Bauteil ausgewählt ist unter: einem Zahnersatz oder einem Bestandteil eines solchen, einem Zahnrad, einer

Turbinenschaufel, oder einem anders gearteten Objekt.

Ausführliche Beschreibung

[0007] Die zum gezielten Schmelzen derjenigen Abschnitte der Stützstruktur

(Ablösestellen), welche unmittelbar am Bauteil befestigt sind, erforderliche Wärme wird erfindungsgemäß durch Umwandlung elektrischer Energie in Wärmeenergie bereitgestellt. Der zum Entfernen von Stützstrukturen von additiv gefertigten metallischen Bauteilen erforderliche Zeit- und Kostenaufwand wird erheblich verringert. Insbesondere wird der Anteil manueller Tätigkeiten verringert, sodass die betreffenden F ertigungsverfahren voll automatisierbar sind. [0008] Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur additiven Fertigung eines metallischen Bauteils vorgeschlagen. Dieses Verfahren umfasst die Prozessschritte:

Bereitstellen eines metallischen Pulvers;

Bereitstellen und/oder Erzeugen einer metallischen Stützstruktur auf einer Bauplattform,

wobei die metallische Stützstruktur zumindest eine Ablösestelle umfasst, die einen gegenüber einem elektrischen Widerstand eines benachbarten Abschnitts der Stützstruktur und gegenüber einem elektrischen Widerstand eines benachbarten Abschnitts des metallischen Bauteils anderen elektrischen Widerstand aufweist;

Konsolidieren des metallischen Pulvers unter Ausbildung des metallischen Bauteils und, optional , unter zumindest abschnittsweiser Ausbildung der metallischen Stützstruktur, wobei die metallische Stützstruktur an der oder nahe zur Ablösestelle das metallische Bauteil mit der Arbeitsplattform verbindet;

Lösen des metallischen Bauteils von der metallischen Stützstruktur, wobei das Lösen des metallischen Bauteils durch Bewirken eines elektrischen Stromes in der Ablösestelle erfolgt, indem der elektrische Strom eine zum Schmelzen der Ablösestelle erforderliche Wärmeenergie bereitstellt.

[0009] Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich mit dem reduzierten Aufwand zum vollständigen Freistellen des metallischen Bauteils.

[0010] Gemäß einer Ausführungsform umfasst das vorgeschlagene Verfahren weiterhin den Prozessschritt: zumindest teilweises oder vollständiges Entpulvem des metallischen Bauteils und der Stützstruktur, wobei das Bereitstellen des metallischen Pulvers und das Konsolidieren typischerweise sequentiell und schichtweise in einem Pulverbett erfolgt. [0011] Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich aus dem Wegfall des aufwendigen, typischerweise manuelle erfolgenden Entfemens der bei der additiven pulverbettbasierten Fertigung metallischer Bauteile häufig unverzichtbaren Stützstrukturen im Ergebnis des Lösens des Bauteils. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der W iedergewinnung / Recycling des zur Ausbildung neuer Pulverschichten für die Fertigung weiterer neue Bauteile verwendbaren metallischen Pulvers, bevor dieses durch zusätzliche, beim Schmelzen der Ablösestellen entstehende, gröbere Partikel verunreinigt wird.

[0012] Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Bewirken des elektrischen Stroms in der Ablösestelle durch ein Kontaktieren der Arbeitsplattform und des Bauteils mit

stromführenden Anschlüssen einer Stromquelle oder durch Induzieren eines Wirbelstroms in der Ablösestelle. Typischerweise bilden das Bauteil, die Supportstruktur mit den

Ablösestellen und der Bauplattform eine geschlossene Leiterschleife, die zur Induktion eines Stromflusses durch externe Wechselfelder geeignet ist.

[0013] Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich im Falle des direkten

Kontaktierens, z.B. mit Stromklemmen oder Polschuhen, aus der zuverlässigen Erzeugung eines Stromflusses mit Einschalten der Stromquelle. Im Falle des Induzieren eines

Wirbelstromes in der bzw. den Ablösestellen ergeben sich Vorteile aus der berührungslosen, keine besonderen Arbeitsschritte erfordernden Arbeitsschritte zur Kontaktierung von Bauteil und Bauplattform.

[0014] Gemäß einer Ausführungsform weist die Ablösestelle einen gegenüber einem mittleren Querschnitt der Stützstruktur verringerten effektiven Flächenquerschnitt auf.

[0015] Insbesondere ist der mittlere Flächenquerschnitt der Stützstruktur an der

Ablösestelle deutlich geringer, als in einem gegenüber der Ablösestelle vom metallischen Bauteil weiter entfernt liegenden Abschnitt. Vorteile erwachsen aus einem, für die gleiche Materialart verringerten Stromtragfähigkeit der Stützstruktur an der Ablösestelle. Hieraus ergibt sich eine gegenüber anderen Abschnitten der Stützstruktur gesteigerte Erwärmung, ggf. bis auf die Höhe der Schmelztemperatur des Materials der Ablösestelle.

[0016] Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Ablösestelle ein elektrisch leitfähiges Material, das einen gegenüber dem Widerstand des umgeschmolzenen Metallpulvers erhöhten spezifischen elektrischen Widerstand aufweist. [0017] Vorteile ergeben sich aus einer von geometrischen Verhältnissen unabhängigeren

Gestaltung der Ablösestellen. Beispielsweise kann eine Ablösestelle so gestaltet werden, dass sie zur Aufnahme größerer mechanischer Lasten (mechanischer Spannungen) geeignet ist.

[0018] Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Ablösestelle ein Material, das ein elektrisch leitfähiges Material umfasst, welches eine gegenüber der Schmelztemperatur des benachbarten Materials der Stützstruktur geringere Schmelztemperatur aufweist.

[0019] Vorteile dieser Ausführungsform können sich beispielsweise daraus ergeben, dass nach dem Schmelzen des Materials der Ablösestelle das Bauteil mit der Stützstruktur nicht mehr (stofflich) verbunden ist, jedoch auf ihr ruht, sodass es ohne eine Beschädigung des Bauteils von der Stützstruktur abgenommen werden kann.

[0020] Gemäß einer Ausführungsform weist die Ablösestelle eine Vielzahl von gruppenweise zueinander benachbarten gleichförmigen Zylindern auf, wobei eine mittlere Querschnitts fläche eines einzelnen Zylinders von 0,0025 mm bis 0,1 mm beträgt.

[0021] Vorteile dieser Ausführungsform umfassen deren einfache Darstellbarkeit mittels CAD Software und eine einfache Berechnung jeweiliger Querschnitts flächen.

[0022] Gemäß einer Ausführungsform beträgt eine Größe einer Kontaktfläche der Stützstruktur mit dem Bauteil, also die Kontaktfläche der Ablösestelle mit dem Bauteil,

Vi bis 1/20, bevorzugt 1/5 bis 1/20, weiter bevorzugt 1/5 bis 1/10 der Größe der Kontaktfläche der Stützstruktur mit der Bauplattform. Gemäß einer Modifikation dieser Ausführungsform kann eine Querschnitts fläche der Stützstruktur, insbesondere die Querschnittsfläche des hier durchgehend als Ablösestelle bezeichneten Abschnitts der Stützstruktur, die sich in unmittelbarer Nähe zu einer Oberfläche des Bauteils befindet, A bis 1/20, bevorzugt 1/5 bis 1/20, weiter bevorzugt 1/5 bis 1/10 der Größe der Kontaktfläche der Stützstruktur mit der Bauplattform betragen.

[0023] Vorteilhaft ergibt sich hieraus, dass die Strombelastbarkeit der Stützstruktur im Kontakt mit dem Bauteil, also an den Ablösestellen, am geringsten, und damit der elektrische Widerstand am größten ist, sodass bei einem strominduzierten Umschmelzen die

Schmelztemperatur der Stützstruktur am ehesten an den Ablösestellen erreicht wird.

[0024] Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Bewirken eines Stromes in der Ablösestelle durch ein Kontaktieren des Bauelements und der Arbeitsplattform, wobei das elektrische Kontaktieren des Bauteils über ein flüssiges Kontaktmedium mit einer im flüssigen Kontaktmedium angeordneten Elektrode erfolgt.

[0025] Vorteile ergeben sich aus dem weitestgehend mühelosen Kontaktieren mittels Eintauchen des Bauteils in das Kontaktmedium. Vorteilhaft umgibt das Kontaktmedium auch komplexe Geometrien eines Bauteils, sodass - abhängig von einem ggf. vorteilhaften

N eigungs winkel der Arbeitsplattform mit dem über die Stützstruktur zur Arbeitsplattform verbundenen Bauteil gegenüber der Oberfläche des flüssigen Kontaktmediums - alle

Ablösestellen gleichzeitig zum Schmelzen gebracht werden können. Beispielsweise kann die Elektrode mit einer Stromquelle verbunden sein. Ebenso aber kann die Elektrode auch eine Masseelektrode sein. Entscheidend ist ein zumindest zeitweise vorliegender

Potentialunterschied über die Ablösestelle.

[0026] Gemäß einer Ausführungsform ist das flüssige Kontaktmedium ausgewählt unter: Quecksilber, Gallium, einer Galliumlegierung, einem Metallbad, einer Salzschmelze, und einer ionischen Flüssigkeit, wobei das Bauteil in das flüssige Kontaktmedium bis zu einer, typischerweise die Stützstruktur nicht berührenden Ebene getaucht wird, sodass auf diese Weise an Orten der Benetzung des Bauteils mit dem flüssigen Kontaktmedium das Bauteil elektrisch kontaktiert wird und für einen Stromfluss durch die Ablösestelle die Bauplattform über einen weiteren elektrischen Kontakt an eine Stromquelle angeschlossen wird.

[0027] Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich mit einem erleichterten Lösen des metallischen Bauteils von der mit der Bauplattform weiter verbundenen Stützstruktur: Das Bauteil fällt einfach in des flüssige Kontaktmedium. Durch geeignete, in dem das flüssige Kontaktmedium beinhaltenden Behälter (z.B. Wanne, Tank) angeordnete Stützelemente kann ein möglicherweise unerwünschtes Benetzen des Bauteils mit dem flüssigen Kontaktmedium vermieden werden. Ebenso kann ein beim Eintauchen heftiger Anstieg eines Pegels des flüssigen Kontaktmediums in dem Behälter und ein damit evtl verbundener teilweiser Verlust des flüssigen Kontaktmediums oder dessen Verschmutzung vermieden werden.

[0028] Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Bewirken des elektrischen Stromes durch einen Stromimpuls einer Stärke von 300 bis 3000 A über eine Impulsdauer von 0,02 bis 1 Sekunde. Beispielsweise kann ein solcher Stromimpuls in ein geeignet kontaktiertes Bauteil eingeleitet werden, sodass er über die Ablösestellen fließt und, zumindest zunächst, deren zumindest teilweises Aufschmelzen bewirkt. Ein zweiter Stromimpuls und ggf. ihm folgende weitere Stromimpulse oder ein konstanter Stromfluss können das fortschreitende Schmelzen der verbliebenen Ablösestellen bewirken. [0029] Vorteilhaft unterdrückt ein Impuls der bezeichneten Dauer das Ausbilden eines die Oberfläche des metallischen Bauteils ggf. schädigenden Plasmas oder unterdrückt eine unerwünschte Funkenerosion der Oberfläche des Bauteils.

[0030] Gemäß einer Ausführungsform umfasst das vorgeschlagene Verfahren weiter:

Ausbilden einer das Bauteil umschließenden definierten Atmosphäre, wobei die definierte Atmosphäre ein Reaktivgas umfasst.

[0031] Vorteilhaft bewirkt die Gegenwart eines Reaktivgases an allen Ablösestellen einen raschen Materialabtrag, sodass ein weiteres Schmelzen (und Material abtrag)

zunehmend erleichtert und beschleunigt wird.

[0032] Gemäß einer Ausführungsform ist das vorstehend vorgeschlagene Reaktivgas ausgewählt unter: Luft, Sauerstoff, und einem Aerosol.

[0033] Vorteilhaft erlaubt eine solche Atmosphäre ein erleichtertes Entfernen des Materials der Ablösestelle, beispielsweise durch Verdampfen. So hat beispielsweise ein in Gegenwart von Luft oder Sauerstoff ausgebildetes Wolframoxid einen geringen Dampfdruck, sodass dessen Bildung aus einer umschmelzenden Wolfram-Ablösestelle einen raschen Materialabtrag bewirkt, der ein weiteres Schmelzen und den damit erneut verbundenen Materialabtrag zunehmend beschleunigt. Auch Molybdänoxid ist leicht flüchtig. Mittels eines Aerosols können auch Legierungselemente angeboten werden, die dann an den überhitzten Stellen der Ablösestruktur den Schmelzpunkt des Materials, aus dem Bauteil und

Stützstruktur aufgebaut sind, über Legierung senkt.

[0034] Gemäß einer alternativen Ausführungsform umfasst das Ausbilden der das Bauteil umschließenden definierten Atmosphäre, die Ausbildung einer Inertgas-Atmosphäre.

[0035] Vorteilhaft können Inertgase wie Stickstoff oder Edelgase die Ausbildung bestimmter Verbindungen, z.B. von Oxiden, verhindern. Bei der Verwendung von Pulvern, die Metalllegierungen umfassen, kann in einer Inertgas-Atmosphäre die Ausbildung zusätzlicher Phasen verhindert werden.

[0036] Gemäß einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens geht dem

Bewirken des elektrischen Stromflusses in der Ablösestelle, bzw. den Ablösestellen, ein Entpulvem des Bauteils und der Stützstruktur voraus. Dieses wird gefolgt von einem Einbetten der Stützstruktur und zumindest der mit der Stützstruktur verbundenen Abschnitte des Bauteils in ein, bevorzugt rieselfähiges, inertes Material.

[0037] Vorteilhaft verhindert das inerte rieselfähige Material ein Verunreinigen des Bauteils mit Spratzem schmelzflüssigen Metalls. Ebenso unterbindet das zwischen

Bauplattform und Bauteil angeordnete rieselfähige Material die Ausbildung neuer

(ungewollter) Kontaktschlüsse zwischen Bauteil und Stützstruktur beim Absacken und Aufliegen des Bauteils auf zuvor bereits abgelöste Stützstrukturen. Ein durch Erhitzen bedingtes, zumindest teilweises, Blähen des inerten rieselfähigen Materials oder eines seiner Bestandteile bewirkt das Lösen des Bauteils von der Stützstruktur an den Ablösestellen oder erleichtert dieses erheblich. Das inerte rieselfähige Material kann einen Quarzsand umfassen. Ebenso kann das inerte rieselfähige Material ein Mineral oder ein Mineralpulver umfassen. Beispielsweise kann das inerte rieselfähige Material Vermiculit umfassen.

[0038] Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Verwendung eines Verfahrens gemäß zumindest einer der vorstehend benannten Ausführungsformen zur Fertigung eines metallischen Bauteils vorgeschlagen. Dabei ist das metallische Bauteil, beispielsweise, ausgewählt unter einem Zahnersatz, einem Bestandteil eines Zahnersatzes, einem Zahnrad, einer Turbinenschaufel, oder einem anderen beliebig geformten metallischen Bauteil.

[0039] Vorteilhaft kann das beschriebene Verfahren beispielsweise für die

Massenfertigung von Verschleißteilen verwendet werden. Ebenso können aber auch leicht Prototypen oder kleine Losgrößen eines metallischen Bauteils schnell mittels 3 D -Druck gefertigt werden.

[0040] Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebenen

Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und abgewandelt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, einzelne Merkmale und

Merkmalskombinationen einer Ausführungsform mit Merkmalen und

Merkmalskombinationen einer anderen Ausführungsform geeignet zu kombinieren, um zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen zu gelangen.

[0041] Insgesamt erleichtert das vorgeschlagene Verfahren das Abtrennen des Bauteils von den mit der Bauplattform verbundenen Stützstrukturen erheblich. [0042] Gemäß üblichen Technologien, beispielsweise dem selektiven Laserschmelzen (SLM), selektiven Lasersintem (SLS) und Elektronenstrahlschmelzen von metallischen Pulvern werden die Bauteile mit Stützstrukturen an die metallische Bauplattform geheftet. Die Stützstrukturen müssen mechanisch vom Bauteil entfernt werden, was einen zusätzlichen und typischerweise aufwendigen Prozessschritt darstellt. Sollten Stützstrukturen auch beim Laserauftragsschweißen verwendet werden, so wären diese nach der Fertigung des Bauteils ebenfalls zu entfernen.

[0043] Gemäß den vorstehend beschriebenen und nachfolgend weiter erläuterten

Ausfährungsformen wird das metallische Bauteil und die metallische Bauplattform, ggf. nach zumindest teilweisem Entpulvem, so kontaktiert, dass zumindest ein elektrischer Strompuls, typischerweise eine Abfolge von mehreren Strompulsen, durch das metallische Bauteil und die Stützstrukturen fließt, und somit auch durch die das Bauteil mit den Stützstrukturen verbindenden Ablösestellen der Stützstrukturen fließt. Über einen lokal erhöhten ohmschen Widerstand geometrisch vorbestimmter Abschnitte der Stützstrukturen - und beispielsweise im Fall von W echselspannung zusätzlich induzierten Wirbelströmen - und der so bewirkten drastischen Erwärmung wird deren strominduziertes Schmelzen und damit das Lösen der Stützstrukturen vom Bauteil bewirkt. Vorstehend und nachfolgend werden diejenigen

Abschnitte der Stützstruktur(en) , die das Bauteil unmittelbar mit der Stützstruktur verbinden, als Ablösestellen bezeichnet. Der Begriff Ablösestelle bezeichnet dabei einen

dreidimenionalen Abschnitt der Stützstruktur, der sich in unmittelbarer Nachabrschaft zur Oberfläche des metallischen Bauteils befindet.

[0044] Beispielsweise sind die metallischen Stützstrukturen abschnittsweise filigraner aufgebaut, als das metallische Bauteil und bieten damit einen geringeren Querschnitt für den Stromfluss, sodass es lokal zu einer Erhitzung der speziell dafür vorgesehenen Abschnitte der Stützstruktur, also der Ablösestellen, bis auf die Schmelztemperatur der die Ablösestellen ausbildenden Metalle oder Legierungen kommt. Durch gezieltes Design der Stützstrukturen, insbesondere der Ablösestellen der Stützstruktur, die mit dem metallischen Bauteil in unmittelbarem Kontakt stehen, ist beispielsweise deren Querschnitt gezielt gegenüber einem mittelren effektiven Querschnitt von Bauteil und Stützstrukturen reduziert. Die Abschnitte mit vermindertem Querschnitt und damit deutlich verminderter Strombelastbarkeit definieren die Geometrie der Ablösezone. Durch Bewirken eines elektrischen Stromes in der Ablösestelle, zum Beispiel durch eine elektrischen Spannung zwischen der metallischen Bauplattform und dem metallischen Bauteil, lässt sich ein solcher Stromfluss erzeugen, der an den

Ablösestellen, die z.B. Stellen des geringsten Querschnitts der Stützstruktur sein können, durch Erhitzung mittels ohmschen Widerstands diese derart erhitzt werden, dass sie lokal aufschmelzen und das Bauteil freigeben oder zumindest mechanisch mit vergleichsweise geringem Arbeits- und Kraftaufwand von der Stützstruktur abnehmbar machen.

[0045] Für diese prinzipielle Ausführungsform kann davon ausgegangen werden, dass die Stützstruktur maximal ca. 1/2 der Querschnittsfläche als das eigentliche Bauteil oder die Bauplattform für einen Stromfluss bietet. Dadurch ergibt sich ein relativ zum Bauteil erhöhter elektrischer Widerstand, R _st üt _z , der Stützstruktur. Dieser elektrische Widerstand ist nach dem additiven Aufbau des metallischen Bauteils in Reihe mit den elektrischen Widerständen von Bauteil und Bauplattform geschaltet, wenn man eine Spannung zwischen Bauteil und

Bauplattform anlegt. Nach einer einfachen Betrachtung des Stromflusses von in Reihe geschalteten Widerständen ergibt sich für die am Bauteil, der Stützstruktur und der

Bauplattform umgesetzte Leistung bei einem Stromfluss I und gegebener Spannung U:

P=U I Leistung

U=R I am Widerstand R abfallende Spannung

P=R L am Widerstand R umgesetzt Leistung R ist proportional zur Querschnittsfläche A mit A _a blöse 1/2 Abauteil ergibt sich. Rablöse 2 RBauteil·

[0046] Die an der Ablösestelle zur Erwärmung der Ablösestelle zur Verfügung stehende Leistung ist mindestens doppelt so hoch wie im Bauteil oder der Bauplattform oder der Stützstruktur. Gemäß typischen Ausführungsformen sollten die Leistungen für eine zügige Erwärmung mindestens im kW Bereich pro mm von A _a biöse liegen. Die Länge einer

Ablösestelle beträgt typischerweise zwischen 0, 1 mm bis hin zu einigen 10 mm.

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[0047] Es ergibt sich somit folgende Tabelle für 1 kW Heizleistung, 1 mm

Querschnitts fläche der Stützstruktur und 10 mm Länge der Ablösestelle für einige, nur beispielhaft ausgewählte, Metalle.

[0048] Die für das Schmelzen der Ablösestellen erforderliche Dauer eines über die Stützstruktur (Ablösestelle) fließenden Strompulses entsprechender Stromstärke gibt sich aus der Erwärmung eines W erkstoffvolumens von 1 mm Querschnittsfläche und 10 mm Höhe auf Schmelztemperatur bei 1 kW Heizleistung ohne Berücksichtigung von auftretenden W ärme Verlusten durch Strahlung oder Konvektion. Zusätzlich kann durch eine transiente thermische Behandlung (Abkühlung bzw. Erhitzung) der Stützstruktur der elektrische Widerstand der Ablösestelle gegenüber dem des Bauteils oder der Stützstruktur, welche in der Regel eine geringere Oberfläche relativ zum Volumen besitzen und dadurch weniger schnell abkühlt oder erhitzt, eingestellt werden. Bekanntermaßen führt bei metallischen Werkstoffen eine Erhöhung der Temperatur in der Regel zu einer Erhöhung des ohmschen Widerstandes. Lokale Erwärmung durch ohmschen Widerstand führt somit zur Bildung von "Hot Spots", da die Erwärmung wiederum den Widerstand erhöht. Somit sind nur relativ kleine Änderungen der Querschnitts fläche der Ablösestruktur nötig, um diesen sich selbst verstärkenden Effekt auszunutzen.

[0049] Gemäß einer typischen Ausführungsform wird vorgeschlagen, zwischen dem Bauteil und der Arbeitsplattform einen elektrischen Strom fließen zu lassen. Durch den elektrischen Widerstand an einem oder mehrere Abschnitten des metallischen Stützelements (der oder den Ablösestellen) mit reduzierter Strombelastbarkeit wird das Stützelement an exakt diesen Abschnitten (Ablösestellen) bis auf die zum Schmelzen erforderliche Temperatur erhitzt. Somit wird elektrischer Strom lokal in die zum Schmelzen erforderliche Wärme umgewandelt. [0050] Der elektrische Heizstrom erweicht zunächst denjenigen Teil des metallischen Stützelements mit der geringsten Strombelastbarkeit und bewirkt dann dessen Schmelzen, wodurch der Stromfluß auf Grund der Wirkung der Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls nach dem Prinzip einer durchbrennenden Sicherung (Schmelzsicherung) lokal unterbrochen wird. Verbleibende und ohnehin bereits erhitzte stromführende Abschnitte geringer Strombelastbarkeit erhitzen sich auf Grund der kaskadenartig zunehmenden

Stromstärke noch stärker und werden ebenfalls durch Schmelzen unterbrochen.

[0051] Mit anderen Worten ausgedrückt, wird die Verwendung von elektrisch leitfähigen Stützstrukturen umfassend einen oder mehrere Ablösestellen mit reduzierter

Strombelastbarkeit als lokal schmelzbares Stützelement für die additive Fertigung

metallischer Bauteile vorgeschlagen. Die reduzierte Strombelastbarkeit kann dabei durch eine lokale Verringerung des effektiven Querschnitts im betreffenden Abschnitt der Stützstruktur erzielt werden. Alternativ kann die reduzierte Strombelastbarkeit durch eine andere spezifische elektrische Leitfähigkeit, z.B. auf Grund einer anderen Materialart, bewirkt werden.

[0052] Die Stützelemente sind somit für die gewünschte Schmelzcharakteristik geeignet angepasst und in einem Bereich, der unmittelbar mit dem metallischen Bauteil in Kontakt steht, in Form von Ablösestellen ausgebildet. Ablösestellen können in ihrer

Querschnitts fläche gegenüber einer mittleren Querschnitts fläche der Stützstruktur reduziert sein. Typischerweise wird der Querschnitt der Stützstruktur im Bereich ihres unmittelbaren Kontakts mit dem metallischen Bauteil auf 1/2 bis 1/10, insbesondere zwischen 1/2 und 1/5 der mitteleren Querschnittsfläche der Stützstruktur reduziert.

[0053] Für den beschriebenen Zweck geeignete Stützstrukturen sind derart konstruiert, dass sie eine Reduzierung ihres Querschnitts für den Stromfluss zwischen Bauteil und Bauplattform aufweisen. An der Stelle des reduzierten Querschnitts wird dann durch den Stromfluss ein Schmelzen der Stützstruktur eingeleitet. Im Moment des lokalen Schmelzens der Stützstruktur wird das Bauteil durch Abheben/Lösen von der Bauplattform abgetrennt. Der ohmsche Widerstand der Stützstruktur kann durch eine Erwärmung der Stützstruktur mittels Luftstrom, der aufgrund der erhöhten Oberfläche der filigranen Stützstruktur relativ zum Bauteil schneller die Stützstruktur erwärmt, noch erhöht werden.

[0054] Die dafür erforderliche Kontaktierung des Bauteils und der Bauplattform erfolgt über eine dafür geeignete Vorrichtung, beispielsweise geeignet dimensionierte Kabel. Ebenso ist das Lösen des Bauteils von der Stützstruktur unter dem Eigengewicht des Bauteils möglich. Beispielsweise kann das Bauteil über ein flüssiges oder flexibles Kontaktmedium, z.B. ein Quecksilberbad mit einer das Quecksilberbad kontaktierenden Elektrode kontaktiert sein, wobei die Elektrode mit einer Stromquelle verbunden ist, während die darüber angeordnete (über Kopf stehende) Bauplattform mit einem geeignet dimensionierten Kabel, z.B. über einen Polschuh, mit der Stromquelle zuverlässig verbunden ist.

[0055] Gemäß einer anderen Ausfuhrungsform kann ein in der bzw. den Ablösestelle(n) der Stützstruktur(en) induzierter Wirbelstrom die zum bestimmungsgemäßen Lösen der Ablösestelle(n) erforderliche Wärme erzeugen. Beispielsweise kann ein Wirbelstrom über eine mit Wechselstrom angesteuerte Spule induziert werden. Ebenso kann ein Magnetron genutzt werden, die notwendigen Wirbelströme mittels hochfrequenter Mikrowellenstrahlung zu induzieren und damit die erforderliche Schmelzenergie bereitzustellen. Die Stützstruktur kann eine Geometrie aufweisen, die speziell die Induktion eines Wirbelstroms oder Stroms durch ein externes Wechselfeld ermöglicht.

[0056] Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, letztlich elektrischen Strom zum lokalen Schmelzen von Stützstrukturen und dem Ablösen von metallischen Bauteilen von der die Stützstrukturen umfassenden Bauplattform in der additiven Fertigung zu nutzen.

[0057] Eine Entfernung von Stützstrukturen durch eine spezielle Anpassung ihres ohmschen Widerstandes in Verbindung mit einem Aufschmelzen der Stützstrukturen mittels Stromstoß ermöglicht es, das Abtrennen des Bauteils von der Stützstruktur erheblich zu erleichtern. Selbst sehr komplexe Geometrien können mit dieser Technologie leicht und schnell ab getrennt werden und selbst bei variierenden Bauteilgeometrien ist eine

Automatisierung dieses Prozesses leicht möglich.

[0058] Aspekte des vorgeschlagenen Verfahrens betreffen mithin:

1. Entfernen losen Pulvers, bzw. Entpulvem des Bauteil und der Stützstrukturen.

2. Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Bauteil und Bauplattform, Generieren eines Stromflusses durch die Stützstruktur und dadurch bewirktes lokal selektives Schmelzen der Stützstruktur und Abtrennen des Bauteils.

3. Aufbau einer metallischen Stützstruktur unter Berücksichtigung ihres elektrischen, ohmschen Widerstandes durch Anpassung des für einen Stromfluss zwischen Bauteil und Bauplattform zur Verfügung stehenden Querschnitts der Stützstruktur. 4. Prozessschritte des Ablöseprozesses eines metallischen Bauteils umfassen mithin: Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Bauteil und Bauplattform, Erzeugen eines Stromflusses durch die Stützstruktur und deren mit dem Bauteil unmittelbar elektrisch verbundenen Ablösestellen, lokales Erhitzen der Ablösestellen durch deren speziell über die Länge der Stützstruktur eingestellten ohmschen Widerstand, lokales Schmelzen der Stützstruktur an Orten ihres elektrischen Kontakts mit dem Bauteil (d.h. Schmelzen der Ablösestellen), und Abtrennen bzw. Entnehmen des Bauteils.

5. Erwärmen des Bauteils mit Stützstrukturen durch einen Wärmestrom, z.B. heiße Luft, dadurch schnellere Erwärmung der Ablösestellen der Stützstruktur durch ein dafür geeignetes Design der Stützstruktur, z.B. durch große Oberfläche im Verhältnis zum Volumen im Bereich der Ablösestellen, und somit lokal (selektive) Erhöhung des ohmschen Widerstandes der metallischen Stützstruktur im Bereich der Ablösestellen.

6. Einstellen einer definierten Atmosphäre, beispielsweise einer oxidierenden Atmosphäre, die das Ausbilden leichtflüchtiger Metalloxide und deren Abdampfen mit dem Schmelzen begünstigt (Beispiel Wolfram, Molybdän).

[0059] Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten

Ausführungsformen geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.