Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes mit exakter Geometrie Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks durch aufein- anderfolgendes Verfestigen von schichtweise horizontal aufgetragenem pulverförmigen Aus- gangsmaterial mittels elektromagnetischer Sttahlung oder Teilchensttahlung, so daß jede aus mindestens einer Spur bestehende Schicht zwei im wesentlichen vertikale Seitenflächen und eine im wesentlichen horizontale Oberseite aufweist, die ihrerseits die Grundlage für eine etwaige nachfolgende Schicht bildet, wobei zumindest eine der beiden vertikalen Seitenwände im Anschluß an die Verfestigung des schichtweise horizontal aufgetragenen pulverförrnigen Ausgangsmaterials eine mechanische Feinbearbeitung etfahrt und das zu bildende Werkstück während seiner Herstellung von pulverförmigem Ausgangsmaterial umgeben ist Ferner rich- tet sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des oben geschilderten Ver- fahrens.

Aus der DE 195 33 960 C2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem jeweils eine Materialschicht in Form einer Spur auf einer Unterlage aufgebracht und danach mittels Laserstrahl aufge- schmolzen bzw. verfestigt wird. Danach wird eine zweite Schicht aufgebracht und verfestigt usw., wobei sich die Anzahl der aufgebrachten und jeweils mittels Laserstrahl verfestigten Schichten nach der gewünschten Höhe des Werkstücks richtet. Jeweils beim Aufbringen einer neuen Schicht verbindet sich diese mit der Oberfläche der vorher aufgebrachten Schicht Nach der pulvermetallurgischen Herstellung des Werkstücks erfolgt eine Feinbearbeitung sowohl der Seitenflächen als auch der Oberfläche mittels spanabhebender Bearbeitung. Es wird bei dem bekannten Verfahren darauf geachtet, daß ungeschmolzenes Pulver jeweils aus dem Arbeitsbereich durch Wegblasen oder Absaugen entfernt wird.

Mit dem bekannten Verfahren können vergleichsweise kurze Herstellzeiten für exakt dimen- sionierte Werkstücke erzielt werden, wenn die Strahlungsvorrichtung und die mechanische Beatbeitungsvottichtung rechnergestützt gesteuert werden. Ein Problem des bekannten Her- stellungsverfahrens besteht jedoch darin, daß im Randbereich der hergestellten Werkstücke,

d. h. also im Bereich der Seitenflächen ungleichförmige Matetialkonsistenz entsteht, insbeson- dete Porositäten auftreten können.

Zur Lösung dieses Problems wird in der DE 195 33 960 C2 vorgeschlagen, Material über die gewünschte Konturgröße hinaus aufzuschmelzen und die deutlich überstehenden Werkstück- ränder mittels einer nachfolgenden mechanischen Bearbeitung abzuarbeiten. Mit dieser Vor- gehensweise kann zwat im Bereich der Seitenflächen soviel Material abgearbeitet werden, daß es möglich ist, eine homogene Materialbeschaffenheit der-Außenkontur herzustellen, jedoch ist hierzu der Aufwand, d. h. die Bearbeitungszeit und die Werkzeugkosten unerwünscht hoch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren bereitzustellen, das bei einer mechanischen Feinbearbeitung der Oberfläche der Außenkontur des Werkstücks den Materialaufwand wesentlich reduziert und gleichzeitig eine hohe Oberflächengüte der Außen- kontut gewährleistet Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von schichtweise horizontal aufgetragenem pulver- förmigen Ausgangsmaterial mittels elektromagnetischet Sttahlung oder Teilchenstrahlung gelöst, so daß jede aus mindestens einer Sput bestehende Schicht zwei im wesentlichen verti- kale Seitenflächen und eine im wesentlichen horizontale Oberseite aufweist, die ihrerseits die Gtundlage fut eine etwaige nachfolgende Schicht bildet, wobei zumindest eine der beiden vertikalen Seitenwände im Anschluß an die Verfestigung des schichtweise horizontal aufge- ttagenen pulvetformigen Ausgangsmaterials eine mechanische Feinbearbeitung erfährt und das zu bildende Wetkstück wähtend seiner gesamten Herstellung von pulverförmigem Aus- gangsmatetial umgeben ist, wobei die mechanische Feinbeatbeitung einer vertikalen Seiten- wand einet n-ten Schicht erst nach Generierung einer n + x-ten Schicht erfolgt Nachfolgend wird die jeweils aktuelle Schicht, d. h. diejenige Schicht, die in einem bestimm- ten Zeitpunkt die oberste Abschlußschicht bildet als n-te Schicht bezeichnet Alle unter dieser n-ten Schnitt befindlichen. Schichten werden als n-x-te Schichten bezeichnet sowie alle von diesem Zeitpunkt aus betrachtet in der Zukunft noch zu fertigenden Schichten als n + x-te Schichten bezeichnet

Bei einem bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung wird mit der Feinbearbeitung der n-ten Schicht erst dann begonnen, wenn der geometrische Abstand von der n-ten Schicht zu einer darüberliegenden n + x-ten Schicht so groß ist, daß keine, sich als Verzug auswirkende thermische Belastung auf die n-te Schicht einwirkt.

Bei der Herstellung eines Werkstücks nach dem erfindungsgemRen Verfahren wird das pul- verförmige Ausgangsmatetial in Schichtstärke auf einer Unterlage über eine Fläche, welche über die Werkstückkontur hinausreicht, aufgebracht In einem nächsten Schritt erfolgt eine spurenweise Verfestigung dieses pulverförmigen Ausgangsmaterials, wobei die Sputbreite der Witkungsbreite der Strahlung entspricht Zum Aufbau einer Schicht, die regelmäßig aus einer Vielzahl von Spuren, mindestens jedoch aus lediglich einer Spur besteht, werden dieses Spu- ren so verfestigt, daß der Randbereich einer jeden einzelnen Spur den Randbereich einer be- nachbarten Spur so überlappt, daß beim Vetfestigen der benachbarten Spuren eine homogene Schicht entsteht Beim Aufbau einer durch Spuren gebildeten Schicht können unterschiedli- che Strategien der Spurenführung gewählt werden.

Beispielsweise wird mit einer ersten Spur die äußerste Kontutsput gebildet und anschließend der innerhalb dieser geschlossenen Kontutspur gebildete Innenraum durch ein mäanderför- miges Fahrmustet ausgefüllt, so daß schließlich eine homogene Schicht entsteht Es ist aber beispielsweise auch möglich, den so entstandenen Innenraum durch ein quasispiralf'öxniges Fahrmuster auszufüllen.

Durch exakte Steuerung des Verfestigungsstrahles (elektromagnetischer Strahl oder Teilchen- sttahl) ist es ferner möglich, die Materialeigenschaften im Bereich der Randkontur, d. h. der äußersten Kontursput des Werkstücks einzustellen.

Mit zunehmender Strahlleistung bzw. eingebrachter Energie pro Flächeneinheit erhöht sich der Anteil an schmelzflüssiger Phase des Materials, was zu einer hohen Verdichtung des Ma- trials und damit zu guten mechanischen Eigenschaften führt Im unmittelbaren Randbereich des Bauteils, d. h. im Bereich der seitlichen Oberfläche wird jedoch eine solche Verfestigung des pulverförmigen Materials auch zu Sttuktutunschätfe führen. Ein Nachteil einer hohen

Strahlleistung ist die thermische Wirkung, die zu einer nachträglichen Pulveranhaftung in der n-1-ten oder in weiteren Schichten führen kann. Durch die jeweils erneute thermische Be- lastung der bereits gebildeten n-x-ten Schichten kann ein sog. Verzug der Werkstückkontur entstehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt diesen thermischen Einfluß der Werkstoff- kontur dadurch, daß erst nach dem Fettigstellen einer gewissen Anzahl von Schichten die mechanische Feinbeatbeitung etfolgt. Die Feinbearbeitung findet erfindungsgemäß nur bei den Schichten statt, die durch ihren Abstand zur aktuell hergestellten Schicht keiner, einen Verzug des Werkstücks bewirkenden, thettnischen Belastung ausgesetzt sind.

Frfindungsgemä. ß können mehrere Schichten gleichzeitig feinbearbeitet werden. Sofern in der nachfolgenden Beschreibung lediglich auf einzelne Schichten verwiesen wird, so sind hiervon auch Schichtpakete umfaßt, die aus einer Vielzahl von einzelnen Schichten bestehen können.

Eine Entscheidung über die Anzahl der fein zu bearbeitenden Schichten kann beispielsweise von der Kontutführung abhängen. Bei Konturen mit häufigen Steigungswechseln kann das Feinbeatbeiten von wenigen Schichten vorteilhafter sein als das Bearbeiten von mehren Schichten.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird das exflndungsgemäße Verfahren und die erfin- dungsgemäße Vorrichtung beispielhaft erläutern In den Zeichnungen zeigt : Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Ducchfuhtung des erfindungs- gemäßen Verfahrens.

In den Figuren 2 bis 9 sind einzelne Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei zur besseren Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens Schichtpakete gezeigt sind. Hierbei zeigt : Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Werkstücks nach der Herstellung eines ersten Schichtpakets ;

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung des Werkstücks nach Figur 2 mit einem zweiten Schichtpaket ; Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung des Werkstücks nach Figur 3, wobei das erste Schichtpaket feinbearbeitet ist ; Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung des Werkstücks nach Figur 4 nach Generierung eines weiteren Schichtpakets ; Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung des Werkstücks nach Figur 5 nach Fertigstellung der Feinbearbeitung eines weiteren Schichtpakets ; Fig. 7 eine schematische Schnittdarstellung des Werkstücks nach Figur 6 nach Generierung eines letzten Schichtpakets ; Fig. 8 eine schematische Schnittdarstellung des Werkstücks nach Figur 7 nach Fertigstellung der Feinbearbeitung des vorletzten Schichtpakets ; Fig. 9 eine schematische Schnittdarstellung des Werkstücks nach Figur 8 nach Fertigstellung der Feinbearbeitung des letzten Schichtpakets.

In der Anordnung nach Fig. 1 ist das herzustellende Werkstück mit 1 bezeichnet. Die Her- stellung erfolgt in der Weise, daß auf einem Arbeitstisch 5, der mittels einer Hubvorrichtung 7 entsprechend der Pfeilrichtung 27 vertikal auf und abfahrbar ist, pulvetförmiges Ausgangs- material 3 in einer genau festgelegten Schichtstärke s aufgebracht wird. Die Ausgangsschicht- stärke ist gleich der mit der Schicht n, Schicht n-1 oder Schicht n-2 in der Skizze dargestellten Schichtstärke. Die Fläche des aufgebrachten pulverförmigen Ausgangsmaterials muß dabei über die gewünschte Werkstückendkontur hinausreichen.

Oberhalb des Arbeitstisches 5 ist eine Bearbeitungseinheit 20 angeordnet, die in ihrer Ge- samtheit entsprechend Pfeilrichtung 29 sowie votzugsweise senkrecht zur Zeichenebene be-

wegbar ist. Die Bewegung der Bearbeitungseinheit 20 wird rechnergestützt gesteuert von ei- nem Steuergerät 11, welches auch gleichzeitig die Hubbewegung des Arbeitstisches 5 ansteu- ert. Die Bearbeitungseinheit 20 umfasst im wesentlichen eine Strahlenquelle 6, einen oder mehrere von einer Betätigungseinheit 10 betätigten Spiegel oder eine vergleichbare Lenkein- richtung für den aus der Bestrahlungsquelle 6 austretenden Strahl 18, um diesen-durch Zwei- koordinatenansteuerung entsprechend der gewünschten Bauteilkontur auf dem Arbeitstisch 5 zu lenken. Zusätzlich zur Bestrahlungseinrichtung 6,8,10 umfaßt die Bearbeitungseinheit 20 noch eine Bearbeitungsvorrichtung zur mechanischen Feinbearbeitung. Bei der in Figur 1 gezeigten Bearbeitungsvorrichtung handelt es sich um ein Fräswerkzeug 2 mit entsprechender Antriebseinheit 9, die ebenfalls von der Steuereinheit 11 angesteuert wird. Wie in Figur 1 ge- zeigt, taucht das Fräswerkzeug 2 zur mechanischen Feinbeatbeitung in das pulverformige Ausgangsmaterial 3 ein, so daß das Werkstück 1 während seiner gesamten Herstellung und somit auch während der gesamten mechanischen Feinbearbeitung von pulverförmigem Aus- gangsmaterial 3 umgeben ist. Femer ist an der Bearbeitungseinheit 20 noch eine Abrichdeiste 4 vorgesehen, mit der pulverförmiges Ausgangsmaterial 3, das auf den Arbeitstisch 5 gebracht wurde, durch Querbewegung der Bearbeitungseinheit 20 relativ zum Arbeitstisch 5 in kon- stanter Schichtstärke verteilt werden kann. Die Abrichtleiste 4 kann gleichzeitig als Zuführ- vorrichtung für das pulverförmige Ausgangsmaterial 3 ausgebildet sein.

Nach dem Aufbringen der ersten Schicht des pulverförmigen Ausgangsmaterials 3 auf den Arbeitstisch 5 wird durch entsprechende Steuerung des Strahles 18 und nach Bedarf zusätz- lich durch Relativbewegung der Bearbeitungseinheit 20 zum Arbeitstisch 5 das Ausgangsma- terial in einer gewünschten Spur verfestigt. Jeweils nach einer so aufgebrachten und verfestig- ten Schicht wird mittels der Hubvorrichtung 7 der Arbeitstisch 5 um eine Schichthöhe abge- senkt.

Im Anschluß an die Bestrahlung und Verfestigung des pulverförmigen Ausgangsmaterials zu einer ersten (n-ten) Schicht werden weitere (n + 1-te ; n + 2-te ; n + 3-te ;... ; n + x-te) Schich- ten durch dieses Verfahren entsprechend einer gewünschten Kontur, die vorzugsweise in einem Datensatz hinterlegt ist, aufgetragen und verfestigt. Erst nach Generierung einer aktu- ellen Schicht, die von einer noch nicht fein bearbeiteten Schicht so weit beabstandet ist, daß die thermische Wirkung, die von dieser aktuellen Schicht ausgeht keinen Verzug bei dieser

noch nicht bearbeiteten Schicht bewirkt bzw. bewirken könnte, wird mit der mechanischen Feinbearbeitung dieser noch nicht feinbearbeiteten Schicht begonnen.

Wenn dieses Kriterium der thermischen Nichtbeeinflussung der n-ten Schicht hinsichtlich der n-x-ten Schicht erfiillt ist, wird mit der Feinbeatbeitung der n-x-ten Schicht begonnen.

Wie einleitend erwähnt, gilt entsprechendes fur das n-te Schichtpaket hinsichtlich der Feinbe- atbeitung des n-x-ten Schichtpakets.

Die Anordnung gemäß Figur 2 zeigt ein Werkstück 1 nach der Herstellung eines ersten Schichtpakets A der Höhe Az, dargestellt in doppelter Schraffierdichte. Das Werkstück 1 wird auf einem Sockel S aufgebaut, wobei die Höhe des Sockels S vorteilhafterweise dem Fräsoff- set Ah entspricht ; das Werkstück 1 soll eine Endkontur erhalten, die der Kontur 2 entspricht und innerhalb eines Konturkötpers 3 liegt. Dieser Konturkötper 3 wird durch eine bestimmte Anzahl von Schichtpaketen der Höhe Az die ihrerseits aus einer Vielzahl von Schichten be- stehen erzeugt. Die Maßdifferenz zwischen Konturkötper 3 und dem Werkstück 1 witd durch die mechanische Feinbearbeitung abgetragen, so daß nach der mechanischen Feinbe- atbeitung des letzten Schichtpakets das fertige Werkstück 1 erzeugt ist Figur 3 zeigt den Zustand des Werkstücks 1 nach der Generierung des zweiten Schichtpakets B oberhalb des ersten Schichtpakets A, wobei das zweite Schichtpaket B ebenfalls eine Höhe von Az aufweist Es ist aber auch möglich, die Höhe jedes Schichtpakets zu variieren, bei- spielsweise abhängig von dem Kontatenverlauf der Endkontur. Bei Konturen mit wesentli- cher Gradientenänderung der Obetfläche könnte auch eine geringere Schichtpakethöhe vor- teilhaft sein. Ebenso kann die Schichtpakethöhe von der Art des Fräsers abhängen. Grund- sätzlich gilt, daß die Schichtpakethöhe so zu wählen ist, daß mit dem ausgewählten Fräser jede gewünschte Kontur unter Einhaltung der gewünschten Oberflächengüte erzielt werden kann. Eine wesentliche technische Größe kann hierbei beispielsweise der Radius eines Kugel- ftäsets sein.

In Figur 4 ist der Zustand nach Fertigstellung der ersten mechanischen Feinbearbeitung an dem Schichtpaket A gezeigt. Die mechanische Feinbearbeitung findet vorzugsweise mittels

eines Fingerfräsers oder Kugelfräsers statt, der die Maßdifferenz zwischen des Konturkörpers 3 und der Endkontur 2 des Werkstücks 1 entfernt Nach Fettigstellung der Feinbearbeitung wird ein erneutes Schichtpaket erzeugt, wobei ebenfalls mit der Feinbearbeitung bis nach der Generierung mindestens des nächsten Schichtpakets gewartet wird.

In Figur 5 wird schematisch der Zustand der beiden Schichtpakete M und M + 1 gezeigt so- wie in Figut 6 das nunmeht feinbeatbeitete Schichtpaket M dargestellt Wie Figur 7 zeigt, wird das letzte Schichtpaket M + 2, welches oberhalb des Schichtpakets M + 1 liegt, vorteilhafter- weise so dimensioniert, daß es um einen gewissen Betrag H-h über die eigentliche Endkon- turhöhe h reicht. Mit der Fertigstellung der letzten Schicht des Schichtpakets M + 2 ist der schichtweise Aufbau des Werkstücks 1 abgeschlossen.

In dem nachfolgenden Atbeitsschtitt, dargestellt in Figur 8, wird die mechanische Feinbeat- beitung des Schichtpakets M + 1 vorgenommen, wobei durch den Kontutenverlauf bedingt, ebenfalls Bereiche des überstehenden Schichtpakets M + 2 bereits mit abgetragen werden können. Der nunmehr verbliebene überstehende Rest des Schichtpakets M + 2 wird, wie in Figur 9 gezeigt, mit der letzten mechanischen Feinbeatbeitung abgetragen. Mit diesem letzten Arbeitsschritt ist die Herstellung des Werkstücks 1 vollständig abgeschlossen.