DE102011105045B3 - Producing a component by a layered structure using selective laser melting, comprises for each layer fusing a powdery component material corresponding to a desired geometry of the component, using a laser beam and solidifying by cooling - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch schichtweisen Aufbau mittels selektivem Laserschmelzen, bei dem für jede Schicht ein pulverförmiges Bauteilmaterial entsprechend einer gewünschten Geometrie des Bauteils mit mindestens einem Laserstrahl aufgeschmolzen wird und sich anschließend durch Abkühlung verfestigt, wobei der Aufbau mit unterschiedlichen Laserstrahldurchmessern für Hüllbereich und Kernbereich des Bauteils erfolgt.The present invention relates to a method for producing a component by layered structure by means of selective laser melting, wherein for each layer a powdered component material is melted according to a desired geometry of the component with at least one laser beam and then solidified by cooling, the structure with different laser beam diameters for envelope region and core region of the component.
Das generative Fertigungsverfahren des selektiven Laserschmelzens (SLM: selective laser melting) kann zur direkten Herstellung von metallischen Funktionsbauteilen eingesetzt werden. Die Anwendungsbreite hängt neben der Qualität der herstellbaren Bauteile vor allem von deren kosteneffizienter Produktion ab. Für eine breite industrielle Einsatzfähigkeit des Verfahrens muss die Aufbaurate des Bauteils signifikant erhöht werden. Entscheidend für die Aufbaurate sind die Verfahrensparameter Schichtdicke der aufgeschmolzenen Schichten, Scangeschwindigkeit des Laserstrahls und Spurabstand des Laserstrahls. Schichtdicke und Scangeschwindigkeit werden u. a. durch die verfügbare Laserleistung und die maximale Intensität begrenzt, dem Quotienten aus Laserleistung und Strahldurchmesser. Eine Steigerung der Scangeschwindigkeit und/oder der Schichtdicke wird erst durch eine Erhöhung der Laserleistung möglich. Bei konstantem Strahldurchmesser steigt somit auch die Intensität am Bearbeitungsort. Dadurch erreicht ein Teil der Pulverkornfraktion die Verdampfungstemperatur und es kommt zu vermehrter Spritzerbildung, welche eine robuste Prozessführung beeinträchtigt. Wird neben der Laserleistung ebenfalls der Strahldurchmesser vergrößert, kann dieses Problem umgangen werden. Allerdings verschlechtert sich mit steigendem Strahldurchmesser die erreichbare Detailauflösung der Außenkonturen generativ gefertigter Bauteile. Dies wiederum hat eine Steigerung des Nachbearbeitungsaufwands zur Folge, so dass wirtschaftliche Vorteile durch die gesteigerte Aufbaurate zumindest teilweise revidiert werden.The generative production process of selective laser melting (SLM: selective laser melting) can be used for the direct production of metallic functional components. The range of application depends not only on the quality of the components that can be produced, but above all on their cost-efficient production. For a broad industrial applicability of the process, the build-up rate of the component must be significantly increased. Decisive for the build-up rate are the process parameters of the layer thickness of the molten layers, the scanning speed of the laser beam and the track pitch of the laser beam. Layer thickness and scan speed are u. a. limited by the available laser power and the maximum intensity, the quotient of laser power and beam diameter. An increase in the scanning speed and / or the layer thickness is only possible by increasing the laser power. With a constant beam diameter, the intensity at the processing location also increases. As a result, a part of the powder grain fraction reaches the evaporation temperature and there is an increase in spatter formation, which impairs robust process control. If, in addition to the laser power, the beam diameter is also increased, this problem can be avoided. However, the achievable detail resolution of the outer contours of generatively manufactured components deteriorates with increasing beam diameter. This in turn results in an increase in the post-processing effort, so that economic benefits are at least partially revised by the increased build-up rate.
Stand der TechnikState of the art
Zur Umgehung dieser Problematik ist eine Technik bekannt, bei der die Bearbeitung mit unterschiedlichen Laserleistungen und Strahl- bzw. Fokusdurchmessern in Abhängigkeit der geforderten Bauteilmerkmale erfolgt. Mit dieser bekannten Technik, auch unter dem Begriff Hülle-Kern-Prinzip bekannt, wird der Hüllbereich des Bauteils, der die feinen Außenkonturen festlegt, mit einem geringeren Strahldurchmesser generiert als der innerhalb des Hüllbereichs liegende Kernbereich. Damit können in Analogie zu konventionellen Schrupp-Schlicht-Prozessen Bauteilkerne mit hohen Aufbauraten (großer Strahldurchmesser bzw. Fokus) aufgebaut werden, während im Hüllbereich (kleiner Strahldurchmesser bzw. Fokus) die geforderte Detailauflösung und Oberflächengüte gewährleistet werden kann. Beim Aufbau des Bauteils werden dabei jeweils zunächst im Hüllbereich mehrere übereinander liegende Schichten mit dem kleineren Laserstrahldurchmesser aufgebaut und anschließend im Kernbereich das pulverförmige Bauteilmaterial über eine entsprechend dicke Schicht mit dem größeren Laserstrahldurchmesser und höherer Laserleistung aufgeschmolzen. Die Dicke der Schicht im Kernbereich entspricht dabei der Summe der Schichtdicken der jeweils vorher im Hüllbereich erzeugten Schichten. Die
In der
Auch die
Eine wesentliche Voraussetzung für die Einsatzfähigkeit der mittels dem Hülle-Kern-Prinzip hergestellten Bauteile ist die schmelzmetallurgische Verbindung von Hülle und Kern. Sie wird bisher dadurch gewährleistet, dass ein von den Schichtdicken abhängiger Überlapp
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch schichtweisen Aufbau mittels selektivem Laserschmelzen anzugeben, das ein höheres Schichtdickenverhältnis zwischen Hüllbereich und Kernbereich des Bauteils bei guter schmelzmetallurgischer Verbindung zwischen Hüllbereich und Kernbereich ermöglicht.The object of the present invention is to provide a method for producing a component by layered structure by means of selective laser melting, which enables a higher layer thickness ratio between the cladding region and core region of the component with good fusion metallurgical connection between cladding region and core region.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The object is achieved by the method according to
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch schichtweisen Aufbau mittels selektivem Laserschmelzen wird in bekannter Weise für jede Schicht ein pulverförmiges Bauteilmaterial entsprechend einer gewünschten Geometrie des Bauteils mit mindestens einem Laserstrahl aufgeschmolzen und verfestigt sich anschließend durch Abkühlung. Hierbei wird gemäß dem Hülle-Kern-Prinzip ein Hüllbereich des Bauteils mit einem kleineren Laserstrahl- bzw. Fokusdurchmesser am Auftreffort und geringerer Laserleistung als der Kernbereich aufgebaut. Es werden somit jeweils zunächst nacheinander mehrere Schichten des Hüllbereichs des Bauteils mit einem ersten Laserstrahl- bzw. Fokusdurchmesser bis zu einer ersten Dicke übereinander aufgebaut. Anschließend wird dann eine Schicht der ersten Dicke eines innerhalb des Hüllbereichs verbleibenden Kernbereichs mit einem zweiten Laserstrahl- bzw. Fokusdurchmesser aufgebaut, der größer als der erste Laserstrahl- bzw. Fokusdurchmesser am Auftreffort des Laserstrahls ist. Unter dem Hüllbereich ist hierbei ein Bereich des Bauteils zu verstehen, der dessen äußere Kontur umfasst und sich bis zu einem bestimmten Abstand von der äußeren Kontur nach innen erstreckt. Der verbleibende innere Bereich des Bauteils ist der Kernbereich. Neben der Außenkontur kann das Bauteil auch eine Innenkontur aufweisen. Falls diese Innenkontur auch mit hoher Detailtreue bzw. Genauigkeit gefertigt werden muss, wird ein zweiter Hüllbereich festgelegt, der die Innenkontur umfasst und sich bis zu einem bestimmten Abstand in Richtung der Außenkontur erstreckt. Der Kernbereich stellt in einem derartigen Fall den Bereich zwischen den beiden Hüllbereichen dar. Weiterhin ist es möglich, dass nur ein Bereich der Außenkontur des Bauteils mit hoher Genauigkeit gefertigt werden muss. In diesem Fall umfasst der Hüllbereich dann nicht die vollständige Außenkontur, sondern nur den mit hoher Genauigkeit zu fertigenden Teil der Außenkontur. Auch hier besteht bei Bedarf die Möglichkeit, mehrere getrennte Hüllbereiche festzulegen. Selbstverständlich lassen sich für den Aufbau des Hüllbereiches und des Kernbereichs auch unterschiedliche Laser oder die aus der
Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Bahnen, auf denen der Laserstrahl zum Aufschmelzen des pulverförmigen Bauteilmaterials im Kernbereich geführt wird, so gewählt werden, dass sie im gesamten Kernbereich bei Kontakt mit dem Hüllbereich zumindest annähernd senkrecht auf den Hüllbereich treffen, d. h. unter einem Winkel von 90° ± 20°, vorzugsweise 90° ± 10°. Unter dem Kontakt einer Bahn mit dem Hüllbereich ist hierbei zu verstehen, dass der über den Kernbereich geführte Laserstrahl auf dieser Bahn zum Teil mit dem Hüllbereich überlappt. Diese Überlappung tritt somit bei dem vorgeschlagenen Verfahren immer nur bei einer Führung des Laserstrahls annähernd senkrecht zur Begrenzung des Hüllbereichs an der jeweiligen Stelle auf und nie bei einer Führung des Laserstrahls bspw. parallel zur Begrenzung des Hüllbereichs. Durch diese Wahl der Bahnen des Laserstrahls im Kernbereich wird eine gute schmelzmetallurgische Verbindung zwischen Hüllbereich und Kernbereich auch bei Schichtdickenverhältnissen von kleiner als 1:2 erreicht. So lassen sich mit dem Verfahren bspw. Schichtdickenverhältnisse von 1:6 bei guter schmelzmetallurgischer Verbindung, d. h. weitestgehend defektfrei, realisieren. Dies bedeutet, dass jeweils sechs Schichten des Hüllbereichs mit einem kleineren Laserstrahldurchmesser erzeugt werden können und anschließend eine den sechs Schichten entsprechende Schichtdicke im Kernbereich mit einem deutlich größeren. Laserstrahldurchmesser. Damit verkürzt sich die Zeit für den Aufbau eines Bauteils, so dass sich das Verfahren auch in industriellem Maßstab wirtschaftlich einsetzen lässt.The proposed method is characterized in that the tracks on which the laser beam is guided for melting the powdery component material in the core region, are selected so that they meet at least approximately perpendicular to the envelope region in contact with the envelope region in the entire core region, d. H. at an angle of 90 ° ± 20 °, preferably 90 ° ± 10 °. In this case, the contact of a web with the enveloping region means that the laser beam guided over the core region partially overlaps on this web with the enveloping region. Thus, in the case of the proposed method, this overlap always occurs only at a guidance of the laser beam approximately perpendicular to the boundary of the envelope region at the respective point and never parallel to the boundary of the envelope region when the laser beam is guided. By this choice of the paths of the laser beam in the core region, a good fusion metallurgical connection between the cladding region and the core region is achieved even with layer thickness ratios of less than 1: 2. For example, with the method, layer thickness ratios of 1: 6 with good fusion metallurgical connection, i. H. largely defect-free, realize. This means that in each case six layers of the envelope region can be produced with a smaller laser beam diameter and then a layer thickness corresponding to the six layers in the core region with a significantly larger one. Laser beam diameter. This shortens the time required to build a component so that the process can also be used economically on an industrial scale.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wurde erkannt, dass die Probleme beim Aufbau eines Bauteils unter Nutzung des Hülle-Kern-Prinzips durch geeignete Wahl der Bahnen für die Führung des Laserstrahls im Kernbereich vermieden werden können.
Diese Problematik wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren dadurch vermieden, dass die Kernscanvektoren bzw. Laserbahnen im Kernbereich jeweils so gewählt werden, dass sie immer annähernd senkrecht auf den Hüllbereich treffen und somit im Übergangs- bzw. Überlappbereich mit dem Hüllbereich niemals parallel zur Innenseite des Hüllbereichs verlaufen.In the proposed method, this problem is avoided in that the core scan vectors or laser tracks in the core region are each selected such that they always meet approximately perpendicular to the envelope region and thus never run parallel to the inside of the envelope region in the transition region or overlap region with the envelope region ,
Durch diese Scanstrategie können Schichtdickenverhältnisse < 1:2 (Hülle:Kern) bei der generativen Bauteilherstellung realisiert werden. So kann die Aufbaurate im Kern signifikant erhöht werden, ohne die geforderte Genauigkeit, die Detailauflösung und Oberflächengüte (Hülle) zu beeinträchtigen. Es bestehen somit erhebliche wirtschaftliche Einsparpotentiale.Due to this scanning strategy, layer thickness ratios <1: 2 (shell: core) can be realized in the generative component production. Thus, the build-up rate in the core can be significantly increased without compromising the required accuracy, the detail resolution and surface finish (shell). There are thus considerable economic savings.
Das Verfahren lässt sich bspw. im Werkzeug- und Formenbau einsetzen. Hier ergeben sich durch die Geometriefreiheit der generativen Fertigung große Potentiale, bspw. durch den Einsatz einer konturnahen Kühlung. Durch die Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens ist es möglich, die Werkzeuge wesentlich kostengünstiger bei gleich bleibender Qualität zu fertigen, als dies bisher möglich ist. Weitere Anwendungsfelder liegen insbesondere in Bereichen, die von einer großen Variantenvielfalt komplexer Metallbauteile geprägt sind. Da die Herstellkosten bei der generativen Bauteilfertigung lediglich vom aufzubauenden Volumen, nicht jedoch von der Komplexität der Bauteile abhängen, sind durch den Einsatz des vorgeschlagenen Verfahrens erhebliche Rationalisierungs-Potentiale vorhanden. Zu den genannten Bereichen zählen bspw. die Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilbau.The method can be used, for example, in tool and mold making. Due to the freedom of geometry of the generative production, great potentials arise here, for example through the use of close-to-contour cooling. By applying the proposed method, it is possible to produce the tools much cheaper with consistent quality, as has been possible. Further fields of application lie in particular in areas characterized by a large variety of complex metal components. Since the manufacturing costs in the generative component manufacturing depend only on the volume to be built, but not on the complexity of the components, the use of the proposed method considerable rationalization potentials are available. The areas mentioned include, for example, aerospace and automotive engineering.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:The proposed method will be briefly explained again with reference to an embodiment in conjunction with the drawings. Hereby show:
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Die Vorgehensweise bei der generativen Fertigung eines Bauteils mittels selektivem Laserschmelzen gemäß dem Stand der Technik wurde bereits im einleitenden Teil in Bezug auf die
Bei dem Verfahren der vorliegenden Patentanmeldung wird der Kernbereich mit dem Laserstrahl so belichtet bzw. abgetastet, dass die Kernscanvektoren bzw. Bahnen orthogonal zur Hüllstruktur, d. h. zur Begrenzung zwischen Hüllbereich und Kernbereich hin, verlaufen. Dies ist in der linken Abbildung der
Ein Beispiel für ein Bauteil mit einem kreisförmigen Kernbereich ist in der rechten Abbildung der
Mit einer derartigen Scanstrategie wird erreicht, dass der Laserstrahl im gesamten belichteten Kernbereich jeweils annähernd senkrecht auf den Hüllbereich trifft und somit eine konstante gute schmelzmetallurgische Verbindung zwischen Kernbereich und Hüllbereich erreicht wird. Dies ermöglicht ein deutlich kleineres Schichtdickenverhältnis zwischen den Schichten im Hüllbereich und im Kernbereich, so dass größere Laserstrahldurchmesser bzw. Schichtdicken im Kernbereich erzeugt werden können und damit die Aufbaugeschwindigkeit des Bauteils deutlich erhöht werden kann.With such a scanning strategy it is achieved that the laser beam strikes the enveloping region approximately perpendicularly in the entire exposed core region and thus a constant good fusion metallurgical connection between the core region and the enveloping region is achieved. This allows a significantly smaller layer thickness ratio between the layers in the cladding region and in the core region, so that larger laser beam diameters or layer thicknesses can be generated in the core region and thus the build-up speed of the component can be significantly increased.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Bauteilcomponent
- 22
- Schichten im HüllbereichLayers in the envelope area
- 33
- Schichten im KernbereichLayers in the core area
- 44
- belichteter Hüllbereichexposed envelope area
- 55
- pulverförmiger Kernbereichpowdery core area
- 66
- Überlappoverlap
- 77
- Bahnen bzw. KernscanvektorenWebs or core scan vectors
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