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

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 at least a laser beam and then solidifying by cooling. More layers of a shell region of the component are successively constructed with a first beam diameter of the laser beam up to a first thickness and then a layer of the first thickness of a core region remaining within the shell region, is constructed with a second beam diameter of the laser beam, which is greater than the first beam diameter. 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 at least a laser beam and then solidifying by cooling. More layers of a shell region of the component are successively constructed with a first beam diameter of the laser beam up to a first thickness and then a layer of the first thickness of a core region remaining within the shell region, is constructed with a second beam diameter of the laser beam, which is greater than the first beam diameter. The laser beam for melting the powdery component material is conducted to a given path over the shell region and the core region. The paths, on which the laser beam for melting the powdery component material is conducted over the core region, is selected in such a manner that it always reaches at least approximately perpendicular to the envelope region, during contact with the shell region.

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 DE 2007 061 549 A1 beschreibt ein entsprechendes Verfahren sowie eine Anordnung, mit der diese Aufbautechnik durchgeführt werden kann.To circumvent this problem, a technique is known in which the processing is carried out with different laser powers and beam or focus diameters depending on the required component characteristics. With this known technique, also known as the shell-core principle, the envelope region of the component which defines the fine outer contours is generated with a smaller beam diameter than the core region lying within the envelope region. Thus, in analogy to conventional roughing-finishing processes, component cores with high build-up rates (large beam diameter or focus) can be constructed, while in the envelope region (small beam diameter or focus) the required detail resolution and surface quality can be ensured. In the construction of the component, a plurality of superimposed layers having the smaller laser beam diameter are respectively initially formed in the cladding region, and then the powdered component material is melted in the core region over a correspondingly thick layer with the larger laser beam diameter and higher laser power. The thickness of the layer in the core region corresponds to the sum of the layer thicknesses of the layers previously produced in the cladding region. The DE 2007 061 549 A1 describes a corresponding method and an arrangement with which this construction technique can be performed.

In der DE 198 18 469 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines geschichteten Gegenstands beschrieben, bei dem der Hüllbereich des Bauteils mit einem geringeren Laserstahldurchmesser erzeugt wird als der Kernbereich.In the DE 198 18 469 A1 Also, a method for producing a laminated article is described, in which the envelope region of the component is produced with a smaller laser steel diameter than the core region.

Auch die DE 102 45 617 A1 beschreibt ein derartiges Verfahren zum schichtweisen Herstellen von dreidimensionalen Objekten mittels selektiver Verfestigung durch Laserstrahlung, bei dem die Laserstrahlung in einem Hüllbereich des Bauteils stärker fokussiert wird als im Kernbereich.Also the DE 102 45 617 A1 describes such a method for producing three-dimensional objects in layers by means of selective solidification by laser radiation, in which the laser radiation is focused more strongly in an envelope region of the component than in the core region.

1 zeigt hierzu eine teilweise Schnittansicht eines generativ gefertigten kubischen Bauteils 1 mit Kernbereich und Hüllbereich, in dem das Verhältnis der Schichtdicken der Schichten 2 des Hüllbereichs zu den Schichten 3 des Kernbereichs ersichtlich ist. In der Figur sind auch die Bahnen des Laserstrahls erkennbar, auf denen dieser zum Aufschmelzen des pulverförmigen Bauteilmaterials über den jeweiligen Bereich geführt wurde. 2 zeigt einen Schnitt parallel zu einer Schichtebene eines derartigen Bauteils 1, wobei in der linken Teilabbildung der bereits belichtete Hüllbereich 4 und der noch unbelichtete pulverförmmige Kernbereich 5 zu erkennen sind. 1 shows a partial sectional view of a generatively manufactured cubic component 1 with core area and envelope area, in which the ratio of the layer thicknesses of the layers 2 of the envelope area to the layers 3 of the core area is visible. In the figure, the tracks of the laser beam can be seen on which this was performed to melt the powdered component material over the respective area. 2 shows a section parallel to a layer plane of such a component 1 , wherein in the left partial image of the already exposed envelope region 4 and the still unexposed powdery core area 5 can be seen.

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 6 zwischen Hülle und Kern im Prozess realisiert wird, wie dies in der rechten Teilabbildung der 2 schematisch angedeutet ist. 3 zeigt hierzu ein Beispiel für die Scanvektoren bzw. Bahnen 7, auf denen der Laserstrahl über den Kernbereich 5 geführt wird, um den Überlapp 6 im Übergangsbereich zum Hüllbereich 4 zu erzielen. Mit einer derartigen Wahl paralleler Bahnen des Laserstrahls im Kernbereich 5 lassen sich jedoch nur Schichtdickenverhältnisse zwischen dem Hüllbereich und dem Kernbereich von 1:2 mit einer guten schmelzmetallurgischen Verbindung zwischen Hüllbereich und Kernbereich realisieren. Dies bedeutet, dass jeweils nach zwei übereinander erzeugten Schichten im Hüllbereich eine entsprechend doppelt so dicke Schicht im Kernbereich erzeugt wird. Für eine wirtschaftliche Fertigung eines Bauteils im industriellen Maßstab reicht der damit erzielte Geschwindigkeitsgewinn jedoch nicht aus.An essential prerequisite for the usability of the components produced by the shell-core principle is the fusion metallurgical connection of shell and core. It is thus ensured by the fact that a dependent of the layer thickness overlap 6 between shell and core is realized in the process, as shown in the right part of the picture 2 is indicated schematically. 3 shows an example of the scan vectors or webs 7 on which the laser beam passes over the core area 5 is guided to the overlap 6 in the Transition area to the envelope area 4 to achieve. With such a choice of parallel paths of the laser beam in the core area 5 However, only layer thickness ratios between the cladding region and the core region of 1: 2 can be realized with a good fusion metallurgical connection between cladding region and core region. This means that in each case after two layers produced one above the other in the envelope region, a layer twice as thick is produced in the core region. However, for an economical production of a component on an industrial scale, the achieved speed gain is not enough.

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 claim 1. Advantageous embodiments of the method are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiment.

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 DE 10 2007 061 549 A1 bekannte Anordnung einsetzen.In the proposed method for producing a component by layered structure by means of selective laser melting, a powdered component material is melted in a known manner for each layer according to a desired geometry of the component with at least one laser beam and then solidifies by cooling. Here, according to the sheath-core principle, an envelope region of the component is constructed with a smaller laser beam or focus diameter at the point of impact and lower laser power than the core region. Thus, in each case several successive layers of the envelope region of the component with a first laser beam or focus diameter are first built one above the other up to a first thickness. Subsequently, a layer of the first thickness of a core region remaining within the envelope region is then constructed with a second laser beam or focus diameter, which is greater than the first laser beam or focus diameter at the point of incidence of the laser beam. In this case, the envelope region is to be understood as meaning an area of the component which comprises its outer contour and extends inwardly up to a certain distance from the outer contour. The remaining inner area of the component is the core area. In addition to the outer contour, the component can also have an inner contour. If this inner contour also has to be manufactured with high level of detail or accuracy, a second envelope region is defined, which comprises the inner contour and extends up to a certain distance in the direction of the outer contour. In such a case, the core region represents the region between the two cladding regions. Furthermore, it is possible for only a region of the outer contour of the component to be manufactured with high accuracy. In this case, the envelope region then does not include the complete outer contour, but only the part of the outer contour that is to be produced with high accuracy. Again, if necessary, it is possible to specify several separate envelope areas. Of course, can be used for the construction of the envelope region and the core area and different laser or from the DE 10 2007 061 549 A1 use known arrangement.

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. 3 zeigt die Scanvektoren bzw. Bahnen 7, auf denen auf denen der Laserstrahl gemäß dem Stand der Technik über den Kernbereich 5 geführt wird. Der Laserstrahl wird hierbei von Schicht zu Schicht abwechselnd in y- oder x-Scanrichtung auf eine Innenseite des Hüllbereichs 4 zu bewegt bis diese schließlich unter einem Winkel von 90° erreicht wird. Im Hüllbereich 4 befindet sich der Wendepunkt des Scanvektors. Der äußere Rand des Laserstrahls entspricht in diesem Bereich dem Überlapp zwischen Kern- und Hüllbereich. Nach dem Richtungswechsel bewegt sich der Laserstrahl mit einem Versatz von typischerweise Δys = (0,7·Strahldurchmesser) parallel zur ersten Schmelzespur in Gegenrichtung bis hin zur gegenüberliegenden Seite des Hüllbereichs 4, wo der erneute Richtungswechsel erfolgt. Auf diese Weise nähert sich der Kernscanvektor pro Richtungswechsel um Δys der parallel zur Scanrichtung liegenden Seite des Hüllbereichs. Auf der letzten Bahn befindet sich dann der äußere Rand des Laserstrahls bereits innerhalb des Hüllbereichs 4 auf der Höhe des eingestellten Überlapps. Schmelzmetallurgisch liegen im Überlapp- bzw. gangsbereich also zwei unterschiedliche Mechanismen vor, abhängig davon, ob die Anbindung zwischen Hülle und Kern mit Scanvektoren bzw. Bahnen 7 unter 90° zum Hüllbereich 4 in vielen kleinen Schritten oder in durchgängigen parallelen Bahnen 7 hergestellt wird. Es hat sich gezeigt, dass die schmelzmetallurgische Verbindung in dem Übergangsbereich, in dem die Scanvektoren bzw. Bahnen 7 unter 90° auf die Innenseite des Hüllbereichs 4 treffen, deutlich besser ist als in dem Übergangsbereich, in dem die Scanvektoren bzw. Bahnen 7 bei Kontakt mit dem Hüllbereich 4 parallel zur Innenseite des Hüllbereichs verlaufen. Die durch den Laser erzeugten Schmelzespuren schmelzen das seitlich neben der eigentlichen Spur liegende Pulvermaterial durch Wärmeleitung auf und ziehen es in die Schmelzespur hinein, so dass es zu einer Pulververarmung in unmittelbarer Nähe der Schmelzespuren kommt. Als problematisch erweist sich diese Pulververarmung speziell für die Kernscanvektoren parallel zum Hüllbereich. Die letzten Kernscanvektoren liegen nahe am Übergangsbereich, berühren jedoch noch nicht die Hülle. Dabei wird das Pulver, das die Anbindung zwischen Hülle und Kern gewährleisten soll, überwiegend aufgeschmolzen. Somit ist nur nach wenig Metallpulver im Übergangsbereich Hülle-Kern vorhanden, wenn die zum Hüllbereich parallelen Scanvektoren den inneren Rand des Hüllbereichs erreichen. Die Kernscanvektoren orthogonal zur Hülle enden demgegenüber bei jedem Wendepunkt am eingestellten Überlapp, so dass die Schmelzespur jeweils kontinuierlich bis in den Hüllbereich hineinreicht und die Pulververarmung hier auf die Anbindung keinen nennenswerten Einfluss hat.In the proposed method has been recognized that the problems in the construction of a component using the shell-core principle can be avoided by a suitable choice of the tracks for guiding the laser beam in the core area. 3 shows the scan vectors or webs 7 on which on which the laser beam according to the state technology about the core area 5 to be led. The laser beam is hereby alternately in y- or x-scan direction from layer to layer on an inner side of the envelope region 4 until it is finally reached at an angle of 90 °. In the envelope area 4 is the inflection point of the scan vector. The outer edge of the laser beam corresponds in this area to the overlap between the core and the cladding region. After the change of direction, the laser beam moves with an offset of typically Δy s = (0.7 x beam diameter) parallel to the first melt track in the opposite direction up to the opposite side of the envelope region 4 where the new direction change takes place. In this way, the core scan vector approximates Δy s of the side of the envelope region lying parallel to the scan direction per direction change. On the last track, the outer edge of the laser beam is already within the envelope area 4 at the height of the set overlap. In terms of hot melt metallurgy, there are two different mechanisms in the overlap or transition region, depending on whether the bond between the shell and the core with scan vectors or webs 7 below 90 ° to the envelope area 4 in many small steps or in continuous parallel paths 7 will be produced. It has been found that the fusion metallurgical compound in the transition region in which the scan vectors or webs 7 below 90 ° on the inside of the envelope area 4 is significantly better than in the transition region in which the scan vectors or paths 7 upon contact with the envelope area 4 parallel to the inside of the envelope area. The melt traces produced by the laser melt the powder material lying laterally next to the actual track by heat conduction and draw it into the melt track, so that powder depletion occurs in the immediate vicinity of the melt tracks. This powder depletion proves to be problematic especially for the core scan vectors parallel to the envelope area. The last core scan vectors are close to the transition area but do not yet touch the shell. In this case, the powder, which is to ensure the connection between the shell and core, mainly melted. Thus, only after little metal powder in the transition region shell core is present when the scan vectors parallel to the envelope region reach the inner edge of the envelope region. In contrast, the core scan vectors orthogonal to the envelope end at each inflection point at the set overlap, so that the melt trace extends continuously into the envelope region and the powder depletion has no appreciable influence on the bond here.

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:

1 eine teilweise Schnittansicht eines gemäß dem Stand der Technik gefertigten Bauteils; 1 a partial sectional view of a manufactured according to the prior art component;

2 einen Schnitt parallel zu einer Schichtebene bei der Herstellung eines Bauteils; 2 a section parallel to a layer plane in the manufacture of a component;

3 ein Beispiel für die Kernscanvektoren bei dem Aufbau eines Bauteils gemäß 1; und 3 an example of the Kernscanvektoren in the construction of a component according to 1 ; and

4 ein Beispiel für die Kernscanvektoren beim vorgeschlagenen Verfahren. 4 an example of the core scan vectors in the proposed method.

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 1 bis 3 erläutert, auf die daher nicht mehr eingegangen wird.The procedure in the generative production of a component by means of selective laser melting according to the prior art has already been described in the introductory part with respect to 1 to 3 which is therefore no longer discussed.

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 4 in einem Schnitt parallel zu einer Schichtebene angedeutet. Diese Figur zeigt den bereits belichteten Hüllbereich 4 und die Bahnen 7, auf denen der Laserstrahl über den Kernbereich 5 geführt wird. Aus der Figur ist deutlich zu erkennen, dass die Bahnen 7 bzw. Kernscanvektoren des Laserstrahls jeweils senkrecht auf die innere Begrenzung des Hüllbereichs 4 treffen. Hierzu wird in diesem Beispiel eine Scanstrategie mit abschnittsweise geradlinigen Bahnen verwendet, die jeweils innerhalb des Kernbereichs, d. h. beabstandet vom Hüllbereich, eine Umlenkung aufweisen. Beim dem vorliegenden rechteckigen Kernbereich kann dies mit einer 90°-Umlenkung auf den Diagonalen des rechteckigen Kernbereichs erfolgen, so dass dann der Laserstrahl weiterhin lediglich in x- oder y-Richtung bewegt werden muss.In the method of the present patent application, the core region is exposed or scanned with the laser beam in such a way that the core scan vectors or paths run orthogonally to the enveloping structure, ie to the boundary between enveloping region and core region. This is in the left picture of the 4 indicated in a section parallel to a layer plane. This figure shows the already exposed envelope area 4 and the tracks 7 on which the laser beam passes over the core area 5 to be led. From the figure can be clearly seen that the tracks 7 or Kernscanvektoren the laser beam in each case perpendicular to the inner boundary of the envelope region 4 to meet. For this purpose, in this example, a scanning strategy is used with sections of straight-line tracks, each having a deflection within the core area, ie spaced from the envelope area. In the case of the present rectangular core region, this can take place with a 90 ° deflection on the diagonals of the rectangular core region, so that then the laser beam must continue to be moved only in the x or y direction.

Ein Beispiel für ein Bauteil mit einem kreisförmigen Kernbereich ist in der rechten Abbildung der 4 in einem Schnitt parallel zu einer Schichtebene dargestellt. Bei diesem Bauteil wird die gleiche Scanstrategie wie bei dem Beispiel der linken Abbildung der 4 eingesetzt, wobei die Kernscanvektoren des Laserstrahls dann ebenfalls annähernd senkrecht auf die innere Begrenzung des Hüllbereichs 4 treffen.An example of a component with a circular core region is shown in the right figure of FIG 4 represented in a section parallel to a layer plane. This component has the same scanning strategy as the example of the left figure 4 used, wherein the Kernscanvektoren of the laser beam then also approximately perpendicular to the inner boundary of the envelope region 4 to meet.

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

Claims (5)

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) durch schichtweisen Aufbau mittels selektivem Laserschmelzen, bei dem für jede Schicht ein pulverförmiges Bauteilmaterial entsprechend einer gewünschten Geometrie des Bauteils (1) mit mindestens einem Laserstrahl aufgeschmolzen wird und sich anschließend durch Abkühlung verfestigt, wobei jeweils zunächst nacheinander mehrere Schichten (2) eines Hüllbereichs (4) des Bauteils (1) mit einem ersten Strahldurchmesser des Laserstrahls bis zu einer ersten Dicke übereinander aufgebaut werden und anschließend eine Schicht (3) der ersten Dicke eines innerhalb des Hüllbereichs (4) verbleibenden Kernbereichs (5) mit einem zweiten Strahldurchmesser des Laserstrahls aufgebaut wird, der größer als der erste Strahldurchmesser ist, und wobei der Laserstrahl zum Aufschmelzen des pulverförmigen Bauteilmaterials auf vorgegebenen Bahnen (7) über den Hüllbereich (4) und den Kernbereich (5) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnen (7), auf denen der Laserstrahl zum Aufschmelzen des pulverförmigen Bauteilmaterials über den Kernbereich (5) geführt wird, so gewählt werden, dass sie bei Kontakt mit dem Hüllbereich (4) immer zumindest annähernd senkrecht auf den Hüllbereich (4) treffen.Method for producing a component ( 1 ) by layered structure by means of selective laser melting, wherein for each layer a powdered component material corresponding to a desired geometry of the component ( 1 ) is melted with at least one laser beam and then solidified by cooling, each first successively several layers ( 2 ) of an envelope region ( 4 ) of the component ( 1 ) are constructed with a first beam diameter of the laser beam to a first thickness one above the other and then a layer ( 3 ) of the first thickness of one within the envelope region ( 4 ) remaining core area ( 5 ) is constructed with a second beam diameter of the laser beam, which is greater than the first beam diameter, and wherein the laser beam for melting the powdery component material on predetermined paths ( 7 ) over the envelope area ( 4 ) and the core area ( 5 ), characterized in that the tracks ( 7 ), on which the laser beam for melting the powdery component material over the core area ( 5 ) are chosen so that they are in contact with the envelope region ( 4 ) always at least approximately perpendicular to the envelope region ( 4 ) to meet. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zunächst mindestens drei Schichten des Hüllbereichs (4) des Bauteils (1) mit dem ersten Laserstrahldurchmesser aufgebaut werden.Method according to Claim 1, characterized in that in each case at least three layers of the envelope region ( 4 ) of the component ( 1 ) are constructed with the first laser beam diameter. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnen (7), auf denen der Laserstrahl zum Aufschmelzen des pulverförmigen Bauteilmaterials über den Kernbereich (5) geführt wird, so gewählt werden, dass sie jeweils abschnittsweise geradlinig verlaufen und auf Diagonalen einer in den Kernbereich (5) eingepassten rechteckigen Form eine 90°-Umlenkung aufweisen.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the webs ( 7 ), on which the laser beam for melting the powdery component material over the core area ( 5 ) are selected so that they each extend in sections in a straight line and on diagonals one into the core area ( 5 ) fitted rectangular shape have a 90 ° deflection. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernbereich (5) unabhängig von einer geometrischen Form des Bauteils (1) so gewählt wird, dass er in jeder Schichtebene eine aus einem oder mehreren aneinandergrenzenden Rechtecken zusammengesetzte Form aufweist.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the core area ( 5 ) regardless of a geometric shape of the component ( 1 ) is selected such that in each layer plane it has a shape composed of one or more contiguous rectangles. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnen (7), auf denen der Laserstrahl zum Aufschmelzen des pulverförmigen Bauteilmaterials über den Kernbereich (5) geführt wird, so gewählt werden, dass sie jeweils abschnittsweise geradlinig verlaufen und auf Diagonalen der einzelnen aneinandergrenzenden Rechtecke eine 90°-Umlenkung aufweisen.Method according to claim 4, characterized in that the tracks ( 7 ), on which the laser beam for melting the powdery component material over the core area ( 5 ), are selected so that they each extend in sections in a straight line and diagonals of the individual adjacent rectangles have a 90 ° deflection.
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