BR112019009690B1 - Método e aparelho para produzir ou reparar uma peça de trabalho metálica tridimensional tendo uma microestrutura cristalina única - Google Patents

Método e aparelho para produzir ou reparar uma peça de trabalho metálica tridimensional tendo uma microestrutura cristalina única Download PDF

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Abstract

Um método para produzir ou reparar uma peça de trabalho tridimensional, o método compreendendo as seguintes etapas: - fornecer pelo menos um substrato (15); - depositar uma primeira camada de um pó de matéria prima sobre o substrato (15); e ? irradiar áreas selecionadas da camada de pó de matéria prima depositada com um feixe de radiação de partícula ou eletromagnética (22) em uma maneira seletiva de local de acordo com um padrão de irradiação que corresponde a uma geometria de pelo menos parte de uma camada da peça de trabalho tridimensional a ser produzida, em que ? a irradiação é controlada de modo a produzir uma ligação metalúrgica entre o substrato (15) e a camada de pó de matéria prima depositada sobre o mesmo. Além disso, um uso e aparelho são de modo semelhante descritos.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um método, uso e aparelho para produzir uma peça de trabalho cristalina única por irradiar camadas de um pó de matéria prima com radiação de partícula ou eletromagnética.
[002] Fusão de leito de pó é um processo de disposição em camadas aditivo pelo qual matérias primas pulverulentas, em particular metálicas e/ou cerâmicas podem ser processadas em peças de trabalho tridimensionais de formatos complexos. Para essa finalidade, uma camada de pó de matéria prima é aplicada sobre um transportador e submetida à radiação a laser em uma maneira seletiva de local dependendo da geometria desejada da peça de trabalho que deve ser produzida. A radiação a laser que penetra na camada de pó causa aquecimento e consequentemente fusão ou sinterização das partículas de pó de matéria prima. Camadas de pó de matéria prima adicionais são então aplicadas sucessivamente à camada sobre o transportador que já foi submetido a tratamento a laser, até que a peça a trabalho tenha o formato e tamanho desejados. Fusão de leito de pó pode ser empregado para a produção de protótipos, ferramentas, partes de substituição, componentes de alto valor ou próteses médicas, como, por exemplo, próteses ortopédicas ou dentais, com base em dados CAD.
[003] As propriedades térmicas e mecânicas de peças de trabalho metálicas tipicamente dependem fortemente da microestrutura das peças de trabalho. Por exemplo, materiais metálicos cristalinos únicos, em particular aços inoxidáveis ou superligas à base de Ni, Co ou Fe, apresentam propriedades mecânicas, químicas e térmicas excelentes mesmo em temperaturas elevadas. Esses materiais são portanto comumente usados para fabricar componentes submetidos a cargas mecânicas e térmicas elevadas como, por exemplo, pás de turbina ou partes de motor.
[004] WO 2014/131444 A1 descreve um aparelho para produzir peças de trabalho tridimensionais que compreende um transportador, um dispositivo de aplicação de pó para aplicar um pó de matéria prima sobre o transportador, um dispositivo de irradiação para seletivamente irradiar radiação de partícula ou eletromagnética sobre o pó de matéria prima aplicado sobre o transportador, e uma unidade de controle que controla a operação do dispositivo de aplicação de pó e o dispositivo de irradiação em dependência do comportamento de cristalização do pó de matéria prima, para moldar a microestrutura de uma peça de trabalho feito do pó de matéria prima por um método de construção de camada aditiva. Em particular, a unidade de controle controla uma fonte de radiação e/ou uma unidade ótica do dispositivo de irradiação de modo a ajustar um tamanho de feixe, um perfil de feixe, uma velocidade de varredura e/ou um padrão de varredura de um feixe de irradiação irradiado sobre o pó de matéria prima aplicado sobre o transportador ou uma saída da fonte de radiação dependendo do comportamento de cristalização do pó de matéria prima, para moldar a microestrutura da peça de trabalho. Desse modo, uma peça de trabalho tendo uma microestrutura direcionalmente/dendriticamente solidificada ou substancialmente cristalina única pode ser obtida.
[005] A invenção é dirigida ao objetivo de fornecer uma solução que permita a geração de uma peça de trabalho tridimensional cristalina única de alta qualidade por irradiar camadas de um pó de matéria prima com radiação de partícula ou eletromagnética.
[006] Esse objetivo é tratado por um método como definido na reivindicação 1, um uso de acordo com a reivindicação 14 e um aparelho de acordo com a reivindicação 15.
[007] Um método de produzir ou reparar uma peça de trabalho tridimensional é proposto, o método compreendendo a etapa de fornecer pelo menos um substrato. O substrato pode cobrir pelo menos parte de uma área de construção, na qual a peça de trabalho deve ser produzida. A área de construção pode ser definida por e/ou corresponder a uma superfície de um transportador no qual o substrato pode ser disposto para depositar pó de matéria prima sobre o mesmo. Por conseguinte, a área de construção pode corresponder a uma área em seção transversal máxima ou uma pegada de uma peça de trabalho que pode ser produzida ou reparada.
[008] O substrato pode ser adicionalmente disposto em um transportador de um aparelho usado para realizar o método. O referido transportador pode ser um transportador rigidamente fixo. Preferivelmente, entretanto, o transportador é projetado para ser deslocável em direção vertical de modo que, com a altura de construção crescente de uma peça de trabalho, quando é construído em camadas a partir do pó de matéria prima, o transportador pode ser movido para baixo na direção vertical.
[009] Como detalhado abaixo, o substrato pode, assim, ser fornecido na forma de um elemento planar fino. Também, o substrato pode ter sido produzido diferentemente de um processo de fabricação de camada aditiva e, em particular, de um processo de fusão a laser seletivo. Por outro lado, o substrato pode ser fornecido na forma de uma peça de trabalho que necessita ser reparada, por exemplo, por pelo menos recuperar parcialmente algumas de suas camadas de peça de trabalho. Nesse caso, o substrato pode ter sido muito bem produzido por um processo de fabricação de camada aditiva e, em particular, um processo de fusão a laser seletivo.
[010] Como um comentário geral, a produção ou geração de uma peça de trabalho pode se referir à produção total de uma peça de trabalho solidificada a partir do pó de matéria prima, ao passo que o reparo de uma peça de trabalho pode se referir somente a recuperação de regiões selecionados de uma peça de trabalho já solidificada que foi danificada.
[011] Como adicionalmente descrito abaixo, o substrato pode ser um substrato substancialmente cristalino único. O termo “substancialmente cristalino único”, no contexto do presente pedido, pode se referir a uma microestrutura do substrato que é na realidade cristalino único, isto é, não compreende quaisquer contornos de grão. Contudo, a expressão “substancialmente cristalino único” deve também cobrir uma microestrutura que não tem contornos de grão entre grãos tendo orientação preferida, isto é, uma microestrutura onde os contornos de grão estendem substancialmente paralelos entre em uma direção preferida. Tal microestrutura é tipicamente obtida por uma solidificação direcional de fusões metálicas.
[012] O método compreende ainda uma etapa de depositar uma primeira camada de um pó de matéria prima sobre o substrato. O pó de matéria prima é preferivelmente um pó metálico, em particular um pó de liga de metal, porém também pode ser um pó cerâmico ou um pó contendo materiais diferentes. Em geral, o material do substrato e o material do pó de matéria prima podem ser iguais ou pelo menos pertencem à mesma classe (isto é, metálica ou cerâmica).
[013] O pó pode ter qualquer tamanho de partícula ou distribuição de tamanho de partícula adequada. Isto é, entretanto, preferível processar pós de tamanhos de partícula < 100 μm. A deposição pode ser obtida usando um dispositivo de aplicação de pó como adicionalmente detalhado abaixo. A camada de pó de matéria prima depositada pode cobrir uma superfície do substrato por pelo menos em cerca de 50%, por pelo menos cerca de 75% ou por cerca de 100%. A camada de pó de matéria prima pode ser usada para produzir uma área em seção transversal substancialmente completa da peça de trabalho a partir da mesma. Por outro lado, por exemplo no caso de reparo, a camada pode ser usada para produzir (ou, em outras palavras, recuperar) somente parte de uma área em seção transversal da peça de trabalho, por exemplo, por encher uma lacuna ou furo em uma camada de peça de trabalho respectiva.
[014] O método compreende ainda uma etapa de irradiar áreas selecionadas da camada de pó de matéria prima depositada com um feixe de radiação eletromagnética ou de partícula em uma maneira seletiva de local de acordo com um padrão de irradiação que corresponde a uma geometria de pelo menos parte de uma camada da peça de trabalho tridimensional. Consequentemente, o pó de matéria prima aplicado sobre o transportador pode ser submetido à radiação de partícula ou eletromagnética em uma maneira seletiva de local dependendo da geometria desejada da peça de trabalho que deve ser produzida ou reparada. A irradiação é preferivelmente adaptada para causar fusão seletiva de local das partículas de pó de matéria prima (isto é, executando um processo de fusão a laser seletivo).
[015] A irradiação pode ser obtida por meio de um dispositivo de irradiação. O dispositivo de irradiação pode compreender pelo menos uma fonte de radiação, em particular uma fonte de laser, e pelo menos uma unidade ótica para guiar e/ou processar um feixe de radiação emitido pela fonte de radiação. A fonte de radiação pode compreender um laser de fibra de itérbio bombeada por diodo emitindo luz laser em um comprimento de onda de aproximadamente 1070 a 1080 nm. A unidade ótica pode compreender elementos óticos como uma lente objetiva, em particular e lente f-teta, e uma unidade de varredura, a unidade de varredura compreendendo de preferência um elemento ótico difrativo e um espelho de deflexão. Por exemplo, o dispositivo de irradiação pode ser um dispositivo de irradiação como descrito em EP 2 335 848 A1. Para guiar o feixe de radiação, a unidade ótica pode compreender uma unidade scanner ótica, que é preferivelmente móvel em torno de pelo menos dois eixos. O dispositivo de irradiação pode compreender também uma pluralidade de fontes de radiação, como diodos de laser único, que são dispostos na forma de um conjunto ou matriz. Esses podem conjuntamente ser controlados para produzir padrões de radiação dedicada sobre o pó de matéria prima depositado. Referência é feita a uma solução correspondente conhecida de DE 10 2016 218 887 (não publicada ainda na data do pedido da presente revelação).
[016] No caso de produzir uma peça de trabalho tridimensional, o padrão de irradiação corresponde de preferência a uma camada em seção transversal completa da peça de trabalho tridimensional a ser produzida. No caso de reparo, somente uma parte ou um segmento de uma camada de peça de trabalho respectiva pode ser coberta por um padrão de irradiação respectivo.
[017] A irradiação é controlada de modo a produzir uma ligação metalúrgica entre o substrato (preferivelmente cristalino único) e a camada de pó de matéria prima depositada sobre o mesmo. A ligação metalúrgica pode resultar da fusão de parte da camada de pó de matéria prima bem como pelo menos a superfície e especialmente uma camada de superfície fina do substrato na qual o pó de matéria prima é depositado. Por exemplo, uma camada de superfície do substrato pode ser fundida, a camada tendo uma espessura menor que cerca de 0,5 mm ou menos que 0,05 mm. Desse modo, um pó de fusão comum pode ser formado entre o substrato e o pó de matéria prima. A referida poça de fusão pode então solidificar para formar a ligação metalúrgica, preferivelmente, sob a formação da microestrutura cristalina única desejada. Para produzir a ligação metalúrgica, a irradiação pode ser controlada de modo a obter um comportamento de fusão desejado, como uma profundidade de fusão ou volume de fusão. Valores adequados podem ser determinados por meio de simulações ou experimentos, por exemplo, dependendo dos materiais usados, da camada ou espessura de substrato e similares.
[018] O inventor descobriu que devido ao uso de um substrato (preferivelmente cristalino único) que é ligado com a camada de pó de matéria prima, um crescimento cristalino único de dendritas do material de pó fundido pode ser obtido. Em particular, um crescimento epitaxial ao longo da orientação da estrutura cristalina do substrato pode ser obtido. Consequentemente, uma microestrutura cristalina única da camada de peça de trabalho produzida pode mais confiavelmente ser obtida.
[019] De acordo com uma modalidade adicional, após completar a irradiação da primeira camada de pó de matéria prima, múltiplas sequencias de depositar e irradiar camadas de pó de matéria prima subsequentes podem ser executadas, para construir sucessivamente a peça de trabalho ao longo de um eixo de construção. Dito de modo diferente, uma sequência de depósito de camadas de pó de matéria prima e irradiação das mesmas pode ser repetida, de modo a produzir ou reparar a peça de trabalho de acordo com um processo de disposição de camadas aditivo, como fusão a laser seletiva. Como é bem sabido, isso pode incluir depositar sempre uma camada de pó de matéria prima mais superior nova no topo de uma mais recentemente irradiada, para então irradiar a referida camada de pó de matéria prima mais superior para gerar uma camada de peça de trabalho correspondente ou segmento de camada de peça de trabalho a partir da mesma. A peça de trabalho pode assim, compreender e ser construída de uma sequência respectiva de camadas de peça de trabalho.
[020] O eixo de construção pode corresponder a uma direção espacial substancialmente vertical (comumente mencionada como eixo-Z). de modo semelhante, o eixo de construção pode estender substancialmente perpendicularmente à área de construção, o substrato e/ou uma área definida pelas camadas de pó de matéria prima.
[021] A menos que indicado ao contrário, discussões sobre formação, processamento e/ou irradiação de uma camada de pó de matéria prima podem, de acordo com a presente descrição, aplicar pelo menos a metade ou mesmo cada de uma sequência respectiva de camadas de pó de matéria prima. Em particular, tais discussões podem se referir pelo menos a cerca de 50%, pelo menos cerca de 75% ou cerca de 100% do número total de camadas de pó de matéria prima usadas para produzir ou reparar uma peça de trabalho. Por exemplo, os seguintes exemplos de escolher parâmetros de irradiação podem se aplicar pelo menos a metade ou mesmo a cada de uma sequência das camadas de pó de matéria prima usadas para produzir ou reparar uma peça de trabalho.
[022] O método pode compreender ainda a etapa de ajustar a orientação de cristal do substrato (preferivelmente, cristalino único) de modo a corresponder substancialmente com o eixo de construção. Por conseguinte, a orientação de cristal do referido substrato pode estender também substancialmente verticalmente em espaço e/ou ao longo de um eixo Z respectivo. Em geral, como resultado de irradiar o pó de matéria prima, isso pode promover a ocorrência de um crescimento de cristal ao longo do eixo de construção para produzir uma camada de peça de trabalho cristalina única respectivamente orientada.
[023] Adicional ou alternativamente, o método pode compreender a etapa de ajustar uma orientação de cristal do substrato (preferivelmente cristalino único) e uma direção de crescimento de grão na camada da peça de trabalho tridimensional que ocorre após irradiação da referida camada de modo a corresponder entre si. Isso pode ser obtido por ajustar uma posição e/ou orientação do substrato antes de depositar e irradiar pó de matéria prima sobre o mesmo. Nesse contexto, selecionar a posição e/ou orientação de substrato pode estar sujeita a uma direção de crescimento de grão esperado ou predeterminado, que pode ser influenciado por selecionar parâmetros de irradiação adequados. Alternativamente, a direção de crescimento de grão pode ser controlada dependendo de uma orientação de cristal conhecida do substrato (preferivelmente cristalino único). Novamente, isso pode ser obtido por selecionar parâmetros de irradiação adequados. Evidentemente, tanto a orientação de cristal do substrato como a direção de crescimento de grão podem corresponder substancialmente a um eixo de construção da peça de trabalho.
[024] De acordo com um aspecto adicional, pelo menos um dos seguintes parâmetros é usado para controlar a irradiação: - um tamanho de feixe, um estado de desfocagem e/ou um perfil de feixe do feixe de radiação eletromagnética ou de partícula , - um tempo de exposição das áreas selecionadas de um pó de matéria prima depositado ao feixe de radiação eletromagnética ou de partículas ou, - o padrão de irradiação, - uma velocidade de mover um local de irradiação através de uma camada de pó de matéria prima depositada, - uma taxa de refusão ao longo do eixo de construção e/ou no plano de uma camada de pó de matéria prima atualmente irradiada, e - uma entrada de energia do feixe de radiação eletromagnética ou de partícula nas áreas selecionadas da camada de pó de matéria prima aplicada sobre o substrato.
[025] Usar os parâmetros acima para controlar a irradiação pode incluir definir os mesmos em valores adequados e/ou variar os mesmos apropriadamente antes, durante ou após irradiação.
[026] O tamanho de feixe pode se referir a um diâmetro ou área do feixe, em particular com relação a uma área em seção transversal do mesmo ao incidir ou impactar na camada de pó de matéria prima. Em geral, o referido diâmetro ou área pode ser aumentado sob o controle da unidade de controle para promover a ocorrência de uma velocidade de crescimento de cristal ou solidificação baixa em combinação com um gradiente de alta temperatura no produto fundido produzido por irradiar o pó e desse modo obter uma microestrutura substancialmente cristalina única na camada de peça de trabalho gerada. Em geral, de acordo com a presente descrição, um gradiente de alta temperatura pode ser definido no produto fundido com relação ao eixo de construção. Especificamente, tal gradiente de temperatura pode ser definido em uma direção negativa ao longo do eixo de construção (por exemplo, uma direção Z negativa).
[027] Preferivelmente, o diâmetro de feixe de um feixe de radiação emitido por uma fonte de radiação e processado por uma unidade ótica pode ser definido em > 100 μm, em particular > 500 μm e especificamente > 750 μm para obter uma microestrutura direcionalmente/dendriticamente solidificada substancialmente cristalina única na peça de trabalho gerada.
[028] O estado de desfocagem pode se referir a um desvio deliberado de um estado de focagem ideal do feixe de radiação, por exemplo, por ajustar uma posição de foco do referido feixe para estar em uma distância até uma superfície superior da camada de pó de matéria prima que deve ser irradiada. Como é geralmente sabido, o feixe de radiação pode, assim, incidir ou impactar na camada de pó de matéria prima em um estado fora de foco para, por exemplo, limitar a entrada de energia no pó de matéria prima.
[029] O perfil de feixe pode se relacionar em geral a um perfil de intensidade ou distribuição de intensidade do feixe de radiação, por exemplo, transversalmente através de sua seção transversal. Por conseguinte, pode incluir um tal perfil de intensidade cartola como conhecido, perfil de donut no formato de anel ou Gaussiano.
[030] Uma seleção adequada de parâmetros de feixe pode incluir escolher um perfil de feixe cartola com um diâmetro de feixe aumentado ou um feixe deliberadamente de diâmetro baixo desfocado tendo um perfil Gaussiano.
[031] O tempo de exposição ao feixe de radiação pode ser selecionado de modo a obter uma entrada de energia e/ou processo de fusão desejado do pó de matéria prima e/ou o substrato (preferivelmente cristalino único).
[032] O padrão de irradiação pode incluir o formato ou geometria da área total que é irradiado e/ou uma estratégia para mover um local de irradiação na referida área de modo a cobrir a superfície a ser irradiada (Por exemplo, movendo a mesma ao longo de vetores dedicados estendendo através da referida superfície). Tais movimentos podem ser obtidos por varrer um feixe de radiação através do pó de matéria prima ao longo dos denominados vetores de hachura ou varredura. De modo semelhante, no caso de usar um conjunto ou matriz, por exemplo, de fontes de radiação LED-laser, isso pode incluir ativar fontes de radiação adjacentes em uma maneira coordenada de modo a irradiar subsequentemente pontos dedicados no referido pó de matéria prima. Os pontos irradiados podem ser dispostos ao longo de vetores de hachura ou varredura dedicados, de modo que se fossem subsequentemente ativados, o movimento de um local de irradiação através do pó de matéria prima ao longo dos vetores pode ser reproduzido.
[033] A velocidade de mover um local de irradiação através de uma camada de pó de matéria prima depositada pode se referir a qualquer um dos movimentos acima discutidos obtidos por varrer um feixe de radiação ou por uma ativação coordenada de uma pluralidade de fontes de radiação.
[034] A taxa de refusão ao longo do eixo de construção pode se referir a uma taxa de refundir camadas de pó de matéria prima anteriormente irradiadas (e/ou o substrato preferivelmente de cristalino único) ao irradiar uma camada de pó de matéria prima mais recentemente depositada. Em outras palavras, uma profundidade de fusão pode estar envolvida, que pode incluir refusão de camadas de peça de trabalho já produzidas abaixo de uma camada de pó de matéria prima mais recentemente depositada e assim mais superior. Por conseguinte, a taxa de refusão pode ser selecionada de modo a definir uma profundidade de refusão e assim a profundidade de poça de fusão geral ao longo do eixo de construção até um valor desejado.
[035] Similarmente, a taxa de refusão no plano de uma camada de pó de matéria prima atualmente irradiada pode se referir a segmentos de refusão da camada de pó de matéria prima que já tinham sido anteriormente irradiados. Tal irradiação anterior pode ser causada por mover um local de irradiação através das camadas de pó de matéria prima, por exemplo, ao longo de vetores de hachura ou varredura dedicados. Nesse contexto, a refusão pode resultar dos diâmetros de feixe de radiação sobrepondo entre si ao serem movidos ao longo de vetores adjacentes. Mais precisamente, as poças de fusão que são produzidas como resultado de mover um feixe de radiação ao longo de vetores de hachura ou varredura adjacentes podem sobrepor entre si no plano de uma camada de pó de matéria prima atualmente irradiada. Nesse contexto, uma poça de fusão produzido durante um curso ao longo de um primeiro vetor pode ter pelo menos parcialmente solidificado novamente durante um curso ao longo de um segundo vetor adjacente. Contudo, devido aos diâmetros de feixe de sobreposição, o referido lago de fusão pode pelo menos parcialmente ser refundido novamente durante o curso ao longo do segundo vetor adjacente.
[036] A entrada de energia pode ser adicionalmente selecionada de modo a determinar uma velocidade de fusão, distribuição de temperatura, velocidade de solidificação ou outras características relacionadas à fusão, desejadas, de modo a controlar a microestrutura resultante da camada de peça de trabalho produzida.
[037] De acordo com um aspecto adicional, pelo menos um parâmetro para controlar a irradiação é substancialmente constante entre pelo menos algumas das camadas de pó de matéria prima subsequentes. Dito de modo diferente, as condições de irradiação podem ser mantidas substancialmente constantes pelo menos para algumas das camadas de pó de matéria prima subsequentemente depositadas nas quais a sequência de camadas de peça de trabalho é produzida. Evidentemente, isso pode também incluir manter mais de um parâmetro de irradiação constante. Como indicado anteriormente, isso se referir pelo menos a cerca de 50%, cerca de 75% ou mesmo cerca de 100% das camadas de pó de matéria prima subsequentes. Por manter os parâmetros de irradiação constantes, um crescimento cristalino único constante nos materiais fundidos pode mais confiavelmente ser obtido.
[038] A irradiação pode ser adicionalmente controlada dependendo do comportamento de cristalização do pó de matéria prima em tal maneira que camadas cristalinas única da peça de trabalho tridimensional são produzidas. Por conseguinte, o método pode ser usado para fabricar ou reparar peças de trabalho tendo uma microestrutura desejada e, em particular, uma microestrutura cristalina única. Por moldar a microestrutura da peça de trabalho de acordo, peças de trabalho tendo propriedades específicas mecânicas, térmicas, elétricas ou químicas podem ser fabricadas. Por exemplo, peças de trabalho exibindo uma resistência mecânica, química e térmica alta, em particular em temperaturas elevadas, podem ser obtidas.
[039] Em geral, o comportamento de cristalização de uma fusão, em particular uma fusão metálica, pode ser descrito, por exemplo, pelo denominado diagrama-v-G, em que a solidificação ou velocidade de crescimento de cristal v é traçada contra o gradiente de temperatura G, tipicamente em uma escala logarítmica dupla. Um diagrama-v-G pode ser medido ou calculado para qualquer material desejado, como é bem sabido na técnica e descrito, por exemplo, na publicação de J.D. Hunt intitulada “Steady State Columnar and Equiaxed Growth of Dendrites and Eutectic”, Materials Science and Engineering, vol. 65, 1984, páginas 75-83. No diagrama-v-G, regiões diferentes de combinações-v-G são associadas a propriedades microestruturais diferentes da fusão solidificada. Por exemplo, velocidades de crescimento de cristal ou solidificação altas e gradientes de temperatura baixa levam ao desenvolvimento de uma microestrutura globulítica policristalina, ao passo que velocidades de crescimento de cristal ou solidificação baixas em combinação com sub- resfriamento (local) da fusão devido a gradientes de temperatura alta resultam na formação de dendritas e cristais únicos. Novamente, no contexto da presente descrição, o referido gradiente de temperatura pode ser em geral produzido ao longo do eixo de construção e, em particular, ao longo de uma direção negativa do eixo de construção (por exemplo, uma direção-Z negativa).
[040] A irradiação de acordo com o presente método pode assim ser controlada de maneira que, dependendo do tipo de pó de matéria prima, uma combinação adequada da solidificação ou velocidade de crescimento de cristal e o gradiente de temperatura ocorrendo na fusão produzida por irradiar o pó com radiação de partícula ou eletromagnética é obtida para gerar a microestrutura desejada, por exemplo, uma microestrutura direcionalmente solidificada compreendendo substancialmente dendritas e/ou cristais únicos. Em particular, isso pode incluir gerar uma direção de crescimento de grão na camada da peça de trabalho tridimensional que corresponde a uma orientação de cristal do substrato (preferivelmente cristalino único) (por exemplo, por ser orientado ao longo do eixo de construção).
[041] Para fazer isso, qualquer um dos parâmetros de irradiação acima e/ou parâmetros operacionais de uma fonte de radiação ou de uma pluralidade respectiva de fontes de radiação bem como parâmetros de uma unidade ótica possível pode ser selecionado dependendo do comportamento de cristalização do pó de matéria prima, para moldar a microestrutura de uma peça de trabalho feita do referido pó de matéria prima por um método de construção de camada aditiva. Em outras palavras, a operação da(s) fonte(s) de radiação e/ou a(s) unidade(s) ótica pode ser controlada de tal maneira que, dependendo do pó de matéria prima e/ou tipo de substrato, uma combinação adequada da solidificação ou velocidade de crescimento de cristal e o gradiente de temperatura que ocorre na fusão produzida por irradiar o pó com radiação de partícula ou eletromagnética é obtida para gerar a microestrutura desejada (preferivelmente cristalina única).
[042] Por exemplo, a velocidade de mover (isto é, varrer) locais de irradiação através das camadas de pó de matéria prima, pode ser diminuída para promover a ocorrência de uma velocidade de crescimento de cristal ou solidificação baixa em combinação com um gradiente de temperatura alta na fusão produzida por irradiar o pó. Isso pode ajudar a obter uma microestrutura direcionalmente/dendriticamente solidificada ou substancialmente cristalina única na peça de trabalho gerada. Preferivelmente, a referida velocidade pode ser ajustada em menos de 1 m/s.
[043] Adicionalmente ou alternativamente ao mesmo, é concebível promover a ocorrência de uma velocidade de crescimento de cristal ou solidificação baixa em combinação com um gradiente de temperatura alta na fusão e assim a formação de uma microestrutura substancialmente cristalina única por definir a distância entre hachuras ao longo dos quais os locais de irradiação são dispostos em um valor adequado. Em outras palavras, a distância de hachura pode ser usada como um parâmetro para controlar a microestrutura resultante em uma maneira desejada. Preferivelmente, a distância de hachura pode ser definida em um valor que é menor que um diâmetro do feixe de radiação aplicado e/ou menor que 1 mm.
[044] Finalmente, uma saída da fonte de radiação, em particular uma potência de laser de uma fonte de laser, pode ser controlada de tal maneira que, dependendo do tipo de pó de matéria prima, uma combinação adequada da solidificação ou velocidade de crescimento de cristal e o gradiente de temperatura que ocorre na fusão produzida por irradiar o pó é obtida para gerar a microestrutura cristalina única desejada. Especificamente, a saída da fonte de radiação pode ser aumentada para promover a ocorrência de uma velocidade de crescimento de cristal ou solidificação baixa em combinação com um gradiente de temperatura alta na fusão e assim a formação de uma microestrutura substancialmente cristalina única na peça de trabalho gerada. Preferivelmente, a saída da fonte de radiação pode ser definida em um valor maior que cerca de 100 W, maior que cerca de 500 W, maior que cerca de 1000 W ou maior que cerca de 2000 W.
[045] Além disso, a deposição de uma camada de pó de matéria prima pode ser controlada de tal maneira que, dependendo do tipo de pó de matéria prima, uma combinação adequada da solidificação ou velocidade de crescimento de cristal e o gradiente de temperatura que ocorre na fusão produzida por irradiar o pó com radiação de partícula ou eletromagnética é obtida para gerar a microestrutura desejada. Em particular, a deposição de uma camada de pó de matéria prima pode ser controlada de modo a ajustar uma espessura de uma camada de pó de matéria prima depositada dependendo do comportamento de cristalização do pó de matéria prima, para moldar a microestrutura (preferivelmente cristalina única) de uma peça de trabalho feito do referido pó de matéria prima por um método de construção de camada aditiva.
[046] Por exemplo, a espessura da camada de pó de matéria prima depositada pode ser aumentada, se for desejado promover a ocorrência de uma velocidade de crescimento de cristal ou solidificação baixa em combinação com um gradiente de temperatura alta na fusão e assim a formação de uma microestrutura direcionalmente/dendriticamente solidificada ou substancialmente cristalina única na peça de trabalho gerada. Preferivelmente, a espessura da camada de pó de matéria prima aplicada sobre o transportador pode ser definida na faixa de 30 a 250 μm.
[047] Em geral, o ponto de fusão, as propriedades de fusão (por exemplo, a ausência ou presença de composições eutécticas em uma liga), a estrutura cristalográfica e propriedades adicionais de material do material empregado em forma pulverizada como a matéria prima para gerar uma peça de trabalho influenciam fortemente o diagrama-v-G e consequentemente a combinação da solidificação ou velocidade de crescimento de cristal e o gradiente de temperatura que ocorrem na fusão produzida por irradiar o pó que é adequado para obter uma microestrutura desejada na peça de trabalho, como uma estrutura cristalina única. Consequentemente, os parâmetros de irradiação atuais, os parâmetros de deposição de material (por exemplo, uma espessura de camadas de pó de matéria prima) e/ou um pré-aquecimento possível da camada de pó de matéria prima que têm de ser ajustados para gerar a microestrutura desejada na peça de trabalho podem variar significativamente em dependência do tipo de pó de matéria prima.
[048] Por exemplo, é facilmente concebível que a irradiação, pré- aquecimento ou parâmetros de deposição de material do dispositivo, o dispositivo de aplicação de pó e o dispositivo de aquecimento que têm de ser definidos por meio da unidade de controle para gerar uma microestrutura direcionalmente/dendriticamente solidificada ou substancialmente cristalina única em uma peça de trabalho feita de uma liga de alumínio significativamente diferem dos parâmetros que têm de ser definidos para gerar uma microestrutura direcionalmente/dendriticamente solidificada ou substancialmente cristalina única em uma peça de trabalho feita de aço ou uma superliga baseada em Ni, Co ou Fe. Faixas de valor adequadas, entretanto, podem ser obtidas, com base no ensinamento desse pedido por trabalho experimental como é comum para ser realizado por uma pessoa versada na técnica.
[049] De acordo com a presente invenção, a irradiação pode ser controlada de modo que uma taxa de refusão ao longo do eixo de construção Rz atende a seguinte condição: Rz > 0,3, com Rz= ((D-Iz)/D), Iz sendo a espessura de camada da camada de pó de matéria prima atualmente irradiada e D sendo uma profundidade de poça de fusão que ocorre como resultado da irradiação. Como anteriormente discutido, a taxa de refusão pode se referir a pelo menos parcialmente fundir uma camada de peça de trabalho já produzida (e/ou o substrato preferivelmente cristalino único) no topo da qual uma camada de pó de matéria prima mais recentemente e assim mais superior foi depositada. A espessura de camada Iz das camadas de pó de matéria prima depositadas pode ser uniforme por todo o processo de reparo ou produção completa. A profundidade de poça de fusão D pode se referir a uma profundidade medida ao longo do eixo de construção e/ou se refere à profundidade de matéria fundida formada por irradiar o pó de matéria prima.
[050] Adicionalmente ou alternativamente, a irradiação pode ser controlada de modo que uma taxa de refusão no plano de uma camada de pó de matéria prima atualmente irradiada Rx atende a seguinte condição; Rx > 0,3, com Rx = ((W-dy)/W), W sendo uma largura de poça de fusão e dy sendo uma distância entre locais de irradiação adjacentes da camada de pó de matéria prima. A largura de poça de fusão W pode ser medida no plano da camada de pó de matéria prima atualmente irradiada e, por exemplo, estender substancialmente perpendicularmente até a profundidade de poça de fusão D. A distância dy pode se referir a ou ser definida por vetores adjacentes ao longo dos quais locais de irradiação respectivos são dispostos, os referidos vetores formando vetores de hachura ou varredura como anteriormente discutido. Por conseguinte, o material que foi fundido e solidificado por um movimento ao longo de um primeiro vetor pode se pelo menos parcialmente fundido novamente por um movimento ao longo de um segundo vetor preferivelmente diretamente adjacente.
[051] O inventor descobriu que se atender a qualquer das condições acima com relação às taxas de refusão, uma microestrutura cristalina única da peça de trabalho gerada pode mais confiavelmente ser obtida.
[052] De acordo com um exemplo adicional, o substrato atende a pelo menos uma das seguintes condições: - o substrato cobre pelo menos cerca de 0,1%, pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 25%, pelo menos cerca de 50%, pelo menos cerca de 75%, ou cerca de 100% de uma área de construção que está disponível para produzir ou reparar a peça de trabalho; - o substrato é configurado como um elemento substancialmente planar e, por exemplo, define um plano substancialmente retangular; - uma espessura do substrato ao longo do eixo de construção não é maior que cerca de 1000 mm, não maior que cerca de 200 mm, não maior que cerca de 100 mm, não maior que cerca de 50 mm ou não maior que cerca de 10 mm, - o substrato é uma peça de trabalho de cristal único que, por exemplo, necessita ser reparado.
[053] Se fornecer o substrato como um elemento planar, o plano definido desse modo pode ser disposto de modo a estender substancialmente em paralelo a um transportador e/ou a área de construção discutida acima. o mesmo pode se aplicar a camadas de pó de matéria prima que são depositadas sobre o referido substrato.
[054] Ao contrário, no caso de ser fornecido como uma peça de trabalho a ser reparada, o substrato pode assumir uma forma tridimensional mais complexa e compreender certas regiões nas quais as camadas de peça de trabalho necessitam ser pelo menos parcialmente recuperadas. A peça de trabalho a ser reparada pode ter sido formada por solidificar camadas de pó de matéria prima, por exemplo, por fusão a laser seletiva.
[055] O método pode compreender ainda a etapa de separar a peça de trabalho produzida a partir do substrato e, opcionalmente, reutilizar o substrato para a produção de uma peça de trabalho adicional. A separação a partir do substrato pode ser necessária para superar a ligação metalúrgica. A separação pode envolver uma etapa de cortar através de uma região de fusão ou contorno entre a peça de trabalho e o substrato. Adicionalmente ou alternativamente, forças mecânicas podem ser aplicadas, por exemplo, para puxar o substrato e peça de trabalho separados. Como somente uma camada de substrato fina poderia ter sido fundida com a peça de trabalho para produzir a ligação metalúrgica, o substrato pode ser utilizado novamente para a produção de peça de trabalho adicional. A referida peça de trabalho adicional pode ser produzida similarmente às etapas de método acima.
[056] O método pode compreender ainda a etapa de pré-aquecer uma camada de pó de matéria prima depositada antes de irradiar a mesma para produzir uma camada de peça de trabalho. Isso pode se referir à primeira camada de pó de matéria prima ou qualquer de uma sequência possível de camadas de pó de matéria prima adicionais sendo depositada e irradiada. O preaquecimento pode ser obtido por um dispositivo de preaquecimento separado ou por um feixe de radiação emitido pelo mesmo dispositivo de irradiação usado para irradiar efetivamente (e fundir) o pó de matéria prima para produzir uma camada de peça de trabalho. A temperatura de preaquecimento do pó de matéria prima pode ser selecionada dependendo do comportamento de cristalização do pó de matéria prima, para moldar a microestrutura de uma peça de trabalho feita do referido pó de matéria prima por um método de construção de camada aditiva.
[057] De acordo com um aspecto adicional, um padrão de irradiação unidirecional é usado. Isso pode se referir a qualquer uma das primeiras ou possíveis camadas de pó de matéria prima subsequentes sendo irradiadas por um padrão de irradiação unidirecional respectivo. Como bem sabido, tal padrão de radiação inclui um movimento de locais de irradiação através de uma área de irradiação somente em uma direção comum (por exemplo, ao longo de vetores de hachura ou varredura comumente orientados). Em particular, a direção pode ser mantida para irradiar cada das camadas de peça de trabalho depositadas. O inventor descobriu que isso resulta em uma direção unificada de introduzir calor no material, o que pode ser vantajoso para produzir peças de trabalho cristalinas únicas. Contudo, também é concebível, adicionalmente ou alternativamente, usar padrões de irradiação de múltiplas direções para pelo menos algumas camadas de pó de matéria prima, os referidos padrões, por exemplo, compreendendo vetores de hachura ou varredura opostamente orientados.
[058] Além disso, o uso de um substrato (preferivelmente cristalino único) como um substrato para depositar pó de matéria prima sobre o mesmo é proposto, a referida camada de pó de matéria prima sendo irradiada para produzir ou reparar uma peça de trabalho tridimensional de acordo com um processo de disposição em camadas aditivo, como fusão a laser seletiva. Evidentemente, o processo de disposição em camadas aditivo pode incluir depositar e irradiar camadas de pó de matéria prima únicas como discutido acima. o uso pode incluir ainda qualquer das características, etapas ou aspectos acima para fornecer quaisquer dos efeitos relacionados ou estados operacionais. Por exemplo, o uso pode incluir ainda usar um substrato preferivelmente cristalino único para um processo de disposição em camadas aditivo, como fusão a laser seletivo, em que uma orientação de cristal do substrato (preferivelmente, cristalino único) corresponde substancialmente a um eixo de construção da peça de trabalho a ser produzida ou reparada.
[059] Ainda adicionalmente, um aparelho é proposto para produzir ou reparar uma peça de trabalho tridimensional, o aparelho compreendendo: - pelo menos um substrato; - um dispositivo de aplicação de pó adaptado para depositar uma primeira camada de um pó de matéria prima sobre o substrato; e - um dispositivo de irradiação adaptado para irradiar áreas selecionadas da camada de pó de matéria prima depositada com um feixe de radiação eletromagnética ou de partículas em uma maneira seletiva de local de acordo com um padrão de irradiação que corresponde a uma geometria de uma camada da peça de trabalho tridimensional a ser produzida, e - uma unidade de controle adaptada para controlar o dispositivo de irradiação de modo a produzir uma ligação metalúrgica entre o substrato e a camada de pó de matéria prima depositada sobre o mesmo.
[060] O aparelho pode compreender qualquer das características, dispositivos, unidades ou outros aspectos anteriormente ou subsequentemente discutidos. Isso se refere em particular a quaisquer características, dispositivos ou unidades sendo necessárias para obter quaisquer dos efeitos anteriormente ou subsequentemente discutido ou estados operacionais ou executar quaisquer das etapas de método relevantes. Em particular, o substrato pode ser um substrato cristalino único.
[061] Por exemplo, o aparelho pode compreender um dispositivo de separação para separar as camadas de substrato e peça de trabalho após completar a produção ou reparo da peça de trabalho.
[062] A seguir, modalidades preferidas da invenção são explicadas em maior detalhe com referência aos desenhos esquemáticos em anexo, nos quais: Figura 1 mostra um aparelho para produzir peças de trabalho tridimensionais, Figura 2 mostra, em forma esquemática, um diagrama-v-G, em que a solidificação ou velocidade de crescimento de cristal v em uma fusão metálica é traçada contra o gradiente de temperatura G na fusão.
[063] A figura 1 mostra um aparelho 10 para produzir peças de trabalho tridimensionais por fusão a laser seletiva (SLM®). O aparelho 10 compreende uma câmara de processo 12 que pode ser vedada contra a atmosfera ambiente de modo que uma atmosfera de gás inerte, por exemplo, uma atmosfera de argônio, pode ser estabelecida na câmara de processo 12. Um dispositivo de aplicação de pó 14 serve para aplicar um pó de matéria prima por liberar o mesmo acima de um transportador 16. O transportador 16 é projetado para ser deslocável em direção vertical de modo que, com altura de construção crescente de uma peça de trabalho, quando é construído em camadas a partir do pó de matéria prima no transportador 16, o transportador 16 pode ser movido para baixo na direção vertical (em uma direção-Z negativa).
[064] No topo do transportador, um substrato cristalino único 15 é disposto que é móvel juntamente com o transportador 16. O dispositivo de aplicação de pó 14 deposita uma primeira camada de pó de matéria prima diretamente sobre o referido substrato 15. Além disso, as camadas de pó de matéria prima podem ser então subsequentemente depositadas sobre o topo da referida primeira camada de pó de matéria prima de acordo com processos de fabricação de camada aditiva conhecidos e especialmente de acordo com processos SLM conhecidos. A peça de trabalho a ser produzida pode ser assim construída em uma direção positiva ao longo do eixo-Z vertical da figura 1 que forma um eixo de construção.
[065] O substrato 15 é fornecido com uma orientação de cristal uniforme que corresponde ao eixo de construção, assim estendendo ao longo do eixo-Z. Diferente disso, o substrato 15 estende no plano X-Y da figura 1 e cobre completamente uma área de construção que pode ser usada para gerar camadas de peça de trabalho.
[066] O aparelho 10 compreende ainda um dispositivo de irradiação 18 para seletivamente irradiar radiação a laser sobre o pó de matéria prima depositado. Por meio do dispositivo de irradiação 18, o pó de matéria prima depositado pode ser submetido à radiação a laser em uma maneira seletiva de local dependendo da geometria desejada da peça de trabalho que deve ser produzida. O dispositivo de irradiação 18 tem um alojamento hermeticamente vedável 20. Um feixe laser 22 fornecido por uma fonte de laser 24 que pode, por exemplo, compreende um laser de fibra itérbio bombeado por diodo que emite luz laser em um comprimento de onda de aproximadamente 1070 a 1080 nm é dirigido no alojamento 20 através de uma abertura 26.
[067] O dispositivo de irradiação 18 compreende ainda uma unidade ótica 28 para guiar e processar o feixe laser 22, a unidade ótica 28 compreendendo elementos óticos como um expansor de feixe 30 para expandir o feixe laser 22, uma lente de focagem 32 para focar o feixe laser 22 em um ponto de foco e uma unidade de varredura 34. A unidade de varredura 34 e a lente de foco 32 são mostradas por via de exemplo na forma de uma varredura de galvanômetro e uma lente objetiva f-teta. Por meio da unidade de varredura 34, a posição do feixe laser 22 pode ser alterada e adaptada para mover o referido feixe através de uma camada de pó de matéria prima depositada. Por exemplo, o dispositivo de irradiação 18 pode ser um dispositivo de irradiação como descrito em EP 2 335 848 A1.
[068] Além disso, o aparelho 10 compreende um dispositivo de aquecimento 37 para pré-aquecer o pó de matéria prima antes de irradiar o feixe laser 22 sobre o pó de matéria prima.
[069] Finalmente, o aparelho 10 compreende uma unidade de controle 38 que é adaptada para controlar a operação do dispositivo de aplicação de pó 14 e o dispositivo de irradiação 18 dependendo do comportamento de cristalização do pó de matéria prima, para moldar a microestrutura de uma peça de trabalho feita do referido pó de matéria prima por um método de construção de camada aditiva. O comportamento de cristalização de uma fusão metálica, pode ser descrito um diagrama-v-G, que, em forma esquemática, é ilustrado na Figura 2. No diagrama-v-G, uma solidificação ou velocidade de crescimento de cristal v é traçado contra o gradiente de temperatura G, tipicamente em uma escala logarítmica dupla. Um diagrama-v-G pode ser medido ou calculado para qualquer material desejado, como bem sabido na técnica. No diagrama-v-G esquemático da Figura 2, uma curva C separa uma região areal do diagrama, em que a combinação de velocidades de crescimento de cristal ou solidificação altas e gradientes de temperatura baixa levam ao desenvolvimento de microestrutura globulítica policristalina, a partir de uma região areal do diagrama, e que a combinação de velocidades de crescimento de cristal ou solidificação baixas e sub-resfriamento (local) da fusão devido a gradientes de temperatura alta resulta na formação de dendritas e cristais únicos. Com relação à presente modalidade, esses gradientes de temperatura se referem particularmente a gradientes de temperatura na direção-Z negativa da Fig. 1.
[070] A unidade de controle 38 do aparelho 10 é assim adaptada para controlar a operação do dispositivo de aplicação de pó 14 e o dispositivo de irradiação 18 de tal maneira que, dependendo do tipo de pó de matéria prima, uma combinação adequada da solidificação ou velocidade de crescimento de cristal e o gradiente de temperatura ocorrendo na fusão produzida por irradiar o pó com o feixe laser 22 é obtida para gerar a microestrutura desejada, e em particular uma microestrutura direcionalmente solidificada compreendendo substancialmente dendritas e/ou cristais únicos.
[071] Especificamente, a unidade de controle 38 é adaptada para controlar a fonte laser 24 e a unidade ótica 28 de modo a ajustar parâmetros operacionais diferentes da fonte laser 24 e a unidade ótica 28 dependendo do comportamento de cristalização do pó de matéria prima para moldar a microestrutura de uma peça de trabalho feita do referido pó de matéria prima por um método de construção de camada aditiva. Os parâmetros operacionais da fonte laser 24 e unidade ótica 28 que podem ser controlados por meio da unidade de controle 38 incluem um tamanho de feixe, em particular um diâmetro de feixe, do feixe laser 22 irradiado sobre o pó de matéria prima aplicado sobre o transportador 16 e um perfil de feixe de um feixe laser 22 irradiado sobre o pó de matéria prima aplicado sobre o transportador 16.
[072] Por exemplo, o tamanho de feixe do feixe laser 22 pode ser aumentado sob o controle da unidade de controle 38 para promover a ocorrência de uma velocidade de crescimento de cristal ou solidificação baixa em combinação com um gradiente de temperatura alta na fusão produzida por irradiar o pó e assim obter uma microestrutura direcionalmente/dendriticamente solidificada ou substancialmente cristalina única na peça de trabalho gerada. Adicionalmente ou alternativamente à mesma, é concebível promover a ocorrência de uma velocidade de crescimento de cristal ou solidificação baixa em combinação com um gradiente de temperatura alta na fusão e desse modo a formação de uma microestrutura direcionalmente/dendriticamente solidificada ou substancialmente cristalina única na peça de trabalho gerada por alterar o perfil de feixe do feixe laser 22.
[073] Além disso, os parâmetros operacionais da fonte de laser 24 e/ou a unidade ótica 28 que pode ser controlada por meio da unidade de controle 38 incluem uma velocidade de movimento de um local de irradiação (atualmente correspondendo a uma velocidade de varredura) através do pó de matéria prima depositado e/ou um padrão de varredura ou radiação do feixe laser 22. Por exemplo, a velocidade de movimento pode ser definida sob o controle da unidade de controle 38 para promover a ocorrência de uma velocidade de crescimento de cristal ou solidificação baixa em combinação com um gradiente de temperatura alta na fusão produzida por irradiar o pó e para desse modo obter uma microestrutura direcionalmente/dendriticamente solidificada ou substancialmente cristalina única na peça de trabalho gerada. Para fazer isso, uma velocidade de movimento entre 50-500 mm/s pode ser escolhida. Adicionalmente ou alternativamente à mesma, é concebível promover a ocorrência de uma velocidade de crescimento de cristal ou solidificação baixa em combinação com um gradiente de temperatura alta na fusão e assim a formação de uma microestrutura solidificada direcionalmente/dendriticamente ou substancialmente cristalina única na peça de trabalho gerada por definir a distância entre hachuras ao longo dos quais o feixe laser 22 é guiado sobre a superfície de pó. A referida distância pode ser escolhida para ser menor que um diâmetro de feixe do feixe laser 22 ou, como exemplo geral, pode ser menor que 1 mm.
[074] Finalmente, uma potência de laser da fonte de laser 24 pode ser controlada por meio da unidade de controle 38 de tal maneira que, dependendo do tipo de pó de matéria prima, uma combinação adequada da solidificação ou velocidade de crescimento de cristal e o gradiente de temperatura que ocorre na fusão produzida por irradiar o pó é obtida para gerar a microestrutura desejada. Especificamente, a potência de laser da fonte de laser 24 pode ser aumentada sob o controle da unidade de controle 38 para promover a ocorrência de uma velocidade de crescimento de cristal ou solidificação baixa em combinação com um gradiente de temperatura alta na fusão e assim a formação de uma microestrutura direcionalmente/dendriticamente solidificada ou substancialmente cristalina única na peça de trabalho gerada.
[075] A unidade de controle 38 é adicionalmente adaptada para controlar a operação do transportador 16 em conexão a uma operação do dispositivo de aplicação de pó 14 de modo a ajustar uma espessura de uma camada de pó de matéria prima aplicada sobre o transportador 16 dependendo do comportamento de cristalização do pó de matéria prima, para moldar a microestrutura de uma peça de trabalho feita do referido pó de matéria prima por um método de construção de camada aditiva. Por exemplo, a operação do transportador 16 pode ser controlada de modo a mover por uma quantidade predeterminada na direção-Z negativa, a referida quantidade correspondendo à espessura da camada de pó de matéria prima sendo depositada por meio do dispositivo de aplicação de pó 14. Especificamente, a espessura da camada de pó de matéria prima aplicada sobre o transportador pode ser definida em um valor entre 50-250 μm, se for desejado promover a ocorrência de uma velocidade de crescimento de cristal ou solidificação baixa em combinação com um gradiente de temperatura alta na fusão e assim a formação de uma microestrutura direcionalmente/dendriticamente solidificada ou substancialmente cristalina única na peça de trabalho gerada.
[076] Além disso, a unidade de controle é adaptada para controlar o dispositivo de aquecimento 37 de modo a ajustar uma temperatura de preaquecimento do pó de matéria prima dependendo do comportamento de cristalização do pó de matéria prima, para moldar a microestrutura de uma peça de trabalho feita do referido pó de matéria prima por um método de construção de camada aditiva.
[077] Finalmente, a unidade de controle 38 é adaptada para controlar quaisquer dos parâmetros acima discutidos de modo que uma direção de crescimento de grão das camadas de pó de matéria prima irradiadas e desse modo fundida corresponde a uma orientação de cristal do substrato 15. No presente caso, isso significa que a unidade de controle 38 define os parâmetros acima de modo que uma direção de crescimento de grão ao longo do eixo de construção seja obtida.
[078] Em resumo, o substrato cristalino único 15 promove assim uma microestrutura cristalina única das camadas de peça de trabalho produzidas a partir do pó de matéria prima depositado sobre as mesmas. Essa microestrutura cristalina única e o crescimento de grão associado é mantido durante depósito e irradiação de camadas de pó de matéria prima subsequentes por meio de definir adequadamente os parâmetros acima discutidos com a unidade de controle 38.
[079] Para fazer isso, uma camada de superfície superior muito fina do substrato cristalino único 15 é fundida ao irradiar uma camada de pó de matéria prima sendo depositada primeiramente e diretamente sobre o substrato 15. Desse modo, uma ligação metalúrgica se forma entre a referida camada de superfície do substrato cristalino único 15 e o material de pó fundido da primeira camada. Devido ao substrato 15 ter uma orientação de cristal preferida, a microestrutura do material de pó fundido também crescerá epitaxialmente ao longo dessa orientação para produzir a peça de trabalho cristalina única geral. Em geral, não é obrigatório que o substrato 15 tenha uma microestrutura cristalina única respectiva. Entretanto, isso pode permitir uma produção particularmente eficiente de uma microestrutura cristalina única na camada de peça de trabalho produzida. Exemplo 1
[080] Uma peça de trabalho predominantemente cristalina única tendo uma altura ao longo do eixo de construção Z de aproximadamente 10 mm foi gerada a partir do material IN738LC com o dispositivo da figura 1. Esse material foi usado tanto para o substrato 15 como o pó de matéria prima depositado sobre o mesmo.
[081] Alternativamente, o substrato e material de pó podem ter uma composição química diferente entre si, em que o substrato é preferivelmente cristalino único.
[082] Para produzir peças de trabalho com base nesse material de pó e substrato, faixas adequadas para os parâmetros de processo relevante foram identificadas. Especificamente, a potência de laser foi definida em 500-1000 W, a velocidade de varredura foi definida em 50-500 mm/s, uma distância de hachura entre vetores de varredura adjacentes foi definida em 100-500 μm e a espessura de camada do pó de matéria prima depositado foi definida em 50-250 μm.
[083] Além disso, esses parâmetros foram definidos de modo que uma taxa de refusão Rz ao longo do eixo de construção Z atenda a seguinte condição: Rz > 0,3 e uma taxa de refusão no plano de uma camada de pó de matéria prima atualmente irradiada Rx atende a seguinte condição: Rx > 0,3. As referidas taxas de refusão são determinadas como discutido acima. além disso, verificou-se que bons resultados são ainda obtidos ao definir somente uma das taxas de refusão dessa maneira.
[084] Em geral, de acordo com esse exemplo, uma peça de trabalho cristalina única foi produzida com uma qualidade aperfeiçoada e uma confiabilidade maior enquanto usa o substrato (preferivelmente cristalino único) 15.

Claims (14)

1. Método para produzir ou reparar uma peça de trabalho metálica tridimensional tendo uma microestrutura cristalina única, o método caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas: - fornecer pelo menos um substrato cristalino único (15); - depositar uma primeira camada de um pó de matéria prima metálica sobre o substrato (15); e - irradiar áreas selecionadas da camada de pó de matéria prima depositada com um feixe de radiação eletromagnética ou de partícula (22) em uma maneira seletiva de local de acordo com um padrão de irradiação que corresponde a uma geometria de pelo menos parte de uma camada da peça de trabalho tridimensional a ser produzida, em que - a irradiação é controlada de modo a produzir uma ligação metalúrgica entre o substrato (15) e a camada de pó de matéria prima depositada sobre o mesmo, e a irradiação é controlada de modo que o seguinte se aplica: - uma taxa de refusão no plano de uma camada de pó de matéria prima atualmente irradiada Rx atende a seguinte condição: Rx > 0,3, com Rx = ((W- dy)/W), W sendo uma largura de poça de fusão e dy sendo uma distância entre locais de irradiação adjacentes da camada de pó de matéria prima, em que a distância dy é definida por vetores de varredura adjacentes ao longo dos quais locais de irradiação respectivos são dispostos, em que as poças de fusão que são produzidas como resultado de mover o feixe de radiação (22) ao longo da varredura adjacente ou de vetores de hachura se sobrepõem entre si no plano da camada de pó de matéria prima atualmente irradiada e os resultados de refusão da referida sobreposição.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que após completar irradiação da primeira camada de pó de matéria prima, múltiplas sequências de depósito e irradiação de camadas de pó de matéria prima subsequentes são executadas, para sucessivamente construir a peça de trabalho ao longo de um eixo de construção (Z).
3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que uma taxa de refusão ao longo do eixo de construção (Z), Rz atende a seguinte condição: Rz > 0,3, com Rz = ((D-Iz/D), Iz sendo a espessura de camada da camada de pó de matéria prima atualmente irradiada e D sendo uma profundidade de poça de fusão ocorrendo como resultado da irradiação.
4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de: - ajustar a orientação de cristal do substrato cristalino único (15) de modo a corresponder ao eixo de construção (Z).
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de: - ajustar uma orientação de cristal do substrato cristalino único (15) e uma direção de crescimento de grão na camada da peça de trabalho tridimensional ocorrendo após irradiar a referida camada de modo a corresponderem entre si.
6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos seguintes parâmetros é usado para controlar a irradiação: - um tamanho de feixe, um estado de desfocagem e/ou um perfil de feixe do feixe de radiação eletromagnética ou de partícula (22), - um tempo de exposição das áreas selecionadas de um pó de matéria prima depositado ao feixe de radiação eletromagnética ou de partícula (22), - o padrão de irradiação, - uma velocidade de mover um local de irradiação através de uma camada de pó de matéria prima depositada, e - uma entrada de energia do feixe de radiação eletromagnética ou de partícula (22) nas áreas selecionadas da camada de pó de matéria prima aplicada sobre o substrato (15).
7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que pelo menos um parâmetro é constante entre pelo menos algumas das camadas de pó de matéria prima subsequentes.
8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a irradiação é controlada dependendo do comportamento de cristalização do pó de matéria prima de tal maneira que camadas cristalinas únicas da peça de trabalho tridimensional sejam produzidas.
9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o substrato (15) atende pelo menos uma das seguintes condições: - o substrato (15) cobre pelo menos 0,1%, pelo menos 10%, pelo menos 25%, pelo menos 50%, pelo menos 75% ou 100% de uma área de construção que é disponível para depositar camada de pó de matéria prima sobre a mesma para produzir a peça de trabalho; - o substrato (15) é configurado como um elemento planar e, por exemplo, define um plano retangular; - uma espessura do substrato (15) ao longo do eixo de construção (Z) não é maior que 1000 mm, não maior que 200 mm, não maior que 100 mm, não maior que 50 mm ou não maior que 10 mm, - o substrato (15) é uma peça de trabalho de cristal único que, por exemplo, necessita ser reparada.
10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de separar a peça de trabalho produzida a partir do substrato (15) e opcionalmente, reutilizar o substrato (15) para a produção de uma peça de trabalho adicional.
11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de pré-aquecer uma camada de pó de matéria prima depositada antes de irradiá-la para produzir uma camada de peça de trabalho.
12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que um padrão de irradiação unidirecional ou um padrão de irradiação multidirecional é usado.
13. Aparelho (10) para produzir ou reparar uma peça de trabalho metálica tridimensional tendo uma microestrutura cristalina única, o aparelho (10) caracterizado pelo fato de que compreende: - pelo menos um substrato cristalino único (15); - um dispositivo de aplicação de pó (14) adaptado para depositar uma primeira camada de um pó de matéria prima metálica sobre o substrato (15); e - um dispositivo de irradiação (20) adaptado para irradiar áreas selecionadas da camada de pó de matéria prima depositada com um feixe de radiação eletromagnética ou de partícula (22) em uma maneira seletiva de local de acordo com um padrão de irradiação que corresponde a uma geometria de uma camada da peça de trabalho tridimensional a ser produzida, e - uma unidade de controle (38) adaptada para controlar o dispositivo de irradiação (20) de modo a produzir uma ligação metalúrgica entre o substrato (15) e a camada de pó de matéria prima depositada sobre o mesmo, e - a unidade de controle (38) controlando o dispositivo de irradiação (20) de modo que o seguinte se aplique: -uma taxa de refusão no plano de uma camada de pó de matéria prima atualmente irradiada Rx atende a seguinte condição: Rx > 0,3, com Rx=((W- dy)/W), W sendo uma largura de poça de fusão e dy sendo uma distância entre locais de irradiação adjacentes da camada de pó de matéria prima, em que a distância dy é definida por vetores de varredura adjacentes ao longo da qual locais de irradiação respectivos são dispostos, em que as poças de fusão que são produzidas como um resultado de mover o feixe de radiação (22) ao longo da varredura adjacente ou de vetores de hachura se sobrepõem entre si no plano da camada de pó de matéria prima atualmente irradiada e os resultados de refusão da referida sobreposição.
14. Aparelho, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que uma taxa de refusão ao longo do eixo de construção (Z) Rz atende a seguinte condição: Rz > 0,3 com Rz = ((D-Iz)/D), Iz sendo a espessura de camada da camada de pó de matéria prima atualmente irradiada e D sendo uma profundidade de poça de fusão ocorrendo como um resultado da irradiação.
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