DE102014224442A1

DE102014224442A1 - Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils mit einer eine Vorzugsorientierung des Gefüges hervorrufenden Gefügetextur und Anlage für ein additives pulverbettbasiertes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102014224442A1
Application number: DE102014224442.0A
Authority: DE
Inventors: Oliver Hofacker; Ursus Krüger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2016-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils (11) mit einer Vorzugsorientierung (30) des Gefüges (Textur). Außerdem betrifft die Erfindung eine Anlage für ein pulverbettbasiertes additives Herstellen von Bauteilen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass eine solche Anlage verwendet wird. Erfindungsgemäß wird in einem Pulverbett die Herstellung Lage um Lage auf einem Substrat (13) durchgeführt, wobei die Textur (28) als Textur (28‘) auf das Bauteil übertragen wird. Dies erfolgt durch Aufschmelzen der Pulverpartikel, wobei eine Vorzugsorientierung (30) des Gefüges herstellbar ist. Auf diesem Wege lassen sich vorteilhaft kostengünstig texturierte Bauteile herstellen. Beispiele für solche Bauteile sind Solarzellenmaterialien oder Tubinenbauteile.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils mit einer eine Vorzugsorientierung des Gefüges hervorrufenden Gefügetextur. Außerdem betrifft die Erfindung eine Anlage für ein additives pulverbettbasiertes Herstellungsverfahren, welche eine Bauplattform als Substrat für ein Pulverbett aufweist.
Ein Verfahren der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise durch R. Goodall et al. „Fabrication of cube-textured Agbuffered Ni substrates by electro-epitaxial deposition" in Superconductor Science and Technology 14 (2001), Seiten 124 bis 129 beschrieben. Danach können Substrate z. B. für die Abscheidung eines Hochtemperatursupraleiters der Summenformel YBa₂Cu₃O_x (X kann beispielsweise 7 sein) verwendet werden. Auch Substrate mit anderen Gefügetexturen mit Vorzugsorientierung können auf diesem Wege hergestellt werden. Die Erzeugung dieser Substrate ist jedoch zeitaufwendig, was sich insbesondere auf eine großtechnische Herstellung negativ auswirkt.
Eine erste Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, ein Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils mit einer eine Vorzugsorientierung des Gefüges hervorrufenden Gefügetextur anzugeben, mit dem die Herstellung des Bauteils vergleichsweise schnell erfolgen kann.
Aus der EP 1 355 760 B1 ist außerdem ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen von metallischen Werkstoffen bekannt. Dieses wird mit einer Anlage für additives pulverbettbasiertes Herstellungsverfahren mit einer Bauplattform als Substrat für ein Pulverbett durchgeführt, wobei in dem Pulverbett das herzustellende Bauteil entsteht. Das Pulver des Pulverbetts wird zur Herstellung des Bauteils lokal aufgeschmolzen und erstarrt unter Ausbildung des betreffenden Bauteilbereiches relativ schnell.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anlage für ein additives pulverbettbasiertes Herstellungsverfahren so weiterzubilden, dass diese ein vergleichsweise großes Einsatzgebiet aufweist.
Die erstgenannte Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass für die Herstellung des Bauteils ein pulverbettbasiertes additives Herstellungsverfahren genutzt wird. Für die Herstellung des Bauteils wird erfindungsgemäß ein Pulverbett Lage um Lage auf einem Substrat mit einer der im Bauteil zu erzeugenden Gefügetextur entsprechenden Gefügetextur und mit der gleichen Ausrichtung der Vorzugsorientierung, wie im herzustellenden Bauteil gefordert, aufgetragen. Das Bauteil wird dann durch jeweiliges lokales Aufschmelzen der Lage ausgebildet, wobei es sich überraschenderweise gezeigt hat, dass hierbei die Gefügetextur von dem Substrat oder von bereits ausgebildeten Bereichen des Bauteils übertragen wird. Das Ergebnis ist damit erfindungsgemäß ein Bauteil, welches eine vorhersehbare Gefügetextur aufweist und auf diesem Wege auf ein bestimmtes Anforderungsprofil zugeschnitten werden kann.
Der Grund für die Übernahme der Gefügetextur wird darin gesehen, dass das Pulver lokal aufgeschmolzen wird und während der Erstarrung eine Ausrichtung des Gefüges mit Vorzugsorientierung entsprechend der Gefügetextur in dem Substrat übernommen wird. Dabei ist es nicht notwendig erforderlich, dass das Substrat und das herzustellende Bauteil aus demselben Material bestehen. Es ist lediglich erforderlich, dass die Vorzugsorientierungen der Gefügetextur des Substrats das in Ausbildung befindliche Bauteil im erzeugten Schmelzbad derart beeinflussen, dass das Schmelzbad gerichtet erstarrt und auf diesem Wege die Gefügetextur übernimmt. Wenn im Folgenden von der Gefügetextur die Rede ist, ist immer eine Gefügetextur mit einer Vorzugsorientierung gemeint.
Im weiteren Verlauf der Herstellung des Bauteils werden auf bereits hergestellten Lagen des Bauteils neue Lagen ausgebildet. Diese weisen zwar keinen Kontakt zum Substrat auf, jedoch weist das in Entstehung befindliche Bauteil in seinen bereits fertiggestellten Lagen die gewünschte Gefügetextur auf, die dann in die jeweils folgenden Lagen des Bauteils übernommen wird.
Vorteilhaft ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Laserschmelzen oder einem Elektronenstrahlschmelzen möglich. Beim Laserschmelzen wird das Pulverbett mittels eines Laserstrahls, beim Elektronenstrahlschmelzen mittels eines Elektronenstrahls aufgeschmolzen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann überdies vorgesehen werden, dass die Abkühlgeschwindigkeit des Bauteils verlangsamt wird, indem dem Pulverbett neben einer zum lokalen Aufschmelzen notwendigen Energiemenge noch eine weitere Energiemenge zugeführt wird. Vorteilhaft kann diese weitere Energiemenge durch einen Hilfsenergiestrahl zugeführt werden. Dieser kann insbesondere aus einem Elektronenstrahl oder einem Laserstrahl bestehen, der dem Hauptenergiestrahl zum Aufschmelzen der Lage nachgeführt wird. Auch der Hauptenergiestrahl kann insbesondere ein Laserstrahl (dann handelt es sich um ein Laserschmelzen) oder ein Elektronenstrahl (dann handelt es sich um einen Elektronenschmelzen) sein.
Durch Nachführen des Hilfsenergiestrahls wird vorteilhaft erreicht, dass das Schmelzbad, nachdem der Hauptenergiestrahl dieses verlassen hat, langsamer erstarrt und abkühlt. Die verhältnismäßig hohen Abkühlgeschwindigkeiten, die mit den pulverbettbasierten additiven Herstellungsverfahren verbunden sind, können Prozesse der Kristallorientierung bedingt durch die Textur des Substrats verhindern, wenn die mit der Vorzugsorientierung im in Entstehung befindlichen Bauteil verbundenen Organisationsprozesse für einen längeren Zeitraum ein genügendes Energieniveau brauchen. Dies kann jedoch durch eine Nachbehandlung mittels eines Hilfsenergiestrahls oder durch die anderweitige Einbringung einer weiteren Energiemenge gewährleistet werden. Die Energiemenge kann beispielsweise auch durch eine Beheizung des Pulverbetts bereitgestellt werden, wobei mit dieser Beheizung auch vor der Erzeugung des Schmelzbads bereits begonnen werden kann. Ein Verfahren hierzu ist in der oben genannten EP 1 355 760 B1 beschrieben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Partikel des Pulverbetts die chemischen Bestandteile eines Solarzellenmaterials, insbesondere CIS enthalten und das Substrat eine Gefügetextur aufweist, die derjenigen der zu erzeugenden Solarzelle entspricht. Mit diesem Verfahren lassen sich somit Solarzellen herstellen, bei der entsprechende Substrate mit dem Solarzellenmaterial beschichtet werden. Bei CIS handelt es sich um Kupfer-Indium-Diselenid (CIS kommt von der englischen Bezeichnung Copper Indium Diselenid), wobei es sich bei dieser Verbindung um einen aussichtsreichen Kandidaten zur Erreichung vergleichsweise hoher Wirkungsgrade handelt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Solarzelle zusätzlich mit einer Gefügetextur versehen wird, die die Erzeugung eines technischen Einkristalls erlaubt. Hierdurch lässt sich der Wirkungsgrad der Solarzelle weiter steigern.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Partikel des Pulverbetts die chemischen Bestandteile eines Turbinenbauteils, insbesondere einer Turbinenschaufel, enthalten und das Substrat eine Gefügetextur aufweist, die derjenigen des zu erzeugenden Turbinenbauteils entspricht. Als Gefügetextur kann beispielsweise eine kolumnare Gefügestruktur hergestellt werden. Hierbei handelt es sich um einen Aufbau des Gefüges, bei dem die einzelnen Gefügebestandteile säulenartig nebeneinander angeordnet sind. Während das Bauteil durch das additive Herstellungsverfahren hergestellt wird, wächst jeweils diejenige Säule, die mit dem Schmelzbad in Verbindung steht, so dass die Säulen, die in einem Winkel ungleich 0° zur Ausrichtung der Lagen des Bauteils verlaufen, bei jeder Herstellung einer neuen Lage ein weiteres Stück wachsen. Bevorzugt kann der Winkel zwischen der Ausrichtung der säulenartigen Strukturen und den Lagen des Bauteils > 45°, noch bevorzugter > 60° und noch bevorzugter > 80° gehalten werden. Dies vereinfacht vorteilhaft die Übernahme der Gefügetextur von dem Substrat bzw. von bereits hergestellten Lagen des Bauteils auf die gerade in Herstellung befindliche Lage des Bauteils.
Das Bauteil kann vorteilhaft auch als technischer Einkristall ausgeführt werden. Als technischer Einkristall im Sinne der Erfindung soll ein Gefüge verstanden werden, welches nicht einphasig ausgebildet ist, dessen Phasen jedoch soweit übereinstimmen, dass sich der technische Einkristall wie ein vergleichbarer Einkristall verhält. Die Grenzen zwischen den Phasen wirken sich daher technisch nicht aus. Wird ein Substrat als technischer Einkristall ausgeführt, so kann in dem zu erzeugenden Bauteil daher ein tatsächlich einkristallines Gefüge oder ein technisch einkristallines Gefüge erzeugt werden, während das Schmelzbad im Pulverbett nach und nach die einzelnen Partikel des Pulvers aufschmilzt. Dabei werden die Gefüge der aufgeschmolzenen Partikel jeweils an das Gefüge des in Entstehung befindlichen Bauteils angepasst, wodurch die einkristalline (oder technisch einkristalline) Struktur entsteht.
Weiterhin wird die zweitgenannte Aufgabe durch die eingangs angegebene Anlage erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Bauplattform zumindest an der dem zu erzeugenden Pulverbett zugewandten Seite eine Gefügetextur, die eine Vorzugsorientierung des Gefüges hervorruft, aufweist. Die durch das Substrat in Form der Bauplattform zur Verfügung stehende Gefügetextur kann somit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren (wie oben angegeben) genutzt werden, um ein Bauteil mit einer der Bauplattform entsprechenden Gefügetextur herzustellen. Die hiermit verbundenen Vorteile sind bereits oben erläutert worden. Erfindungsgemäß kann daher vorteilhaft eine Anlage zur Verfügung gestellt werden, welche das Anwendungsgebiet für das additive pulverbettbasierte Herstellen von Bauteilen auf Produktfamilien erweitert, deren Gefüge eine Vorzugsorientierung in Form einer Gefügetextur aufweisen müssen. Beispielhaft sind hierfür Bauteile für Solarzellen und Turbinen genannt worden. Vorteilhaft gibt es somit ein breitbandiges Fertigungsspektrum.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage im schematischen Schnitt und
2 bis 4 einzelne Schritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens jeweils im Schnitt.
Eine Anlage für ein pulverbettbasiertes additives Herstellen eines Bauteils 11 weist eine Prozesskammer 12 auf, in der eine Bauplattform als Substrat 13 für das Bauteil 11 montiert ist. Auf diesem Substrat kann ein Pulverbett 14 lagenweise hergestellt werden. Hierzu wird eine Dosiervorrichtung 15 in nicht näher dargestellter Weise in Richtung des Pfeils 16 über die Oberfläche 17 des Pulverbetts 14 geführt, um jeweils eine Lage des Pulvers herzustellen. Die Dosiervorrichtung weist dafür einen Dosierbehälter 18 mit einer nicht näher dargestellten Öffnung und eine Rakel 19 zur Glättung der Oberfläche 17 des Pulverbetts 14 auf.
Über einen Laser 20 wird ein Laserstrahl 21 erzeugt, der durch ein Fenster 22 in die Prozesskammer 12 gelangen kann. Über einen Umlenkspiegel 23 wird der Laserstrahl 21 auf das in Entstehung befindliche Bauteil 11 gelenkt.
Jedes Mal, wenn eine neue Lage des Pulverbetts 14 entstehen soll, wird das Substrat 13 um den Betrag der Dicke einer Lage mittels eines Aktors 24 abgesenkt. Das Pulverbett weist außerdem eine mantelartige Seitenwand 25 auf, die eine Heizeinrichtung 26 besitzt, um das in Entstehung befindliche Bauteil 11 und das Pulverbett 14 vorzuwärmen bzw. eine Abkühlung des gerade in Herstellung befindlichen Bauteils zu verlangsamen.
Das Substrat weist erfindungsgemäß eine Gefügetextur auf, die in das in Entstehung befindliche Bauteil 11 übernommen wird. Dies lässt sich in 1 nicht erkennen, weil nicht näher dargestellt. Allerdings ist ein Detail aus 1 in 2 dargestellt, um diesen Mechanismus im Zusammenhang mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher zu erläutern.
In 2 ist die Grenzfläche 27 zwischen dem Substrat 13 und dem Bauteil 11 zu erkennen. Das Substrat weist eine Gefügetextur 28 auf, die symbolisch durch ein Gittermuster angedeutet ist. Bei dem Substrat könnte es sich beispielsweise um einen technischen Einkristall handeln, so dass die Orientierungen der einzelnen Gefügebestandteile (dargestellt als Doppelpfeile 29) im vorliegenden Fall genau senkrecht verlaufen. Die einzelnen Gefügebestandteile (Körner) sind in 2 nicht näher dargestellt, da sie sich technisch auch nicht auf die Entstehung des Bauteils 11 auswirken.
Wie 2 ebenfalls zu entnehmen ist, entsteht nach dem Aufschmelzen und Erstarren des Pulvers ein monolithischer Körper, der das Bauteil 11 ausbildet. Hierbei entsteht aufgrund des Vorhandenseins der Gefügetextur 28 eine Gefügetextur 28‘ im Bauteil, welche ebenfalls aus mehreren Körnern bestehen kann. Diese weisen jeweils ebenfalls im Wesentlichen senkrecht ausgerichtete Orientierungen auf, die auch durch die Doppelpfeile 29 angedeutet sind. Im Bereich des Bauteils 11 ist jedoch auch angedeutet, dass diese Doppelpfeile nicht mehr genau senkrecht stehen, sondern aufgrund von Gitterfehlern unterschiedliche Ausrichtungen haben können. Allerdings ergibt sich durch die Summe der Gitterfehler wieder dieselbe Vorzugsorientierung 30, so dass sich das Bauteil mit seinen Eigenschaften in der gewünschten Weise verhält. Die Fehler bei der Orientierung der einzelnen Gefügebestandteile können unterschiedlich groß ausfallen. Bei Solarzellenmaterialien dürfen diese Fehler nur einen geringen Betrag haben. Bei metallischen Bauteilen werden die geforderten Eigenschaften auch bei größeren Fehlern noch erreicht. Um die Übertragung der Gefügetextur von dem Substrat 13 auf das Bauteil 11 zu verbessern, kann die Oberfläche des Substrats poliert werden, bevor die erste Lage des Bauteils darauf hergestellt wird.
Der 3 lässt sich entnehmen, dass die Gefügetextur 28‘ einer Lage 31a auch auf eine nachfolgende Lage 31b übertragen lässt. Hierbei handelt es sich um dieselbe Gefügetextur, wie in der Lage 31a, da es sich um ein identisches Material handelt. Zu erkennen ist überdies, dass die Partikel 32 des Pulverbetts mit einem Hauptenergiestrahl 33 aufgeschmolzen werden und mit einem Hilfsenergiestrahl 34 eine Wärmenachbehandlung erfolgt.
Die 4 unterscheidet sich von der 3 lediglich darin, dass auf der Lage 31b eine Lage 31c hergestellt werden kann, wobei dieser Vorgang beliebig oft wiederholt werden kann. Dabei wird die Gefügetextur 28‘ auch auf die Lage 31c übertragen. Zu bemerken ist allerdings, dass eventuell auftretende Gitterfehler in jeder Lage zunehmen können, so dass eine Vorzugsorientierung 30 mit der Zeit verloren geht. Dies ist mit dem Pfeil in 4 angedeutet.
Das fertiggestellte Bauteil 11 kann von dem Substrat 13 abgetrennt werden, beispielsweise durch Drahterodieren. Das Substrat 13 kann für die erneute Herstellung eines Bauteils 11 genutzt werden. Die Oberfläche des Substrats 13 muss gegebenenfalls nach dem Abtrennen bearbeitet werden, um Bauteil- und Pulverreste zu entfernen. Durch Polieren kann die Gefügetextur in einem nachfolgenden Produktionsschritt besser auf ein neues Bauteil übertragen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1355760 B1 [0004, 0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

R. Goodall et al. „Fabrication of cube-textured Agbuffered Ni substrates by electro-epitaxial deposition“ in Superconductor Science and Technology 14 (2001), Seiten 124 bis 129 [0002]

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils (11) mit einer eine Vorzugsorientierung (30) des Gefüges hervorrufenden Gefügetextur (28) dadurch gekennzeichnet, dass • für die Herstellung des Bauteils (11) ein pulverbettbasiertes additives Herstellungsverfahren genutzt wird, • ein Pulverbett (14) für die Herstellung des Bauteils Lage (31a) um Lage (31b, 31c) auf einem Substrat (13) mit einer der im Bauteil (11) zu erzeugenden Gefügetextur (28‘) entsprechenden Gefügetextur (28) und mit der gleichen Ausrichtung der Vorzugsorientierung (30) aufgetragen wird und • das Bauteil (11) durch jeweiliges lokales Aufschmelzen der Lage (31a, 31b, 31c) ausgebildet wird, wobei die Gefügetextur (28) von dem Substrat (13) oder von bereits ausgebildeten Bereichen des Bauteils übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als additives Herstellungsverfahren ein Laserschmelzen oder ein Elektronenstrahlschmelzen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlgeschwindigkeit des Bauteils (11) verlangsamt wird, indem dem Pulverbett neben einer zum lokalen Aufschmelzen notwendigen Energiemenge noch eine weitere Energiemenge zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Energiemenge durch mindestens einen Hilfsenergiestrahl (34) zugeführt wird, der einem Hauptenergiestrahl (33) zum Aufschmelzen der Lage nachgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel (32) des Pulverbettes (14) die chemischen Bestandteile eines Solarzellenmaterials, insbesondere CIS, enthalten und das Substrat (13) eine Gefügetextur aufweist, die derjenigen der zu erzeugenden Solarzelle entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel (32) des Pulverbettes (14) die chemischen Bestandteile eines Turbinenbauteils, insbesondere einer Turbinenschaufel, enthalten und das Substrat (13) eine Gefügetextur aufweist, die derjenigen des zu erzeugenden Turbinenbauteils entspricht.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (13) als technischer Einkristall ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine kolumnare Gefügestuktur aufweist.
Anlage für ein additives pulverbettbasiertes Herstellungsverfahren mit einer Bauplattform als Substrat (13) für ein Pulverbett (14) und ein herzustellendes Bauteil (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Bauplattform zumindest an der dem zu erzeugenden Pulverbett zugewandten Seite eine Gefügetextur (28), die eine Vorzugsorientierung (30) des Gefüges hervorruft, aufweist.