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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung eines Werkstücks aus einem Rohmaterial, wobei das Werkstück Schicht für Schicht entlang einer Schichtungsrichtung erzeugt wird, indem für jede Schicht Mengeneinheiten des Rohmaterials aufgebracht und mittels eines Laserstahls aufgeschmolzen werden.
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Generative Fertigungsverfahren stellen einen neuartigen Ansatz zur Herstellung von Werkstücken mit einer hohen geometrischen Komplexität dar, und haben in letzter Zeit stark an Bedeutung gewonnen. Ein wesentliches Merkmal der generativen Fertigungsverfahren ist, dass ein in niedrig dimensionaler Form (zum Beispiel als Draht oder als Folie) oder formlos (zum Beispiel als Pulver oder als Flüssigkeit) vorliegendes Rohmaterial auf Basis von virtuellen Datenmodellen eines Werkstückes mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse schrittweise zum fertigen Werkstück geformt wird.
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Insbesondere auf dem Gebiet der Verbrennungsmaschinen erlauben generative Fertigungsverfahren einerseits die Fabrikation von verbesserten, konventionell nicht oder nur sehr aufwändig herstellbaren Bauteilen, so zum Beispiel Werkstücke mit maßgeschneiderten Materialeigenschaften, einem geringen Gewicht oder inneren Oberflächen für eine optimierte Kühlung. Dies ermöglicht somit eine Erhöhung der Wirkungsgrade, respektive eine Kostensenkung bei Neuteilen. Andererseits versprechen generative Fertigungsverfahren aufgrund der Möglichkeit zur individuellen, dezentralen und instantanen Fertigung starke Vereinfachungen bei Service und Reparatur.
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Von besonderem Interesse sind hierbei Laser-gestützte Fertigungsverfahren, die eine Verarbeitung der typischen Konstruktionswerkstoffe im Heißbereich einer Verbrennungsmaschine gestatten. Die Fertigung erfolgt dabei typischerweise durch das Abrastern eines Pulverbetts mit einem Laserstrahl, wobei punktuell die metallischen Partikel des Ausgangsmaterials, durch welches das Pulver gebildet wird – meist eine Nickel-Basislegierung – Stück für Stück und Schicht für Schicht miteinander verschmolzen werden, bis das fertige Bauteil geformt ist.
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Wenngleich mit einem Laser-gestützten generativen Fertigungsverfahren Geometrien für Werkstücke verwirklicht werden können, welche mittels konventioneller Fertigung nur mit wesentlich erhöhtem Produktionsaufwand zu realisieren sind, wie z.B. Hinterschnitte oder Hohlräume, sind auch hier Grenzen gesetzt. Dies betrifft insbesondere Strukturen, welche quer zur Richtung des Schichtaufbaus einen lokalen Überhang aufweisen, d.h., dass eine in Aufbaurichtung höhere Schicht eine unmittelbar darunterliegende quer zur Aufbaurichtung überragt. Ein bereits gefertigter Teil eines Werkstücks ist in der Anlage vom Pulverbett umgeben. Bei der Fertigung eines derartigen lokalen Überhangs wird nun ein Teil des Pulvers durch den Laser geschmolzen, welches nicht mehr durch eine darunter liegende Schicht, sondern nur durch umgebendes Pulver gestützt ist, und somit in dieses verfließen kann.
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Für bestimmte Formen eines Überhangs an einem Werkstück werden daher Stützstrukturen mit gefertigt, welche anschließend vor der Weiterverarbeitung des Werkstücks entfernt werden. Dies ist jedoch an bestimmte Geometrien des Übergangs gebunden, und setzt überdies eine gute Zugänglichkeit des nachzubearbeitenden Bereiches voraus. Gerade bei der Herstellung von Konstruktionselementen für Verbrennungsmaschinen sind jedoch oftmals Strömungskanäle für die Brennstoff- und/oder Sauerstoffzufuhr oder die Abgasableitung in das Werkstück zu integrieren. Da die Ausrichtung eines zu fertigenden Werkstücks hinsichtlich der Aufbaurichtung von dessen allgemeiner Geometrie abhängt, kann es vorkommen, dass derartige Strömungskanäle quer zur Aufbaurichtung verlaufen. Da sich einen Nachbearbeitung von Stützstrukturen eines Strömungskanals aufgrund der unzugänglichen Lage schwierig gestaltet, werden Strömungskanäle derzeit meist erst nachträglich als Bohrungen in ein Werkstück eingebracht. Dies erfordert jedoch ein erneutes Einspannen und Ausrichten eines Werkstücks in eine Anlage, was den Produktionsaufwand erhöht. Zudem sind durch die Fertigung mittels einer Bohrung der möglichen Geometrie eines Strömungskanals hinsichtlich Querschnitt und Krümmung sehr enge Grenzen gesetzt, welche für die gewünschte Anwendung strömungstechnisch oft bei weitem nicht den optimalen Durchfluss erlauben.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Lasergestütztes Verfahren zur schichtweisen generativen Fertigung eines Werkstücks aus einem Rohmaterial anzugeben, welches bei möglichst hoher Prozesseffizienz die Fertigung von bzgl. einer Aufbaurichtung sauberen Überhängen erlaubt.
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Fertigung eines Werkstücks aus einem Rohmaterial, wobei das Werkstück Schicht für Schicht entlang einer Schichtungsrichtung erzeugt wird, indem für jede Schicht Mengeneinheiten des Rohmaterials aufgebracht und mittels eines Laserstahls aufgeschmolzen werden, wobei hierbei jeweils eine Mengeneinheit des Rohmaterials auf eine Schicht unter lokalem Einstrahlen einer ersten Energiemenge pro Flächeneinheit aufgeschmolzen wird, und wobei für die Fertigung eines Überhangbereiches einer Schicht, welcher eine zuvor gefertigte Schicht quer zur Schichtungsrichtung überragt, eine Mengeneinheit des Rohmaterials unter lokalem Einstrahlen einer gegenüber der ersten Energiemenge verringerten zweiten Energiemenge pro Flächeneinheit aufgeschmolzen wird. Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderische Ausgestaltungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Insbesondere ist als Rohmaterial ein Metall oder eine Legierung umfasst. Auch kann als Rohmaterial ein Fotopolymer oder ein Thermoplast umfasst sein. Der Laserstrahl ist dabei hinsichtlich der Strahlungsleistung und der spektralen Eigenschaften bevorzugt auf das verwendete Rohmaterial abzustimmen. Unter dem Aufschmelzen des Rohmaterials mittels eines Laserstrahls ist sind vorliegend ein selektives Laserschmelzen, aber auch Sintervorgänge, wie beispielsweise „Direct Metal Laser Sintering“ und „Selectiv Laser Sintering“ umfasst. Unter dem Aufschmelzen einer Mengeneinheit des Rohmaterial auf eine Schicht ist hierbei zu verstehen, dass nach dem Schmelzvorgang das aufgeschmolzene Rohmaterial von der entsprechenden Schicht getragen wird.
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Das Überragen einer zuvor gefertigten Schicht quer zur Schichtungsrichtung beim Ausbilden eines Überhangbereiches bedeutet, dass aus einer Perspektive senkrecht zur Schichtungsrichtung betrachtet eine Grenzfläche einer Schicht eine Grenzfläche einer zuvor gefertigten Schicht überragt. Insbesondere kann dabei die überragte Schicht unmittelbar vor der überragenden Schicht gefertigt sein. Als eine Flächeneinheit ist hierbei ein mikroskopisches Flächenelement auf der Oberfläche des aufgebrachten Rohmaterials umfasst, auf welches zu einem gegebenen Zeitpunkt eine nennenswerte Strahlungsleistung einfällt, und welches somit durch das räumliche Profil des Laserstrahls definiert werden kann. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang unter der Definition einer Mengeneinheit des Rohmaterials jene Menge an Rohmaterial umfasst, welche für die Fertigung einer Schicht auf einem derartigen Flächenelement Platz findet. Alternative Definitionen sind hierdurch nicht ausgeschlossen.
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Die Erfindung erkennt hierbei in einem ersten Schritt, dass Verformungen in einem Überhangbereich eines mittels eines Lasers schichtweise aus einem Rohmaterial gefertigten Werkstücks üblicherweise daher rühren, dass das zum Überhang vorgesehene Rohmaterial nach dem Schmelzen durch den Laser nicht von einer darunter liegenden Schicht getragen wird. Oftmals wird das Rohmaterial in Form eines Pulvers bzw. Granulats bereitgestellt, so dass im zu fertigenden Überhangbereich das geschmolzene Pulver direkt in darunter liegendes Pulver verfließt. Hierdurch hat das zur Fertigung des Überhangbereichs aufgeschmolzene Rohmaterial nicht ausreichend Zeit, an den vorgesehenen Stellen die nötigen Adhäsionskräfte auszubilden, und dort zu erstarren.
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Die Erfindung erkennt nun in einem zweiten Schritt, dass üblicherweise bei einer lasergestützten schichtweisen Fertigung eines Werkstücks aus einem Rohmaterial die bei der Fertigung einer Schicht in eine mikroskopische Flächeneinheit zum Schmelzen des Rohmaterials eingestrahlte Energiemenge anlagebedingt nicht variiert wird. Dieses Vorgehen ist aus Gründen der Prozesseffizienz so lange sinnvoll, wie die zu fertigende Strukturen einer Schicht jeweils von einer unmittelbar darunter liegenden Schicht getragen werden können. Die Erfindung schlägt nun demgegenüber vor, bei der Fertigung eines Übergangsbereiches die in einem entsprechenden Flächenelement des Übergangsbereiches zum Schmelzen des Rohmaterials einzustrahlende Energiemenge gegenüber der üblicherweise verwendeten Energiemenge zu verringern.
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Die Erfindung macht sich hierbei die überraschende Erkenntnis zunutze, dass in einem Überhangbereich die lokale Abwesenheit eine darunter liegenden Schicht nicht nur eine mangelnde Stützung des zur Fertigung des Überhangbereichs aufgeschmolzenen Rohmaterials zur Folge hat, sondern dass aufgrund der geringeren räumlichen Anbindung an das Werkstück eine schlechtere Wärmeableitung und somit eine schlechtere Ableitung der eingestrahlten Energie stattfindet. Diese verringerte Kontaktfläche mit dem bereits gefertigten Teil des Werkstücks, welche eine zur Fertigung des Überhangbereichs aufgeschmolzene Mengeneinheit des Rohmaterials aufweist, verschlechtert somit aufgrund der mangelnden Wärmeableitung das Erstarren des Rohmaterials an der im Überhangbereich vorgesehenen Stelle zusätzlich. Dadurch, dass nun durch den Laserstrahl für die Fertigung des Überhangbereiches lokal eine geringere Energiemenge eingestrahlt wird, kann verhindert werden, dass das Rohmaterial infolge der schlechteren Wärmeableitung im Kontaktbereich mit dem gefertigten Teil des Werkstücks zu lange flüssig bzw. zu wenig fest bleibt. Das Ausbilden von ungewünschten Verformungen kann somit erheblich unterdrückt werden. Dies ist insbesondere für die Fertigung von Werkstücken mit eng tolerierten Überhangbereichen vorteilhaft.
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Bevorzugt wird die zweite Energiemenge gegenüber der ersten Energiemenge dadurch verringert, dass für einen jeweiligen Fertigungsschritt im Überhangbereich die Dauer der lokalen Einstrahlung gegenüber der Dauer der lokalen Einstrahlung für die erste Energiemenge verringert wird. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass bei der Fertigung einer Schicht mikroskopische Flächenelemente im Überhangbereich eine kürzere Dauer der Einstrahlung durch den Laser aufweisen. Mittels einer Verkürzung der lokalen Einstrahlungsdauer lässt sich die durch den Laserstrahl eingestrahlte Energiemenge lokal besonders einfach verringern, da hierfür am den Laserstrahl generierenden Laser selbst keinerlei Veränderungen notwendig sind.
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Als vorteilhaft erweist es sich dabei, wenn das Rohmaterial durch einen gepulsten Laserstrahl aufgeschmolzen wird, und für einen Fertigungsschritt im Überhangbereich die Einstrahldauer verringert wird, indem eine Pulsdauer des Lasers verkürzt wird. Insbesondere ist hierbei eine Verkürzung der Pulsdauer bei gleichbleibender Strahlungsleistung umfasst. Ist der den Laserstrahl erzeugende Laser technisch für eine Verkürzung der Pulsdauer, insbesondere bei gleichbleibender Strahlungsleistung, ausgelegt, so ist dies eine besonders einfache Methode, die Dauer der lokalen Einstrahlung zu verringern.
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Alternativ dazu kann das Rohmaterial durch einen kontinuierlichen Laserstrahl aufgeschmolzen werden, welcher linienförmig über das zur Fertigung einer Schicht bereitgestellte Rohmaterial gefahren wird, wobei für einen Fertigungsschritt im Überhangbereich die Einstrahlung verringert wird, indem eine Fahrgeschwindigkeit des Lasers lokal erhöht wird. Das linienförmige Abfahren durch den Laserstrahl, und somit insbesondere die Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit, können hierbei bevorzugt durch eine Fokussierungseinrichtung erzielt werden. Die Variation der Dauer der Einstrahlung über eine Veränderung der Fahrgeschwindigkeit des Laserstrahls ist gerade dann vorteilhaft, wenn weder der Laser selbst noch sein Strahlengang umfangreiche Veränderungen zulassen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die zweite Energiemenge gegenüber der ersten Energiemenge dadurch verringert, dass für den jeweiligen Fertigungsschritt im Überhangbereich die Strahlungsleistung gegenüber der Strahlungsleistung für die erste Energiemenge verringert wird. Eine Anlage zur schichtweisen Fertigung eines Werkstücks mittels eines Lasers weist oftmals mehrere unterschiedliche Betriebsmodi auf, welche insbesondere vom zu verwendenden Rohmaterial abhängen. Hierbei kann einer Steuereinheit der Anlage vor Beginn des Fertigungsprozesses ein Rohmaterial angegeben werden, so dass die Steuereinheit software-basiert die für das jeweilige angewählte Rohmaterial günstigste Strahlungsleistung vorab ermittelt. Eine solche Anlage ist also à priori für eine variable Strahlungsleistung ausgelegt, und somit nur noch softwaretechnisch für Variationen der Strahlungsleistung innerhalb der Fertigung eines einzelnen Werkstücks einzurichten.
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Zweckmäßigerweise wird für einen Fertigungsschritt im Überhangbereich die Strahlungsleistung dadurch verringert, dass die Ausgangsleistung des den Laserstrahl erzeugenden Lasers reduziert wird. Die Ausgangsleistung lässt sich hierbei beispielsweise durch eine geringere Pumpleistung des Lasers erreichen, solange diese noch über der Laserschwelle liegt.
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Besonders bevorzugt wird für einen Fertigungsschritt im Überhangbereich die Strahlungsleistung verringert, indem der Laserstrahl nachgeschaltet dem Ausgang des Lasers geteilt und/oder abgeschwächt wird. Das Teilen des Laserstrahls erfolgt hierbei insbesondere mittels eines Strahlteilers, das Abschwächen insbesondere mittels eines Absorbers bzw. Attenuators. Dieses Vorgehen ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Laser selbst eine ausreichende Variation seiner Ausgangsleistung nicht zulässt.
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In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Schicht des Werkstücks aus einem Pulverbett des Rohmaterials durch lokales Aufschmelzen gefertigt. Hier treten bei einer Fertigung eines Überhangbereiches besonders häufig Verformungen auf, welche sich durch das angegebene Verfahren wirksam verhindern lassen.
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Die Erfindung nennt weiter ein Werkstück, umfassend wenigstens einen Überhangbereich, welches durch das vorbeschriebene Verfahren gefertigt ist. Die für das Verfahren und seine Weiterbildung genannten Vorteile können hierbei sinngemäß auf das Werkstück übertragen werden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen jeweils schematisch:
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1 in einer Querschnittdarstellung ein schichtweise aus einem Rohmaterial gefertigtes Werkstück,
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2 in einer Schrägansicht ein in der Fertigung befindliches Werkstück, und
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3 in einer Ausschnittdarstellung Überhangbereiche des Werkstücks nach 2.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch in einer Querschnittdarstellung ein konventionell gefertigtes Werkstück 1 mit einem Strömungskanal 2 gezeigt. Das Werkstück 1 ist hierbei schichtweise in Schichtungsrichtung 4 aus einem Rohmaterial 6 gefertigt, welches im vorliegenden Fall durch eine Metalllegierung in Pulverform gebildet ist. Bis zur Mitte 8 in Schichtungsrichtung 4 behält der Strömungskanal 2 seinen vorbestimmten, kreisförmigen Querschnitt 10 bei. Bei der Fertigung der entsprechenden Schichten 12a–12f kommt es zu keinerlei Verformungen. Oberhalb der Mitte 8 des Strömungskanals 2 wird an der Grenzfläche der jeweiligen Schicht 12g–12l zum Strömungskanal 2 hin ein Überhangbereich 14g–14l ausgebildet. Aufgrund der schlechteren Materialanbindung des Rohmaterials 6 im jeweiligen Überhangbereich 14g–14l verbleibt das jeweils dort zur Fertigung der Schicht 12g–12l aufgeschmolzene Rohmaterial 6 dort aufgrund der verringerten Wärmeableitung länger flüssig, so dass das Rohmaterial 6 beim Erstarren in den Überhangbereichen 14g–14l aus der Form gerät. Resultat ist eine Abweichung 16 vom vorbestimmten kreisförmigen Querschnitt 10.
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In 2 ist schematisch in einer Querschnittdarstelllung ein in der Fertigung befindliches Werkstück 1 mit einem Strömungskanal 2 dargestellt. Das Werkstück 1 wird hierbei in Schichten 12a–12l, welche in Schichtungsrichtung 4 parallel zueinander geschichtet sind, aus einem Rohmaterial gefertigt. Für die Fertigung einer jeden Schicht 12a–12l werden hierfür Mengeneinheiten des Rohmaterials mittels eines Laserstrahls lokal aufgeschmolzen und durch Erstarren die jeweilige Schicht 12a–12l gebildet. Der Strömungskanal 2 weist einen vorbestimmten kreisförmigen Querschnitt 10 auf. An den jeweiligen Grenzflächen der Schichten 12g–12l mit dem Strömungskanal 2 kommt es dabei zur Ausbildung von Überhangbereichen 14g–14l, welche dadurch gekennzeichnet sind, dass in einem Überhangbereich 14g–14l das Rohmaterial einer Schicht 12g–12l nicht durch eine darunter liegende Schicht gestützt wird, sondern sozusagen frei über dem Strömungskanal 2 hängt.
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In 3 sind in einer Ausschnittdarstellung Überhangbereiche 14g–14l eines Werkstücks 1 gemäß 2 gezeigt. Für die Fertigung der Schicht 12l außerhalb des Überhangbereiches 14l wird das durch den Laserstrahl 17 unter Einstrahlung einer ersten Energiemenge E1 pro Flächeneinheit 18 aufgeschmolzene Rohmaterial 6 von der unmittelbar darunter liegenden Schicht 12k getragen. Ein Verfließen des geschmolzenen Rohmaterials beim Erstarrungsprozess ist somit nicht möglich. Bei der Fertigung des Überhangbereiches 14l der Schicht 12l ist dies nicht der Fall. Aufgrund der in Schichtungsrichtung 4 wirksamen Schwerkraft kann hier infolge einer fehlenden, unmittelbar darunter liegenden Schicht geschmolzenes Rohmaterial verfließen, bevor es an bestimmungsgemäßer Stelle erstarren kann. Um ein solches Verfließen zu unterbinden, wird zur Fertigung des Überhangbereiches 14l durch den Laserstrahl 17 lokal pro Flächeneinheit 18 eine zweite Energiemenge E2, welche geringer ist als die erste Energiemenge E1 eingestrahlt. Hierdurch wird bei der Fertigung des Überhangbereiches 14l die aus diesem abzuleitende Wärmemenge verringert, so dass das Rohmaterial 6 dort schneller erstarren kann, und infolgedessen in der durch den vorbestimmten kreisförmigen Durchschnitt vorgesehenen Form bleibt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch dieses Ausführungsbeispiel eingeschränkt. Andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
