DE102016106247A1

DE102016106247A1 - Laseradditive herstellung unter verwendung von in einem flüssigen träger suspendiertem füllmaterial

Info

Publication number: DE102016106247A1
Application number: DE102016106247.2A
Authority: DE
Inventors: Gerald J. Bruck; Ahmed Kamel
Original assignee: Siemens Energy Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2016-04-06
Publication date: 2016-10-13
Also published as: CN106041072A; CN106041072B; US9694423B2; US20160298220A1

Abstract

Ein Verfahren beinhaltet: Fließenlassen eines flüssigen Trägermediums (12) mit einer Zufuhr (14) von Metallpartikeln (16) über einer Oberfläche (20) eines Substrats (10); Richten eines Energiestrahls (30) durch das fließende flüssige Trägermedium zu der Oberfläche; und Erwärmen mindestens einiger der Metallpartikel in dem flüssigen Trägermedium mit dem Energiestrahl, um eine metallische Abscheidung (32) auszubilden, die an die Substratoberfläche gebondet ist und die von dem flüssigen Trägermedium bedeckt ist.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die Erfindung betrifft einen additiven Herstellungsprozess, der einen Energiestrahl durch ein flüssiges Trägermedium richtet, um suspendierte Metallpartikel zu erwärmen und eine Abscheidung auf einem Substrat auszubilden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Laseradditives Herstellen durch selektives Lasersintern (SLS) oder selektives Laserschmelzen (SLM – Selective Laser Melting) von Metallpartikeln unter Einsatz kommerzieller Systeme beinhaltet üblicherweise mehrere Schritte, einschließlich: Verteilen einer Beschichtung aus einer dünnen Schicht aus Metallpulver über einer Metalloberfläche, auf der aufgebaut werden soll; Laserverarbeitung eines vorprogrammierten Musters einer Scheibe des Teils zum Sintern oder Schmelzen des Pulvers, wodurch die Scheibe an dem darunterliegenden Substrat haftet; Absenken des Teils in das Bett aus Metallpulver; Auftragen einer weiteren dünnen Schicht aus Metallpulver über der zuvor verarbeiteten Oberfläche; und Wiederholen des Laserverarbeitungs-, Absenk- und Auftragsschritts, bis die Komponente additiv aufgebaut ist.
Dieser Prozess wird typischerweise in einer Kammer durchgeführt, die mit trockenem Argon gefüllt ist, um den Lasersinter-/-schmelzprozess vor Oxidation zu schützen und um das Pulver vor Hydratation zu schützen. Der Absenkschritt wird unter Verwendung eines vertikalen Antriebs durchgeführt. Der Verteilschritt wird unter Verwendung eines horizontalen Wischermechanismus durchgeführt. Während beiden dieser mechanischen Schritte stoppt die Laserverarbeitung.
Eine Hauptbeschränkung dieser Technologie ist eine niedrige Prozessgeschwindigkeit. Der Laser kann eine gegebene Schicht relativ schnell verarbeiten, doch muss der Laser deaktiviert werden, wenn die Komponente abgesenkt wird, sowie wenn die Komponente beschichtet wird. Das Auftragen verwendet einen relativ langsamen mechanischen Wischer in allen bekannten SLS/SLM-Geräten. Folglich bleibt noch Raum in der Technik für eine Verbesserung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung angesichts der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines additiven Herstellungsprozesses,
2 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels des additiven Herstellungsprozesses,
3 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels des additiven Herstellungsprozesses,
4–5 schematische Darstellungen eines alternativen Ausführungsbeispiels des additiven Herstellungsprozesses.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung offenbaren hierin einen kontinuierlichen additiven Herstellungsprozess, der Unterbrechungen der Laserverarbeitung von bekannten selektiven Lasersinter- und selektiven Laserschmelzprozessen reduziert und/oder eliminiert. Bei dem hier offenbarten innovativen Prozess wird das Metallpulver nicht länger intermittierend aufgebracht, sondern wird stattdessen über einen kontinuierlichen Fluss eines flüssigen Trägermediums über einer Arbeitsoberfläche des Substrats kontinuierlich dem Laserverarbeitungsort zugeführt. Der Fluss trägt eine Zufuhr der darin suspendierten Metallpartikel. Das flüssige Trägermedium und die Metallpartikel können eine Suspension oder ein Kolloid bilden (auch bekannt als eine kolloidale Suspension). Der Laserstrahl wird durch das flüssige Trägermedium und zu einem Substrat gerichtet. Der Laserstrahl trifft auf die Metallpartikel und erwärmt sie. Die erwärmten Metallpartikel agglomerieren auf der Oberfläche des Substrats, wo eine Metallabscheidung ausgebildet wird. Die Energiemenge wird derart gesteuert, dass die Metallabscheidung porös sein und gesinterte Metallpartikel enthalten kann. Alternativ kann der Laserstrahl die Metallpartikel schmelzen, um ein Schmelzbad zu bilden, das zu der Metallabscheidung erstarrt. Der Fluss stellt eine konstante Zufuhr von Metallpartikeln sicher, und dies gestattet eine ununterbrochene Laserverarbeitung. Die das Substrat tragende Plattform kann wie erforderlich mit relativer Leichtigkeit abgesenkt und/oder angehoben werden, da sie in das flüssige Trägermedium anstatt in einem Pulverbett eingetaucht ist. Dieses Anheben und/oder Absenken kann während der Laserverarbeitung auftreten. Beispielsweise kann die Laserverarbeitung während des Absenkens fortgesetzt werden, um einen Beginn der nächsten metallischen Abscheidung auszubilden. Im Gegensatz zum Stand der Technik können sich Teile der Komponente über der Verarbeitungsebene erstrecken, weil kein mechanischer Wischermechanismus involviert ist, der eine Störung mit einer derartigen Erweiterung verursachen würde.
1 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel eines additiven Herstellungsprozesses. Ein Substrat 10 ist in ein flüssiges Trägermedium 12 eingetaucht, das eine Versorgung 14 von Metallpartikeln 16 trägt. Das flüssige Trägermedium 12 kann die Metallpartikel 16 derart halten, dass die beiden eine Suspension oder eine kolloidale Suspension 18 bilden. Eine Suspension wird als eine Mischung aus dem flüssigen Trägermedium 12 mit suspendierten Partikeln darin angesehen, die für die Sedimentierung ausreichend groß sind. Eine kolloidale Suspension wird als eine Mischung des flüssigen Trägermediums 12 mit suspendierten Partikeln darin angesehen, die sich nicht absetzen. Es kann entweder eine Suspension oder eine kolloidale Suspension verwendet werden. Falls eine Suspension verwendet wird, dann muss sie aufrechterhalten werden, um sicherzustellen, dass die Partikel suspendiert bleiben, wie etwa durch Bewegung/Mischen. Das flüssige Trägermedium 12 fließt (z. B. bildet einen Film) über eine Oberfläche 20 des Substrats 10 in einer Fließrichtung 22. Ein erster Energiestrahl 30, beispielsweise ein Laserstrahl, wird durch das flüssige Trägermedium 12 zu der Substratoberfläche 20 gerichtet. Der erste Laserstrahl 30 trifft auf die Metallpartikel 16 in der Zufuhr 14. Die Metallpartikel 16 absorbieren Energie von dem ersten Laserstrahl 30, agglomerieren und bilden eine erste Metallabscheidung 32 auf der Substratoberfläche 20.
Die durch den ersten Laserstrahl 30 gelieferte Energiemenge wird so gesteuert, dass die Metallpartikel 16 erwärmt werden, aber nicht geschmolzen werden. Eine resultierende erste Metallabscheidung 32 besitzt eine poröse gesinterte Struktur. Alternativ können die Metallpartikel 16 geschmolzen werden, um ein erstes Schmelzbad 34 zu bilden, das zu der ersten Metallabscheidung 32 erstarrt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durchquert das erste Schmelzbad 34 die Substratoberfläche 20 in einer ersten Schmelzbadrichtung 36 von links nach rechts. Die erste Schmelzbadrichtung 36 stimmt natürlich mit einer ersten Laserrichtung 38 überein. Der erste Laserstrahl 30 kann auf oder unmittelbar über die Substratoberfläche 20 fokussiert werden, so dass Metallpartikel 16 über diesem Gebiet nicht so stark erwärmt werden, während jene nahe der Substratoberfläche 20 ausreichend erwärmt werden.
Wenngleich die Fließrichtung 22 und die gezeigte erste Schmelzbadrichtung 36 zueinander entgegengesetzt sind, ist dies keine Anforderung. Die erste Fließrichtung kann bezüglich des Substrats 10 aufgrund der Konstruktion der Prozessvorrichtung (nicht gezeigt) relativ konstant bleiben. Alternativ kann die erste Fließrichtung variieren. Das erste Schmelzbad 34 kann sich bezüglich der Fließrichtung 22 in variierenden Richtungen bewegen, um die erste Metallabscheidung 32 auszubilden. Schmelzbäder definieren eine Schmelzbadvorderkante 42 und eine Schmelzbadhinterkante 44, die wiederum eine Metallabscheidungsvorderkante 46 ist (auch bekannt als eine Erstarrungsfront). Die Fließrichtung 22 kann durch das Prozessprogramm selbst gefördert werden. Das heißt, während Metallpartikel 16 gesintert oder geschmolzen werden, um eine Abscheidung 32 auszubilden, kann die lokalisierte und vorrübergehende Erschöpfung bei der Metallpartikelkonzentration in der Suspension oder kolloidalen Suspension 18 durch Bewegung oder Brown'sche Bewegung der Partikel zu dem erschöpften Gebiet bald danach berichtigt (erneut versorgt) werden.
Während des Erwärmens und Ausbildens der ersten Metallabscheidung 32 bleiben eine Schmelzbadoberfläche 50 und eine Metallabscheidungsoberfläche 52 unter einer Oberfläche 54 des flüssigen Trägermediums. Bei einigen Ausführungsbeispielen verflüchtigt sich das flüssige Trägermedium 12 nicht lokal in einem ersten Arbeitsgebiet 56 unmittelbar neben der Stelle, wo der erste Laserstrahl 30 die Metallpartikel 16 erwärmt und die erste Metallabscheidung 32 bildet. In solchen Fällen bleiben das erste Schmelzbad 34 und die erste Metallabscheidung 32 vollständig in das flüssige Trägermedium 12 eingetaucht. Alternativ kann sich das flüssige Trägermedium 12 lokal verflüchtigen. Dies kann zu relativ aggressiven, aber vorübergehenden Störungen im flüssigen Trägermedium 12 im ersten Arbeitsgebiet 56 und einer vorrübergehenden Exposition des ersten Schmelzbads 34 gegenüber einer Atmosphäre 60 über der Oberfläche 54 des flüssigen Trägermediums führen. Während sich das erste Arbeitsgebiet 56 quer weg bewegt, wird sich das flüssige Trägermedium 12 wieder über dem ersten Schmelzbad 34 und der ersten Metallabscheidung 32 beruhigen. Die Oberflächenspannung des flüssigen Trägermediums 12 und des ersten Schmelzbads 34 glätten zusammen die Schmelzbadoberfläche 50, während sie abkühlt und zu der ersten Metallabscheidung 32 erstarrt.
Da die Metallpartikel 16 die erste Metallabscheidung 32 bilden, wird die Versorgung 14 erschöpft, wodurch im flüssigen Trägermedium 12 ein erschöpftes Gebiet 62 verbleibt. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Versorgung 14 über eine Quelle 64 von Metallpartikeln 16 wieder aufgefrischt werden. Es kann mehr als eine Quelle 64 geben, und sie können sich überall dort befinden, wo dies als angebracht angesehen wird, wie etwa vor allen Arbeitsgebieten (bezüglich der Fließrichtung 22), zwischen den Arbeitsgebieten, hinter den Arbeitsgebieten und/oder eine beliebige Kombination davon. Nachdem der erste Laserstrahl 30 seine Verarbeitung für die erste Metallabscheidung 32 beendet hat, kann das Substrat 10 abgesenkt werden und die Verarbeitung einer weiteren Metallabscheidung begonnen werden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Absenken kontinuierlich statt inkrementell. Das heißt, anstatt einfach die Laserrichtung zu programmieren, eine zweidimensionale Scheibe des Teils zu verarbeiten (wie bei traditionellen SLS und SLM), wird der Laser programmiert, auch in der vertikalen Richtung zu bauen. Ein einfaches Beispiel davon wäre das Bauen eines Rohrs mit vertikaler Achse. Anstatt das inkrementelle Verarbeiten von kreisförmigen Scheiben, die aufeinander gestapelt sind, würde der Laser die Rohrwand kontinuierlich auf eine spirale Weise verarbeiten. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel kann Metallabscheidung ab einer Initiierung nonstop fortgesetzt werden, bis die gewünschte Komponente fertig ist. Alternativ kann die Laserverarbeitung anhalten, bis das Substrat 10 abgesenkt ist. Dieser Prozess kann so häufig wiederholt werden, wie dies notwendig ist, um eine Komponente auszubilden. Das Substrat 10 kann vor, während und/oder nach der Laserverarbeitung abgesenkt und/oder angehoben werden, wie gewünscht. Die Laserverarbeitung und das Anheben und/oder Absenken können sequenziell und/oder simultan sein.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel gibt es einen zweiten Energiestrahl 70 wie etwa einen Laserstrahl, der Metallpartikel 16 in einem zweiten Arbeitsgebiet 72 erwärmt und ein zweites Schmelzbad 74 und eine zweite Metallabscheidung 76 auf der ersten Metallabscheidung 32 ausbildet, die bezüglich der zweiten Metallabscheidung 76 nun das Substrat ist. Der zweite Laserstrahl 70 bewegt sich in einer zweiten Laserstrahlrichtung 78, die mit der ersten Laserstrahlrichtung 38 möglicherweise übereinstimmt oder nicht übereinstimmt. Die Ausbildung der zweiten Metallabscheidung 76 bildet ein weiteres erschöpftes Gebiet 62 im flüssigen Trägermedium 12 aus, das wiederaufgefrischt werden kann, falls das flüssige Trägermedium 12 recycelt und wieder über das Substrat 10 geführt wird. Die Laserstrahlen können gleichzeitig und/oder sequenziell verarbeiten, und einer kann eine gesinterte Metallabscheidung herstellen, während der andere möglicherweise ein Schmelzbad herstellt, das dann die jeweilige Metallabscheidung bildet. Es kann eine beliebige Anzahl an Laserstrahlen geben, und sie können eine Abscheidung in einer beliebigen Kombination sintern oder schmelzen.
Das flüssige Trägermedium 12 kann derart gewählt werden, dass es sich in einem flüssigen Zustand befindet, während es über das Substrat 10 fließt (d. h. das flüssige Trägermedium 12 kann eine Flüssigkeit unter einer Schmelztemperatur der Metallpartikel 16 und des Substrats 10 sein). Es kann auch so gewählt werden, dass es für den ersten Laserstrahl 30 durchlässig ist und eine Siedetemperatur über einer Schmelztemperatur der Metallpartikel 16 besitzt. Die Siedetemperatur kann ausreichend über der Schmelztemperatur der Metallpartikel 16 liegen, damit das flüssige Trägermedium 12 während des Erwärmens der Metallpartikel 16 und der Ausbildung der Metallabscheidung flüssig bleibt (d. h. sich nicht verflüchtigt). Alternativ kann das flüssige Trägermedium 12 für den ersten Laserstrahl 30 durchlässig sein, kann sich aber möglicherweise lokal vollständig und/oder partiell während des Erwärmens der Metallpartikel und/oder der Ausbildung der Metallabscheidung verflüchtigen. Bei einer Ausführungsform würde das flüssige Trägermedium 12 einfach kondensieren, wenn es sich außerhalb des Arbeitsgebiets befindet. Alternativ und/oder zusätzlich kann die Atmosphäre 60 mit Druck beaufschlagt werden, um die Siedetemperatur des flüssigen Trägermediums 12 auf die gewünschte Höhe anzuheben.
Alternativ ist das flüssige Trägermedium 12 möglicherweise weniger durchlässig bis zu und einschließlich dem, dass es für den ersten Laserstrahl 30 vollständig undurchsichtig ist. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel würde der Energiestrahl das flüssige Trägermedium 12 innerhalb des Arbeitsgebiets verflüchtigen. Auf diese Weise liefert das flüssige Trägermedium 12 essenziell die Metallpartikel 16 an das Arbeitsgebiet, wobei dann das flüssige Trägermedium 12 über den Laserstrahl von den Metallpartikeln 16 getrennt wird (wegverdampft wird), und innerhalb des Arbeitsgebiets werden die Metallpartikel 16 verarbeitet, um die Metallabscheidung auszubilden. Außerhalb des Arbeitsgebiets fließt das flüssige Trägermedium 12 weiter über das Substrat 10 und liefert Metallpartikel 16 an das Arbeitsgebiet.
Das flüssige Trägermedium 12 kann derart gewählt werden, dass es eine Kühlrate des untergetauchten Schmelzbads auf vorbestimmte Weise steuert, um die Struktur der resultierenden Metallabscheidung zu optimieren. Beispielsweise könnte das flüssige Trägermedium 12 so thermisch isolierend sein, dass das Kühlen der Abscheidung größtenteils durch die Leitung von Wärme zum darunterliegenden Substrat bewerkstelligt wird. Ein derartiges uniaxiales Abkühlen könnte eine gerichtete Erstarrung und eine assoziierte Kornstruktur fördern. Es könnte auch so gewählt werden, dass es sich dabei um andere Bestandteile handelt oder diese enthält, um eine Flussbildungsfunktion durchzuführen, wie etwa das Reinigen des Schmelzbads von Verunreinigungen usw. Beispielsweise wird bei der Lichtbogenofenpraxis nach dem Einschmelzen der Beschickung Kalk (CaO) eingeleitet, um eine Schlacke bereitzustellen, die die Schwefelkonzentration der Schmelze reduziert. Dementsprechend ist CaO ein Beispiel für einen derartigen reinigenden Bestandteil. Bei einer derartigen Ausführungsform kann etwaige entstehende Schlacke mit dem flüssigen Trägermedium 12 wegtreiben.
Nichtbeschränkende Beispiele von geeigneten Materialien für das flüssige Trägermedium 12 beinhalten optische Materialien, geschmolzene Salze, Natrium-Kalium (NaK – flüssig von –12,6°C bis 785°C) und Wasser. Zu nichtbeschränkenden Beispielen für optische Materialien zählen:
CdTe (Schmp. = 1092°C; Transmittanz @ Raumtemperatur zu 1,06 μ = 58%);
Ge (Schmp. = 937°C; Trans. @ RT zu 1,06 μ = 15%);
BK7 Schott-Glass (Schmp. = 559°C; Trans. @ RT zu 1,06 μ = 92%);
LiF (Schmp. = 870°C; Trans. @ RT zu 1,06 μ = 93%);
MgF₂ (Schmp. = 1255°C; Trans. @ RT zu 1,06 μ = 97%);
KBr (Schmp. = 728°C; Trans. @ RT zu 1,06 μ = 93%);
TlBr-TlI – Thalliumbromoiodid (Schmp. = 414,5°C; Trans. @ RT zu 1,06 μ = 72%);
ZnSe (Schmp. = k. A.; Trans. @ RT zu 1,06 μ = 62%);
ZnS (Schmp. = k. A.; Trans. @ RT zu 1,06 μ = 66%);
NaCl (Schmp. = 801°C; Trans. von 0,4 μ bis 10 μ > 90%) und
KCl (Schmp. = 776°C; Trans. von 0,4 μ bis 10 μ > 90%).
Die Größe der Metallpartikel 16 kann von etwa 20 Mikrometer bis mehrere Millimeter reichen. Bei einem nichtbeschränkenden Ausführungsbeispiel kann es sich bei den Metallpartikeln 16 um eine nickelbasierte Legierung oder eine nickelbasierte Superlegierung handeln und sie können gleich oder verschieden zu einer Zusammensetzung des Substrats 10 sein. Die Metallpartikel 16 können mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet werden, das im flüssigen Trägermedium 12 weniger löslich ist als ein Material der Metallpartikel 16. Die Metallpartikel 16 können mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet werden, das Energie von dem ersten Laserstrahl 30 leichter absorbiert als ein Material der Metallpartikel 16. Die Metallpartikel 16 können mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet sein, das als ein Flussmittel im Schmelzbad wirkt. Ein Beispiel für ein stark absorbierendes Beschichtungsmaterial ist Graphit. Beschichtungen, die als Flussmittel wirken, könnten Oxide wie etwa Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder Kalziumoxid oder Fluoride wie etwa Kalzium-, Natrium- oder Lithiumfluorid sein.
2 veranschaulicht schematisch eine Prozessvorrichtung 90 mit einer Kammer 92, die konfiguriert ist, das flüssige Trägermedium 12 zu halten und einen Fluss des flüssigen Trägermediums 12 über die Substratoberfläche 20 zu liefern. Das Substrat 10 sitzt auf einer Plattform 94, die über eine Welle 96 wie gewünscht nach oben und/oder unten bewegt werden kann. Das flüssige Trägermedium 12 kann in einem Vormischer 100 für flüssiges Trägermedium hergestellt werden, an ein Reservoir 102 für flüssiges Trägermedium geliefert und über eine Umwälzpumpe 104 zu und von der Kammer 92 umgewälzt werden. Die Umwälzpumpe 104 kann über einen Zufuhrkanal 108 und einen Rückkanal 110 mit der Kammer 92 in Fluidkommunikation stehen. Eine Heizung 112 kann verwendet werden, um das flüssige Trägermedium 12 zu erwärmen. Ein Kühler 114 kann verwendet werden, um das flüssige Trägermedium 12 zu kühlen, falls es zu stark erwärmt wird. Ein Filter 116 kann verwendet werden, um das flüssige Trägermedium 12 zu filtern, und ein Mischer 120 kann verwendet werden, um das flüssige Trägermedium 12 zu mischen und die Metallpartikel 16 in Suspension zu halten. Ein Sensor 118 kann verwendet werden, um die Konzentration der Metallpartikel 16 zu überwachen und eine Rückkopplung an den Vormischer 100 für flüssiges Trägermedium und das Reservoir 102 für flüssiges Trägermedium zu liefern, um Änderungen vorzunehmen, um die Konzentration aufrechtzuerhalten oder, falls gewünscht, die Konzentration zu erhöhen oder zu verringern.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine Energiestrahlvorrichtung 130 verwendet, um den ersten Laserstrahl 30 und den zweiten Laserstrahl 70 zu erzeugen. Die beiden Laserstrahlen können innerhalb der Energiestrahlvorrichtung 130 getrennt erzeugt werden, oder eine optionale Maske 132 kann zwischen der Energiestrahlvorrichtung 130 und dem Substrat 10 platziert werden, um etwaige unerwünschte Laserenergie 134 zu blockieren. Die Energiestrahlvorrichtung 130 kann beispielsweise ein Diodenlaser, eine Abtasteinrichtung von einer Scheiben- oder Faserlaserquelle oder eine beliebige andere geeignete Art von Energiestrahlausbildungsvorrichtung sein, die für SLS- oder SLM-Prozesse geeignet ist.
3 veranschaulicht schematisch ein alternatives Ausführungsbeispiel des hierin offenbarten additiven Herstellungsprozesses, wo das flüssige Trägermedium 12 durch eine undurchsichtige Schicht 140 an der Oberfläche 54 des flüssigen Trägermediums gekennzeichnet ist. Die undurchsichtige Schicht 140 kann entstehen, wenn das flüssige Trägermedium 12 mit der über dem flüssigen Trägermedium 12 liegenden Atmosphäre 60 interagiert. Unter der undurchsichtigen Schicht 140 kann das flüssige Trägermedium 12 für den ersten Laserstrahl 30 relativ durchlässig bleiben. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel kann ein optisches Werkzeug 142 verwendet werden. Ein eingetauchtes Ende 144 des optischen Werkzeugs 142 kann unter der undurchsichtigen Schicht 140 positioniert und verwendet werden, um den ersten Laserstrahl 30 unter der undurchsichtigen Schicht 140 an die Substratoberfläche 20 zu liefern. Das optische Werkzeug 142 kann ein hohles feuerfestes Metallwerkzeug (z. B. Wolfram, Molybdän, Tantal usw.) sein, das Laserlicht dort hindurch leitet. Alternativ kann das optische Werkzeug 142 einen optisch durchlässigen Kern besitzen. Noch weiter alternativ ist es möglich, dass ein solches optisches Werkzeug möglicherweise nicht benötigt wird. Das heißt, die Laserenergie könnte die undurchsichtige Schicht lokal verflüchtigen, wodurch ein klarer Weg für Laserenergie bereitgestellt wird, damit sie die darunterliegende Suspension oder kolloidale Suspension 18 erreicht und auf dem Substrat 10 effektiv verarbeitet.
Sollte die Anordnung von 3 als unerwünscht erachtet werden, kann anstelle der Verwendung des optischen Werkzeugs 142 die Atmosphäre 60 so gewählt werden, dass sie eine chemische Zusammensetzung enthält, die mit dem flüssigen Trägermedium 12 kompatibel ist und deshalb nicht die undurchsichtige Schicht 140 erzeugt. Ein Vakuum oder inerte Atmosphären wie etwa Argon oder Helium können beim Vermeiden einer derartigen undurchsichtigen Schicht 140 von besonderem Vorteil sein. Alternativ könnte ein Gas wie etwa Argon, das schwerer ist als Luft, als eine Schicht aus inertem Gas zwischen der Atmosphäre 60 und der Oberfläche 54 des flüssigen Trägermediums verwendet werden, um die Oberfläche 54 des flüssigen Trägermediums zu schützen.
Die 4 und 5 veranschaulichen schematisch den additiven Herstellungsprozess, wo der Laserprozess in der Lage ist, das Schmelzbad 146 ab der Initiierung nonstop bis zur Beendigung der Komponente weiter zu bewegen. Das gezeigte Substrat 10 ist von zylindrischer Gestalt und besitzt eine geneigte Substratoberfläche 20. Dies gestattet der Metallabscheidung 148 kontinuierlich als eine Schraubenlinie ausgebildet zu werden, so dass, während der erste Laserstrahl 30 überquert, das Substrat 10 kontinuierlich abgesenkt wird. Andere Abscheidungsgestalten können verwendet werden und eine Überquerungsrate des ersten Laserstrahls 30 kann variiert werden, um eine Dicke der metallischen Abscheidung 148 zu variieren. Anstatt eine konstante schraubenförmige Gestalt auszubilden, als Beispiel, könnte der Laserstrahl eine metallische Abscheidung 148 starten und die Substratoberfläche 20 entlang eines Wegs überqueren, bis er seinen Weg zum Beginn der metallischen Abscheidung 148 zurücklegt. Der erste Laserstrahl 30 könnte einfach die Stufe bei Beginn der metallischen Abscheidung 148 weiter überqueren und fortsetzen. Die resultierende metallische Abscheidung 148 wäre kontinuierlich mit einer Stufe hoch immer dann, wenn sie den Beginn der metallischen Abscheidung 148 überquert. Eine Stufe könnte auch insgesamt vermieden werden, indem die Dicke bei der Initiierung der Abscheidung hochgefahren wird. Eine beliebige Kombination der obigen Lehren kann verwendet werden, um die Komponente mit nur null Unterbrechungen bei der Laserverarbeitung fertigzustellen.
Es ist offensichtlich, dass die Suspension oder kolloidale Suspension 18 eine sehr gründliche Abdeckung des Substrats 10 während der ganzen Verarbeitung liefert. Das heißt, sogar nach der Verarbeitung, wenn die Metallabscheidung möglicherweise erstarrt ist, aber immer noch heiß und möglicherweise reaktiv ist, falls sie Atmosphäre ausgesetzt wird, bedeckt die Suspension immer noch vollständig die immer noch heiße Metallabscheidung. Analog liefert bei Vorheizung die Suspension oder kolloidale Suspension 18 eine Vorerwärmung des Substrats 10 und verlangsamt die Kühlrate von den an dem Punkt/Bereich der Verarbeitung erzielten Sinter- oder Schmelztemperatur.
Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass die Erfinder sich ein innovatives Verfahren für die additive Herstellung ausgedacht haben, das Schritte eliminiert, die teure Geräte und verlangsamte Produktionsraten erfordern, indem sie sie durch ein einzigartiges Materialzufuhrverfahren ersetzen. Das hierin offenbarte Verfahren gestattet ein kontinuierliches Aufbauen von Substratmaterial, was Zykluszeit und assoziierte Kosten reduziert. Weiterhin kann die Verwendung des flüssigen Trägermediums eine Verbesserung bei der Sicherheit darstellen, da seine Anwesenheit leichter detektiert werden kann im Vergleich zu einem unsichtbaren Schutzgas, das im Stand der Technik verwendet wird. Folglich stellt dies in der Technik eine Verbesserung dar.
Ausführungsformen:

1. Ein Verfahren, umfassend: Fließenlassen eines flüssigen Trägermediums, umfassend eine Zufuhr von Metallpartikeln, über eine Oberfläche eines Substrats; Richten eines Energiestrahls durch das fließende flüssige Trägermedium zu der Oberfläche; und Erwärmen mindestens einiger der Metallpartikel in dem flüssigen Trägermedium mit dem Energiestrahl, um eine metallische Abscheidung auszubilden, die an die Substratoberfläche gebondet ist und die durch das flüssige Trägermedium bedeckt ist.
2. Das Verfahren von Ausführungsform 1, wobei das flüssige Trägermedium und die Zufuhr von Metallpartikeln eine kolloidale Suspension bilden.
3. Das Verfahren von Ausführungsform 1, wobei der Erwärmungsschritt weiterhin das Ausbilden einer metallischen Abscheidung umfasst, die porös ist und gesinterte Metallpartikel umfasst.
4. Das Verfahren von Ausführungsform 1, wobei der Erwärmungsschritt weiterhin das Ausbilden eines Schmelzbads, das die Metallpartikel umfasst, und das Kühlen des Schmelzbads zu der metallischen Abscheidung umfasst.
5. Das Verfahren von Ausführungsform 1, weiterhin umfassend das Anheben oder Absenken des Substrats, während gleichzeitig die metallische Abscheidung ausgebildet wird.
6. Das Verfahren von Ausführungsform 1, wobei die Metallpartikel in dem flüssigen Trägermedium suspendiert sind, wobei das Verfahren weiterhin das Bewegen des flüssigen Trägermediums umfasst, so dass die Metallpartikel suspendiert bleiben.
7. Das Verfahren von Ausführungsform 1, weiterhin umfassend das Eintauchen eines Endes eines optischen Hochtemperaturkanals in das flüssige Trägermedium und Richten des Energiestrahls aus dem eingetauchten Ende des optischen Hochtemperaturkanals heraus und zu der Oberfläche, um die mindestens einigen der Metallpartikel zu erwärmen.
8. Das Verfahren von Ausführungsform 1, wobei das flüssige Trägermedium ein Flussmittel umfasst.
9. Das Verfahren von Ausführungsform 1, wobei die Metallpartikel mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet werden, das in dem flüssigen Trägermedium weniger löslich ist als ein Material der Metallpartikel.
10. Das Verfahren von Ausführungsform 1, wobei die Metallpartikel mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet werden, das Energie von dem Energiestrahl leichter absorbiert als ein Material der Metallpartikel.
11. Das Verfahren von Ausführungsform 1, wobei das flüssige Trägermedium durch eine Siedetemperatur über einer Schmelztemperatur der Metallpartikel gekennzeichnet ist.
12. Das Verfahren von Ausführungsform 1, weiterhin umfassend das genügende Erwärmen mindestens eines des Substrats und des flüssigen Trägermediums, um das flüssige Trägermedium in einem flüssigen Zustand zu halten.
13. Das Verfahren von Ausführungsform 1, wobei das flüssige Trägermedium ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus: Fluoriden, NaK, CdTe, Ge, BK7 Schott-Glas, LiF, MgF2, KBr, TlBr-TlI, ZnSe, ZnS, NaCL, KCL und anderen Salzen.
14. Das Verfahren von Ausführungsform 1, wobei die Metallpartikel eine nickelbasierte Legierung oder Superlegierung umfassen.
15. Ein Verfahren, umfassend: (a) Eintauchen eines Substrats in ein flüssiges Trägermedium, das über das Substrat zirkuliert, wobei das flüssige Trägermedium eine Zufuhr von Metallpartikeln umfasst; (b) Erwärmen mindestens einiger der Metallpartikel durch das zirkulierende flüssige Trägermedium mit mindestens einem Energiestrahl, um ein Schmelzbad auszubilden, das geschmolzene Metallpartikel umfasst, an einer Oberfläche des Substrats angeordnet und in das zirkulierende flüssige Trägermedium eingetaucht; und (c) Kühlen des Schmelzbads innerhalb des zirkulierenden flüssigen Trägermediums, um eine metallische Abscheidung auszubilden, die an das Substrat gebondet und in das zirkulierende flüssige Trägermedium eingetaucht ist.
16. Das Verfahren von Ausführungsform 15, weiterhin umfassend das Anheben oder Absenken des Substrats, während Schritt (b) durchgeführt wird.
17. Das Verfahren von Ausführungsform 15, weiterhin umfassend mindestens eines von: mindestens periodisches Auffüllen der Versorgung von Metallpartikeln; Bewegen des flüssigen Trägermediums, so dass die Metallpartikel in dem flüssigen Trägermedium suspendiert bleiben; Erwärmen mindestens eines des flüssigen Trägermediums und des Substrats, um das flüssige Trägermedium in einem flüssigen Zustand zu halten; und Kühlen von überwärmtem flüssigem Trägermedium.
18. Ein Verfahren, umfassend: Filmausbildung einer Mischung umfassend eine Zufuhr von suspendierten Metallpartikeln in einem flüssigen Trägermedium über eine Oberfläche eines Substrats; Erwärmen mindestens einiger der Metallpartikel mit einem Energiestrahl, um eine metallische Abscheidung auf der Oberfläche des Substrats auszubilden, die von dem flüssigen Trägermedium bedeckt ist.
19. Das Verfahren von Ausführungsform 18, weiterhin umfassend das Steuern der Erwärmung zum Ausbilden einer metallischen Abscheidung, die porös ist und gesinterte Metallpartikel umfasst.
20. Das Verfahren von Ausführungsform 18, weiterhin umfassend das Steuern der Erwärmung zum Ausbilden eines Schmelzbads, umfassend die erwärmten Metallpartikel, und Kühlen des Schmelzbads, um die metallische Abscheidung auszubilden.

Wenngleich hier verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ist es offensichtlich, dass solche Ausführungsformen lediglich als Beispiel vorgelegt werden. Zahlreiche Variationen, Änderungen und Substitutionen können vorgenommen werden, ohne von der Erfindung hierin abzuweichen. Dementsprechend soll die Erfindung nur durch den Gedanken und Schutzbereich der beigefügten Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Verfahren, umfassend: Fließenlassen eines flüssigen Trägermediums, umfassend eine Zufuhr von Metallpartikeln, über eine Oberfläche eines Substrats; Richten eines Energiestrahls durch das fließende flüssige Trägermedium zu der Oberfläche; und Erwärmen mindestens einiger der Metallpartikel in dem flüssigen Trägermedium mit dem Energiestrahl, um eine metallische Abscheidung auszubilden, die an die Substratoberfläche gebondet ist und die durch das flüssige Trägermedium bedeckt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das flüssige Trägermedium und die Zufuhr von Metallpartikeln eine kolloidale Suspension bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Erwärmungsschritt weiterhin das Ausbilden einer metallischen Abscheidung umfasst, die porös ist und gesinterte Metallpartikel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Erwärmungsschritt weiterhin das Ausbilden eines Schmelzbads, das die Metallpartikel umfasst, und das Kühlen des Schmelzbads zu der metallischen Abscheidung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend das Anheben oder Absenken des Substrats, während gleichzeitig die metallische Abscheidung ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallpartikel in dem flüssigen Trägermedium suspendiert sind, wobei das Verfahren weiterhin das Bewegen des flüssigen Trägermediums umfasst, so dass die Metallpartikel suspendiert bleiben.
Verfahren, umfassend: (a) Eintauchen eines Substrats in ein flüssiges Trägermedium, das über das Substrat zirkuliert, wobei das flüssige Trägermedium eine Zufuhr von Metallpartikeln umfasst; (b) Erwärmen mindestens einiger der Metallpartikel durch das zirkulierende flüssige Trägermedium mit mindestens einem Energiestrahl, um ein Schmelzbad auszubilden, das geschmolzene Metallpartikel umfasst, an einer Oberfläche des Substrats angeordnet und in das zirkulierende flüssige Trägermedium eingetaucht; und (c) Kühlen des Schmelzbads innerhalb des zirkulierenden flüssigen Trägermediums, um eine metallische Abscheidung auszubilden, die an das Substrat gebondet und in das zirkulierende flüssige Trägermedium eingetaucht ist.
Verfahren nach Anspruch 7, weiterhin umfassend das Anheben oder Absenken des Substrats, während Schritt (b) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, weiterhin umfassend mindestens eines von: mindestens periodisches Auffüllen der Versorgung von Metallpartikeln; Bewegen des flüssigen Trägermediums, so dass die Metallpartikel in dem flüssigen Trägermedium suspendiert bleiben; Erwärmen mindestens eines des flüssigen Trägermediums und des Substrats, um das flüssige Trägermedium in einem flüssigen Zustand zu halten; und Kühlen von überwärmtem flüssigem Trägermedium.
Verfahren, umfassend: Filmausbildung einer Mischung umfassend eine Zufuhr von suspendierten Metallpartikeln in einem flüssigen Trägermedium über eine Oberfläche eines Substrats; Erwärmen mindestens einiger der Metallpartikel mit einem Energiestrahl, um eine metallische Abscheidung auf der Oberfläche des Substrats auszubilden, die von dem flüssigen Trägermedium bedeckt ist.