DE102016205437A1 - Device and method for producing or repairing a three-dimensional object - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts (36) umfassend mindestens einen Bauraum (12) für ein schichtweises, aufeinanderfolgendes Verfestigen mindestens eines verfestigbaren Werkstoffs (16) in vordefinierten Bereichen zum schichtweisen Aufbau des dreidimensionalen Objekts (36) oder zur schichtweisen Reparatur einzelner Bereiche des dreidimensionalen Objekts (36) innerhalb des Bauraums (12); und mindestens eine Lasereinrichtung (18) zum Erzeugen wenigstens eines Laserstrahls (20, 28, 30, 32, 40, 44, 46, 48, 50) mittels welchem eine Werkstoffschicht (22) lokal zu einer Objektschicht verschmelzbar und/oder versinterbar ist. Dabei umfasst die Vorrichtung (10) mindestens einen Parabolspiegel (24, 34) oder mindestens eine parabolspiegelartige ausgebildete Vorrichtung, wobei eine Innenseite (42) des Parabolspiegels (24, 34) oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung konkav zu der Werkstoffschicht (22) ausgerichtet ist und die Lasereinrichtung (18) über- und/oder außerhalb einer Bauplattform (14) angeordnet ist, derart, dass der erzeugte Laserstrahl (20, 28, 30, 32, 40, 44, 46, 48, 50) über eine Strahlablenkung mittels des Parabolspiegels (24, 34) oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung auf der Werkstoffschicht (22) auftrifft, wobei eine Projektionsfläche (P1, P2) des Parabolspiegels (24, 34) oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung größer oder kleiner ist als zumindest eine Baufläche (B) der Bauplattform (14), welche zum Auftrag des Werkstoffs (16) ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts (36).The invention relates to a device (10) for producing or repairing a three-dimensional object (36) comprising at least one installation space (12) for a layered, successive solidification of at least one solidifiable material (16) in predefined areas for the layered construction of the three-dimensional object (36). or for the layered repair of individual areas of the three-dimensional object (36) within the construction space (12); and at least one laser device (18) for producing at least one laser beam (20, 28, 30, 32, 40, 44, 46, 48, 50) by means of which a material layer (22) can be fused and / or sintered locally to form an object layer. In this case, the device (10) comprises at least one parabolic mirror (24, 34) or at least one parabolspiegelartige formed device, wherein an inner side (42) of the parabolic mirror (24, 34) or the parabolic mirror-like device is aligned concave to the material layer (22) and the laser device (18) is arranged above and / or outside a construction platform (14) such that the generated laser beam (20, 28, 30, 32, 40, 44, 46, 48, 50) is deflected by means of the parabolic mirror (24, 34) or the parabolic mirror-like device on the material layer (22), wherein a projection surface (P1, P2) of the parabolic mirror (24, 34) or the parabolic mirror-like device is larger or smaller than at least one building surface (B) of Building platform (14), which is designed to order the material (16). The invention further relates to a method for producing or repairing a three-dimensional object (36).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10. The invention relates to a device for producing or repairing a three-dimensional object according to the preamble of claim 1. The invention further relates to a method for producing or repairing a three-dimensional object according to the preamble of
Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten, insbesondere von Bauteilen sind in einer großen Vielzahl bekannt. Insbesondere sind generative Fertigungsverfahren (sog. Rapid Manufacturing- bzw. Rapid Prototyping-Verfahren) bekannt, bei denen das dreidimensionale Objekt beziehungsweise das Bauteil durch pulverbettbasierte, additive Fertigungsverfahren schichtweise aufgebaut wird. Vorwiegend metallische Bauteile können beispielsweise durch Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelz- oder -sinterverfahren hergestellt werden. Dabei wird zunächst schichtweise mindestens ein pulverförmiger Bauteilwerkstoff auf eine Bauplattform im Bereich einer Aufbau- und Fügezone der Vorrichtung aufgetragen. Anschließend wird der Bauteilwerkstoff schichtweise lokal verschmolzen und/oder versintert, indem dem Bauteilwerkstoff im Bereich der Aufbau- und Fügezone Energie mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls, zum Beispiel eines Elektronen- oder Laserstrahls zugeführt wird. Der Hochenergiestrahl wird dabei in Abhängigkeit einer Schichtinformation der jeweils herzustellenden Bauteilschicht gesteuert. Nach dem Verschmelzen und/oder Versintern wird die Bauplattform schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke abgesenkt. Danach werden die genannten Schritte bis zur endgültigen Fertigstellung des Bauteils wiederholt. Vergleichbare additive Verfahren sind zur Herstellung von Keramik- oder Kunststoffelementen bekannt. Methods and apparatus for making three-dimensional objects, particularly components, are known in a wide variety. In particular, generative manufacturing methods (so-called rapid manufacturing or rapid prototyping methods) are known in which the three-dimensional object or the component is built up in layers by powder-bed-based, additive manufacturing processes. Primarily metallic components can be produced, for example, by laser or electron beam melting or sintering methods. In this case, at least one powdered component material is first applied in layers to a construction platform in the region of a building and joining zone of the device. Subsequently, the component material is locally fused in layers and / or sintered by the component material in the assembly and joining zone energy is supplied by means of at least one high-energy beam, for example an electron or laser beam. The high-energy beam is controlled in dependence on a layer information of the component layer to be produced in each case. After fusing and / or sintering, the construction platform is lowered in layers by a predefined layer thickness. Thereafter, the said steps are repeated until the final completion of the component. Comparable additive processes are known for the production of ceramic or plastic elements.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere auch generative Herstellverfahren für die Herstellung von Bauteilen einer Strömungsmaschine, wie beispielsweise von Bauteilen eines Flugtriebwerks oder einer Gasturbine bekannt, z.B. das in der
In bekannten Vorrichtungen zur generativen Herstellung von dreidimensionalen Objekten mittels Laserenergie (z.B. Selektive Laserschmelzanlagen) trifft der Laserstrahl innerhalb eines Bauraums der Vorrichtung nur in einem Punkt senkrecht zur Lasereinrichtung senkrecht auf den pulverförmigen Bauteilwerkstoff. In den Randbereichen des Bauraums trifft der Laserstrahl in einem anderen, ungünstigen Winkel auf. Bei einem senkrechten Auftreffen des Laserstrahls ist der resultierende Schmelzbereich im Wesentlichen kreisförmig. Je weiter entfernt von diesem Idealpunkt der Laserstrahl auf der Pulveroberfläche auftrifft, desto ellipsoider wird der Schmelzbereich. Da hierbei die Schmelzfläche vergrößert wird, entstehen Bereiche am Objekt mit deutlich verminderter Qualität. In known devices for the generative production of three-dimensional objects by means of laser energy (for example, selective laser melting systems), the laser beam strikes the pulverulent component material perpendicularly within a construction space of the device only at a point perpendicular to the laser device. In the edge regions of the installation space, the laser beam strikes another, unfavorable angle. In a vertical impact of the laser beam, the resulting melting region is substantially circular. The further away from this ideal point the laser beam impinges on the powder surface, the more ellipsoid the melting range becomes. As the melting area is increased, areas on the object are created with significantly reduced quality.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, die ohne großen konstruktiven Aufwand eine Vielzahl an zusätzlichen Freiheitsgraden und damit verbesserte Einstellmöglichkeiten für den Weg des Laserstrahls zur Erzielung einer verbesserten Qualität des herzustellenden dreidimensionalen Objekts oder einer Reparatur des dreidimensionalen Objekts gewährleisten. Object of the present invention is therefore to provide a device and a method of the type mentioned, the great effort without a lot of additional degrees of freedom and thus improved settings for the path of the laser beam to achieve improved quality of the produced three-dimensional object or a Ensure repair of the three-dimensional object.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und umgekehrt anzusehen sind. This object is achieved by a device for producing or repairing a three-dimensional object having the features of patent claim 1 and a method having the features of
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts umfassend mindestens einen Bauraum für ein schichtweises, aufeinderfolgendes Verfestigen mindestens eines verfestigbaren Werkstoffs in vordefinierten Bereichen zum schichtweisen Aufbau des dreidimensionalen Objekts oder zur schichtweisen Reparatur einzelner Bereiche des dreidimensionalen Objekts innerhalb des Bauraums und mindestens eine Lasereinrichtung zum Erzeugen wenigstens eines Laserstrahls mittels welchem eine Werkstoffschicht lokal zu einer Objektschicht verschmelzbar und/oder versinterbar ist. Zudem ist inner- oder überhalb des Bauraums mindestens ein Parabolspiegel oder mindestens eine parabolspiegelartige ausgebildete Vorrichtung angeordnet, wobei eine Innenseite des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung konkav zu der Werkstoffschicht ausgerichtet ist und die Lasereinrichtung über- und/oder außerhalb einer Bauplattform angeordnet ist, derart, dass der erzeugte Laserstrahl über eine Strahlablenkung mittels des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung auf der Werkstoffschicht auftrifft. Zudem ist eine Projektionsfläche des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung größer oder kleiner als zumindest eine Baufläche der Bauplattform, welche zum Auftrag des Werkstoffs ausgebildet ist. Damit wird erfindungsgemäß erreicht, dass mittels des über der Lasereinrichtung angeordneten Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung der von der Lasereinrichtung erzeugte Laserstrahl in nahezu alle Bereiche der Werkstoffschicht innerhalb des Bauraums mit vordefinierten Einstrahlwinkeln eingeleitet werden kann. Durch die Wahl der Größe der Projektionsfläche des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung ergeben sich vorteilhafterweise weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten und zusätzliche Freiheitsgrade. Ohne großen konstruktiven Aufwand wird eine Vielzahl an zusätzlichen Freiheitsgraden und damit verbesserte Einstellmöglichkeiten für den Weg des Laserstrahls zur Erzielung einer verbesserten Qualität des herzustellenden dreidimensionalen Objekts oder einer Reparatur des dreidimensionalen Objekts bereitgestellt. Dabei kann die Projektionsfläche um mindestens 5% größer oder kleiner als die eine Baufläche der Bauplattform ausgebildet sein. Insbesondere kann die Projektionsfläche um 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 80 %, 85 % oder 90 % größer oder kleiner als die Baufläche der Bauplattform ausgebildet sein kann. Auch Zwischenwerte und weitere Werte sind möglich. Die Projektionsfläche kann dabei die Baufläche vollständig mit einschließen oder diese zumindest teilweise überdecken. Auch für den Fall, dass die Projektionsfläche kleiner ist als die Baufläche kann die Baufläche die Projektionsfläche vollständig mit einschließen oder diese zumindest teilweise überdecken. A first aspect of the invention relates to a device for producing or repairing a three-dimensional object comprising at least one installation space for a layered, successive solidification of at least one solidifiable material in predefined areas for the layered construction of the three-dimensional object or for the layered repair of individual areas of the three-dimensional object within the construction space and at least one laser device for generating at least one laser beam by means of which a material layer can be fused and / or sintered locally to form an object layer. In addition, at least one parabolic mirror or at least one parabolspiegelartige formed device is disposed inside or above the space, wherein an inside of the Parabolic mirror or the parabolic mirror-like device is aligned concave to the material layer and the laser device is arranged over and / or outside a construction platform, such that the generated laser beam impinges on the material layer via a beam deflection by means of the parabolic mirror or the parabolic mirror-like device. In addition, a projection surface of the parabolic mirror or of the parabolic mirror-like device is larger or smaller than at least one construction surface of the construction platform, which is designed to apply the material. Thus, according to the invention, it is achieved that by means of the parabolic mirror arranged above the laser device or the device constructed like a parabolic mirror, the laser beam generated by the laser device can be introduced into virtually all regions of the material layer within the construction space with predefined angles of incidence. By choosing the size of the projection surface of the parabolic mirror or parabolspiegelartig designed device advantageously further design options and additional degrees of freedom. Without much design effort, a plurality of additional degrees of freedom and thus improved adjustment options for the path of the laser beam to achieve improved quality of the produced three-dimensional object or a repair of the three-dimensional object is provided. In this case, the projection surface can be formed at least 5% larger or smaller than the one building surface of the building platform. In particular, the projection area may be increased by 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85% or 90% larger or smaller than the construction area of the building platform can be formed. Intermediate values and other values are also possible. The projection surface can completely enclose the building surface or at least partially cover it. Even in the event that the projection surface is smaller than the construction area, the construction area can completely enclose the projection area or at least partially cover it.
In vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Lasereinrichtung inner-, über- und/oder außerhalb des Bauraums angeordnet. Dadurch ergeben sich vielfältige Ausgestaltungsmöglichkeiten der Vorrichtung, so dass notwendigen Anpassungen an zum Beispiel die Größe des herzustellenden Objekts, der Lasereinrichtung oder der Bauplattform ohne weiteres Rechnung getragen werden kann. In advantageous embodiments of the device according to the invention, the laser device is arranged inside, above and / or outside the installation space. This results in a variety of design options of the device, so that necessary adjustments to, for example, the size of the object to be manufactured, the laser device or the build platform can be readily taken into account.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Lasereinrichtung innerhalb des Bauraums zumindest zeitweise im Brennpunkt des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung angeordnet, derart, dass der von der Lasereinrichtung erzeugte Laserstrahl über die Strahlablenkung mittels des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung ungefähr senkrecht zu der Werkstoffschicht auf dieser auftrifft. Damit wird erfindungsgemäß erreicht, dass mittels des über der Lasereinrichtung angeordneten Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung der von der Lasereinrichtung erzeugte und auf eine Innenseite des Parabolspiegels gerichtete Laserstrahl in nahezu allen Bereichen der Werkstoffschicht ungefähr senkrecht auf dieser auftrifft. Vorteilhafterweise ist durch das senkrechte Auftreffen des Laserstrahls der resultierende Schmelzbereich in nahezu allen Bereichen der Werkstoffschicht im Wesentlichen kreisförmig. Dies trägt zur deutlichen Qualitätssteigerung des herzustellenden dreidimensionalen Objekts beziehungsweise zur Steigerung der Qualität der Reparatur einzelner Bereiche des dreidimensionalen Objekts bei. Unter der Bezeichnung „ungefähr senkrecht“ wird dabei verstanden, dass der Laserstrahl in einem Winkel von 90° auf die Werkstoffschicht auftrifft. Geringfügige Abweichungen von der Senkrechten im Bereich von +/–5° sollten aber ebenfalls unter dem Begriff „ungefähr senkrecht“ verstanden werden. Erfindungsgemäß sendet die Lasereinrichtung den Laserstrahl in Richtung der konkav in Richtung der Werkstoffschicht ausgerichteten Innenseite des Parabolspiegels. An der Innenseite des Parabolspiegels wird der Laserstrahl dann derart abgelenkt, dass er ungefähr senkrecht auf die Werkstoffschicht auftrifft. In an advantageous embodiment of the device according to the invention, the laser device is at least temporarily arranged within the installation space in the focal point of the parabolic mirror or the parabolic mirror-like device, such that the laser beam generated by the laser device about the beam deflection by means of the parabolic mirror or the parabolic mirror-like device approximately perpendicular to the Material layer impinges on this. Thus, according to the invention, it is achieved that, by means of the parabolic mirror arranged above the laser device or the device constructed in the manner of a parabolic mirror, the laser beam generated by the laser device and directed onto an inner side of the parabolic mirror impinges approximately perpendicularly on almost all regions of the material layer. Advantageously, due to the vertical impact of the laser beam, the resulting melting region is substantially circular in almost all regions of the material layer. This contributes to the significant increase in quality of the produced three-dimensional object or to increase the quality of the repair of individual areas of the three-dimensional object. The term "approximately perpendicular" is understood to mean that the laser beam impinges on the material layer at an angle of 90 °. Minor deviations from the vertical in the range of +/- 5 ° should also be understood by the term "approximately perpendicular". According to the invention, the laser device sends the laser beam in the direction of the inside of the parabolic mirror, which is aligned concavely in the direction of the material layer. On the inside of the parabolic mirror, the laser beam is then deflected so that it impinges approximately perpendicular to the material layer.
Bei dem im Vorhergehenden beschriebenen Bauraum der Vorrichtung handelt es sich üblicherweise um eine Prozesskammer zur Durchführung des generativen Herstellungs- oder Reparaturverfahrens. Bei dem herzustellenden oder zu reparierenden dreidimensionalen Objekt kann es sich um ein Bauteil oder einen Bauteilbereich eines Flugtriebwerks, insbesondere eines Verdichters oder einer Turbine handeln. Der verwendete Werkstoff kann pulverförmig, flüssig oder pastös ausgebildet sein und besteht üblicherweise aus Metall, einer Metalllegierung, Keramik oder Kunststoff oder einer Mischung daraus. The installation space of the device described above is usually a process chamber for carrying out the additive manufacturing or repair process. The three-dimensional object to be produced or repaired may be a component or a component region of an aircraft engine, in particular a compressor or a turbine. The material used can be powdery, liquid or pasty and usually consists of metal, a metal alloy, ceramic or plastic or a mixture thereof.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der Parabolspiegel oder die parabolspiegelartig ausgebildete Vorrichtung und/oder die Lasereinrichtung relativ zueinander und/oder relativ zur Werkstoffschicht beweglich ausgebildet. Die Lasereinrichtung kann beispielhaft zumindest zeitweise nicht mehr im Brennpunkt des Parabolspiegels liegen. Damit besteht aber vorteilhafterweise die Möglichkeit, dass der Bereich auf der Werkstoffschicht, der im Bereich eines Laserschattens, das heißt den durch die Lasereinrichtung verdeckten Bereich unterhalb der Lasereinrichtung, ebenfalls mit dem Laserstrahl bearbeitet werden kann. Beispielsweise wird durch ein vertikales Verfahren des Parabolspiegels der Abstand zwischen der Lasereinrichtung und dem Parabolspiegel beziehungsweise der Innenseite des Parabolspiegels vergrößert. Ist aber der durch das Verfahren des Parabolspiegels vergrößerte Abstand größer als der ursprüngliche Abstand, der durch den Brennpunkt des Parabolspiegels und dem Parabolspiegel selbst beziehungsweise dessen Innenseite definiert wird, wird der Laserstrahl in Richtung des Bereichs des Laserschattens auf der Werkstoffschicht hin reflektiert. Dabei kann in Kauf genommen werden, dass der Laserstrahl nicht ganz senkrecht auf der Werkstoffschicht auftrifft. Um eine Bestrahlung des Bereichs des Laserschattens zu ermöglichen, kann auch die Lasereinrichtung bewegt werden, beispielsweise entlang einer Mittelachse, die einerseits durch den Brennpunkt des Parabolspiegels verläuft und andererseits senkrecht zur Werkstoffschicht liegt. Auch andere Bewegungsrichtungen der Lasereinrichtung innerhalb des Bauraums der Vorrichtung sind möglich. Zudem kann die Lasereinrichtung außerhalb der Bauplattform, das heißt nicht zwischen der Bauplattform und dem Parabolspiegel beziehungsweise der parabolspiegelartigen Vorrichtung angeordnet sein. So kann beispielsweise die Lasereinrichtung zumindest teilweise um einen Umfang der Bauplattform verfahrbar ausgebildet sein. Diese Ausgestaltungsmöglichkeiten ermöglichen es, dass der Bereich des Laserschattens mit dem Laser belichtet werden kann oder dass kein Laserschatten durch die Lasereinrichtung entsteht. Die Bewegung des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung und/oder der Lasereinrichtung kann beispielsweise mittels elektrischer Motoren, Piezoaktuatoren, Schrittmotoren, mechanischer Vorrichtungen oder dergleichen erfolgen. In further advantageous embodiments of the device according to the invention, the parabolic mirror or the parabolic mirror-like device and / or the laser device are designed to be movable relative to one another and / or relative to the material layer. By way of example, the laser device can no longer be at the focal point of the parabolic mirror, at least temporarily. However, there is advantageously the possibility that the region on the material layer, which in the region of a laser shadow, that is to say the region hidden under the laser device by the laser device, can likewise be processed with the laser beam. For example, by a vertical method of the parabolic mirror, the distance between the laser device and the parabolic mirror or the inside of the parabolic mirror is increased. But is the enlarged by the process of the parabolic mirror distance greater than the original distance, which by the Focusing the parabolic mirror and the parabolic mirror itself or its inside is defined, the laser beam is reflected in the direction of the region of the laser shadow on the material layer out. It can be accepted that the laser beam is not quite perpendicular to the material layer. In order to enable irradiation of the region of the laser shadow, the laser device can also be moved, for example along a central axis, which extends on the one hand through the focal point of the parabolic mirror and on the other hand lies perpendicular to the material layer. Other directions of movement of the laser device within the installation space of the device are possible. In addition, the laser device can be arranged outside the construction platform, that is to say not between the construction platform and the parabolic mirror or the parabolic mirror-like device. Thus, for example, the laser device can be designed to be movable at least partially around a circumference of the construction platform. These design possibilities make it possible for the region of the laser shadow to be exposed to the laser or for no laser shadow to be produced by the laser device. The movement of the parabolic mirror or the parabolspiegelartig formed device and / or the laser device can be done for example by means of electric motors, piezo actuators, stepper motors, mechanical devices or the like.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht der Parabolspiegel oder die parabolspiegelartig ausgebildete Vorrichtung aus einer Vielzahl einzelner Spiegelelemente, wobei die Spiegelelemente einzeln ansteuerbar und ausrichtbar sind. Die Spiegelelemente können dabei insbesondere als Sechsecke, insbesondere wabenförmige Sechsecke, ausgebildet sein. Durch eine derartige Ausgestaltung des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung ergibt sich eine äußerst exakte Ablenkung beziehungsweise Reflexion des auftreffenden Laserstrahls. In further advantageous embodiments of the device according to the invention, the parabolic mirror or the parabolic mirror-like device consists of a plurality of individual mirror elements, wherein the mirror elements are individually controllable and alignable. The mirror elements can be designed in particular as hexagons, in particular honeycomb-shaped hexagons. Such a configuration of the parabolic mirror or the parabolic mirror-like device results in a very accurate deflection or reflection of the incident laser beam.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Lasereinrichtung mindestens ein steuerbares und/oder regelbares optisches System zum Ablenken und/oder Fokussieren ihres Laserstrahls. Dadurch besteht unter anderem die Möglichkeit, dass der Laserstrahl nicht nur in Richtung des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung, sondern auch direkt auf die Werkstoffschicht gerichtet werden kann. So kann vorteilhafterweise der Laserstrahl direkt in den Bereich des Laserschattens auf die Werkstoffschicht gerichtet werden, derart, dass er auch in diesem Bereich ungefähr senkrecht zur Werkstoffschicht auftrifft. In further advantageous embodiments of the device according to the invention, the laser device comprises at least one controllable and / or controllable optical system for deflecting and / or focusing its laser beam. As a result, there is, inter alia, the possibility that the laser beam can be directed not only in the direction of the parabolic mirror or the parabolic mirror-like device, but also directly on the material layer. Thus, advantageously, the laser beam can be directed directly into the region of the laser shadow on the material layer, such that it also impinges in this area approximately perpendicular to the material layer.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese mindestens eine Steuervorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Lasereinrichtung, zur Steuerung und/oder Regelung der Lage des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung und/oder der Lasereinrichtung relativ zur Werkstoffschicht und/oder zur Steuerung und/oder Regelung der Vielzahl einzelner Spiegelelemente des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung auf. Vorteilhafterweise kann somit zum Beispiel mittels einer einzelnen Steuervorrichtung die Lage und Position der Lasereinrichtung relativ zum Parabolspiegel oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung sowie die Ausrichtung und die Energiemenge des Laserstrahls koordiniert und durchgeführt werden. In further advantageous embodiments of the device according to the invention this has at least one control device for controlling and / or regulating the laser device, for controlling and / or regulating the position of the parabolic mirror or the parabolic mirror-like device and / or the laser device relative to the material layer and / or the control and / or regulation of the plurality of individual mirror elements of the parabolic mirror or the parabolic mirror-like device. Advantageously, thus, for example by means of a single control device, the position and position of the laser device relative to the parabolic mirror or the parabolic mirror-like device and the orientation and the amount of energy of the laser beam can be coordinated and performed.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts, wobei das erfindungsgemäße Verfahren zumindest folgende Schritte umfasst: a) Schichtweises Auftragen von mindestens einem Werkstoff auf mindestens eine innerhalb eines Bauraums angeordnete Bauplattform im Bereich einer Aufbau- und Fügezone; b) schichtweises und lokales Verschmelzen und/oder Versintern des Werkstoffs durch Zuführen von Energie mittels wenigstens eines Laserstrahls im Bereich der Aufbau- und Fügezone zum Ausbilden einer Schicht des Objekts; c) schichtweises Absenken der Bauplattform um eine vordefinierte Schichtdicke: und d) Wiederholen der Schritte a) bis c) bis zur Fertigstellung des Objekts. Dabei wird für das schichtweise und lokale Verschmelzen und/oder Versintern des Werkstoffs der Laserstrahl mittels mindestens einer Lasereinrichtung erzeugt, wobei die Lasereinrichtung über- und/oder außerhalb einer Bauplattform angeordnet ist, derart, dass der erzeugte Laserstrahl über eine Strahlablenkung mittels des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung auf der Werkstoffschicht auftrifft. Zudem ist eine Projektionsfläche des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung größer oder kleiner als zumindest eine Baufläche der Bauplattform, welche zum Auftrag des Werkstoffs ausgebildet ist. Damit wird erfindungsgemäß erreicht, dass mittels des über der Lasereinrichtung angeordneten Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung der von der Lasereinrichtung erzeugte Laserstrahl in nahezu alle Bereiche der Werkstoffschicht innerhalb des Bauraums mit vordefinierten Einstrahlwinkeln eingeleitet werden kann. Durch die Wahl der Größe der Projektionsfläche des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung ergeben sich vorteilhafterweise weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten und zusätzliche Freiheitsgrade. Ohne großen konstruktiven Aufwand wird eine Vielzahl an zusätzlichen Freiheitsgraden und damit verbesserte Einstellmöglichkeiten für den Weg des Laserstrahls zur Erzielung einer verbesserten Qualität des herzustellenden dreidimensionalen Objekts oder einer Reparatur des dreidimensionalen Objekts bereitgestellt. Dabei kann die Projektionsfläche um mindestens 5% größer oder kleiner als die eine Baufläche der Bauplattform ausgebildet sein. Insbesondere kann die Projektionsfläche um 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 80 %, 85 % oder 90 % größer oder kleiner als die Baufläche der Bauplattform ausgebildet sein kann. Auch Zwischenwerte und andere Werte sind möglich. Die Projektionsfläche kann dabei die Baufläche vollständig mit einschließen oder diese zumindest teilweise überdecken. Auch für den Fall, dass die Projektionsfläche kleiner ist als die Baufläche kann die Baufläche die Projektionsfläche vollständig mit einschließen oder diese zumindest teilweise überdecken. A second aspect of the invention relates to a method for producing or repairing a three-dimensional object, wherein the method according to the invention comprises at least the following steps: a) layer-wise application of at least one material to at least one construction platform arranged within a construction space in the region of a build-up and joining zone; b) layer-by-layer and local fusion and / or sintering of the material by supplying energy by means of at least one laser beam in the region of the assembly and joining zone to form a layer of the object; c) layer-by-layer lowering of the build platform by a predefined layer thickness: and d) repeating steps a) to c) until completion of the object. In this case, the laser beam is generated by at least one laser device for the layered and local fusing and / or sintering of the material, wherein the laser device is arranged over and / or outside a construction platform, such that the generated laser beam via a beam deflection by means of the parabolic mirror or the Parabolspiegelartig formed device impinges on the material layer. In addition, a projection surface of the parabolic mirror or of the parabolic mirror-like device is larger or smaller than at least one construction surface of the construction platform, which is designed to apply the material. Thus, according to the invention, it is achieved that by means of the parabolic mirror arranged above the laser device or the device constructed like a parabolic mirror, the laser beam generated by the laser device can be introduced into virtually all regions of the material layer within the construction space with predefined angles of incidence. By choosing the size of the projection surface of the parabolic mirror or parabolspiegelartig designed device advantageously further design options and additional degrees of freedom. Without much design effort is a variety of additional degrees of freedom and thus improved settings for the way of Laser beam to achieve an improved quality of the manufactured three-dimensional object or a repair of the three-dimensional object. In this case, the projection surface can be formed at least 5% larger or smaller than the one building surface of the building platform. In particular, the projection area may be increased by 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85% or 90% larger or smaller than the construction area of the building platform can be formed. Also intermediate values and other values are possible. The projection surface can completely enclose the building surface or at least partially cover it. Even in the event that the projection surface is smaller than the construction area, the construction area can completely enclose the projection area or at least partially cover it.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dabei die Lasereinrichtung innerhalb des Bauraums zumindest zeitweise in einem Brennpunkt des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung angeordnet wird, derart, dass der von der Lasereinrichtung erzeugte Laserstrahl über eine Strahlablenkung mittels des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung ungefähr senkrecht zu der Werkstoffschicht auf dieser auftrifft. Vorteilhafterweise kann der Laserstrahl erfindungsgemäß derart abgelenkt werden, dass er in nahezu allen Bereichen der Werkstoffschicht ungefähr senkrecht auftrifft. Dies trägt zu einer deutlich verbesserten Qualität des herzustellenden oder zu reparierenden dreidimensionalen Objekts bei. Dabei wird unter dem Begriff „ungefähr senkrecht“ verstanden, dass der Laserstrahl in einem Winkel von 90° +/– 5° auf die Werkstoffschicht auftrifft. Bei dem im Vorhergehenden beschriebenen Bauraum handelt es sich üblicherweise um eine Prozesskammer zur Durchführung des generativen Herstellungs- oder Reparaturverfahrens. Bei dem herzustellenden oder zu reparierenden dreidimensionalen Objekt kann es sich um ein Bauteil oder einen Bauteilbereich eines Flugtriebwerks, insbesondere eines Verdichters oder einer Turbine handeln. Der verwendete Werkstoff kann pulverförmig, flüssig oder pastös ausgebildet sein und besteht üblicherweise aus Metall, einer Metalllegierung, Keramik oder Kunststoff oder einer Mischung daraus. In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the laser device can be arranged within the installation space at least temporarily in a focal point of the parabolic mirror or the parabolspiegelartig device, such that the laser beam generated by the laser device about a beam deflection by means of the parabolic mirror or the parabolic mirror-like device approximately perpendicular to the material layer impinges on this. Advantageously, the laser beam according to the invention can be deflected such that it impinges approximately perpendicularly in almost all regions of the material layer. This contributes to a significantly improved quality of the three-dimensional object to be produced or repaired. The term "approximately perpendicular" is understood to mean that the laser beam impinges on the material layer at an angle of 90 ° +/- 5 °. The construction space described above is usually a process chamber for carrying out the additive manufacturing or repair process. The three-dimensional object to be produced or repaired may be a component or a component region of an aircraft engine, in particular a compressor or a turbine. The material used can be powdery, liquid or pasty and usually consists of metal, a metal alloy, ceramic or plastic or a mixture thereof.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Laserstrahl über mindestens ein steuerbares und/oder regelbares optisches System der Lasereinrichtung abgelenkt und/oder fokussiert. Damit ist eine exakte Ausrichtung des Laserstrahls in Richtung des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung beziehungsweise der Innenseite des Parabolspiegels oder der Innenseite oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung aber auch eine direkte Ausrichtung und Fokussierung des Laserstrahls auf einen Bereich der Werkstoffschicht, die sich unterhalb der Lasereinrichtung und damit in einem Bereich eines Laserschattens befindet, möglich. Insbesondere kann der Laserstrahl derart ausgerichtet werden, dass er ungefähr senkrecht auf den Bereich des Laserschattens auf der Werkstoffschicht auftrifft. In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the laser beam is deflected and / or focused via at least one controllable and / or controllable optical system of the laser device. In order for an exact alignment of the laser beam in the direction of the parabolic mirror or the parabolic mirror-like device or the inside of the parabolic mirror or the inside or the parabolic mirror-like device but also a direct alignment and focusing of the laser beam on a region of the material layer, which is below the laser device and so that it is in a range of a laser shadow possible. In particular, the laser beam can be aligned such that it impinges approximately perpendicular to the region of the laser shadow on the material layer.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der Parabolspiegel oder die parabolspiegelartig ausgebildete Vorrichtung und/oder die Lasereinrichtung während der Herstellung oder Reparatur des dreidimensionalen Objekts relativ zueinander und/oder relativ zur Werkstoffschicht bewegt, derart, dass die Lasereinrichtung zumindest zeitweise nicht mehr im Brennpunkt des Parabolspiegels oder der parabolspiegelartig ausgebildeten Vorrichtung liegt. Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise eine alternative Möglichkeit zur Belichtung beziehungsweise Bestrahlung des sich im Laserschatten befindlichen Bereichs der Werkstoffschicht. Zudem kann die Lasereinrichtung außerhalb der Bauplattform, das heißt nicht zwischen der Bauplattform und dem Parabolspiegel beziehungsweise der parabolspiegelartigen Vorrichtung angeordnet sein. So kann beispielsweise die Lasereinrichtung zumindest teilweise um einen Umfang der Bauplattform verfahrbar ausgebildet sein. Diese Ausgestaltungsmöglichkeiten ermöglichen es, dass der Bereich des Laserschattens mit dem Laser belichtet werden kann oder dass kein Laserschatten durch die Lasereinrichtung entsteht. Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben, kann dabei in Kauf genommen werden, dass der Laserstrahl in diesen Fällen nicht ganz senkrecht auf die Werkstoffschicht auftrifft. In further advantageous embodiments of the method according to the invention, the parabolic mirror or the parabolic mirror-like device and / or the laser device during the manufacture or repair of the three-dimensional object relative to each other and / or moved relative to the material layer, such that the laser device at least temporarily no longer at the focal point of Parabolic or the parabolic mirror-like device is located. This advantageously results in an alternative possibility for exposure or irradiation of the region of the material layer located in the laser shadow. In addition, the laser device can be arranged outside the construction platform, that is to say not between the construction platform and the parabolic mirror or the parabolic mirror-like device. Thus, for example, the laser device can be designed to be movable at least partially around a circumference of the construction platform. These design possibilities make it possible for the region of the laser shadow to be exposed to the laser or for no laser shadow to be produced by the laser device. As already described above, it can be accepted that the laser beam in these cases does not impinge quite perpendicular to the material layer.
Die sich aus der Verwendung der Vorrichtung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ergebenden Merkmale und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind. The features and advantages resulting from the use of the device according to the first aspect of the invention can be taken from the descriptions of the first aspect of the invention, advantageous embodiments of the first aspect of the invention being regarded as advantageous embodiments of the second aspect of the invention and vice versa.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil für eine Strömungsmaschine, insbesondere für ein Flugtriebwerk, welches erhältlich und/oder erhalten durch ein Verfahren gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt und/oder durch eine Vorrichtung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ist. Ein derartig hergestelltes Bauteil weist aufgrund seiner erfindungsgemäßen Herstellung eine hervorragende Bauteilqualität auf. A third aspect of the invention relates to a component for a turbomachine, in particular for an aircraft engine, which is available and / or obtained by a method according to the second aspect of the invention and / or by a device according to the first aspect of the invention. Such a manufactured component has an excellent component quality due to its production according to the invention.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigen Further features of the invention will become apparent from the claims, the exemplary embodiments and with reference to the drawings. The features and feature combinations mentioned above in the description and the following Features and feature combinations mentioned in the exemplary embodiments can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations, without departing from the scope of the invention. Show
Die Vorrichtung
Man erkennt, dass die Lasereinrichtung
Man erkennt, dass die konkave Öffnung des Parabolspiegels
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind weitere Möglichkeiten des Betreibens der Vorrichtung
Es ist aber auch möglich, dass gemäß einem weiteren Anwendungsfall die Lasereinrichtung
Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass der Parabolspiegel
Die Projektionsfläche P1 des Parabolspiegels
Des Weiteren erkennt man, dass die Projektionsfläche P2 vollständig von der Baufläche B der Bauplattform
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10 10
- Vorrichtung contraption
- 12 12
- Bauraum space
- 14 14
- Bauplattform building platform
- 16 16
- Werkstoff material
- 18 18
- Lasereinrichtung laser device
- 20 20
- Laserstrahl laser beam
- 22 22
- Werkstoffschicht Material layer
- 24 24
- Parabolspiegel parade
- 26 26
- Brennpunkt focus
- 28 28
- Laserstrahl laser beam
- 30 30
- Laserstrahl laser beam
- 32 32
- Laserstrahl laser beam
- 34 34
- Parabolspiegel parade
- 36 36
- Objekt object
- 38 38
- Aufbau- und Fügezone Assembly and joining zone
- 40 40
- Laserstrahl laser beam
- 42 42
- Innenseite inside
- 44 44
- Laserstrahl laser beam
- 46 46
- Laserstrahl laser beam
- 48 48
- Laserstrahl laser beam
- 50 50
- Laserstrahl laser beam
- P1 P1
- Projektionsfläche projection
- P2 P2
- Projektionsfläche projection
- B B
- Baufläche construction area
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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