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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bauplattform für die additive Herstellung eines Bauteils, eine entsprechende Anlage zur additiven Herstellung und die Verwendung der Bauplattform als Substrat für die additive Herstellung. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur additiven Herstellung der Bauplattform.
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Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz in einer Strömungsmaschine, vorzugsweise einer Gasturbine, vorgesehen. Das Bauteil besteht vorzugsweise aus einer Superlegierung, insbesondere einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung. Die Superlegierung kann ausscheidungsgehärtet oder ausscheidungshärtbar sein.
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Das Bauteil kann weiterhin aus einer zunder- und/oder hochwarmfesten Legierung bestehen oder diese umfassen.
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Vorzugsweise findet das Bauteil Anwendung in einem Heißgaspfad oder Heißgasbereich einer Strömungsmaschine, wie einer Gasturbine.
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Generative oder additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise Strahlschmelz- und/oder Strahlschweißverfahren. Zu den Strahlschmelz-Verfahren gehören insbesondere das selektive Laserschmelzen (SLM) oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Zu den genannten Strahlschweißverfahren gehören beispielsweise das Elektronenstrahlschweißen oder das Laserauftragschweißen (LMD), insbesondere das Laserpulverauftragschweißen.
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Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additiv manufacturing“) haben sich als besonders vorteilhaft für komplexe oder kompliziert oder filigran designte Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung, insbesondere durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils direkt auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei erfolgen kann.
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Weiterhin ist die additive Fertigung besonders vorteilhaft für die Entwicklung oder Herstellung von Prototypen, welche beispielsweise aus Kostengründen mittels konventioneller subtraktiver oder spanender Verfahren oder Gusstechnologie nicht oder nicht effizient hergestellt werden können.
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Ein Problem, welches im Bereich der additiven Fertigung, insbesondere in der Verarbeitung von Hochleistungswerkstoffen mittels Strahlschmelz- und/oder Strahlschweißverfahren, beobachtet wird, ist, dass die Ausbildung oder Zusammensetzung einer abgeschiedenen Materialbahn oder -spur von der Beschaffenheit des entsprechenden Substrats abhängt. Insbesondere kann eine Einbrandtiefe einer abgeschiedenen Schweißspur (Schweißraupe) von den chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Substratmaterials an der entsprechenden Stelle abhängen.
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Substrate für die beschriebenen additiven Herstellungsverfahren werden üblicherweise mittels Feinguss-Technik hergestellt. Im Bereich der additiven Fertigung von Turbinenteilen, insbesondere aus Hochleistungswerkstoffen, wie Superlegierungen, umfassen die entsprechenden Substratmaterialien vorzugsweise ebenfalls hochtemperaturfeste oder hochwarmfesten Materialien, beispielsweise Superlegierungen.
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Die genannte Abhängigkeit des Abscheidungsergebnisses von der Substratzusammensetzung ist jedoch insbesondere bei der Verarbeitung von Werkstoffen für Turbinenteile problematisch, bei denen schon kleinste Spuren oder Verunreinigungen die gewünschten Eigenschaften des additiv herzustellenden oder aufzubauenden Bauteils zerstören können. Beispielsweise können schon geringe Mengen an Sauerstoff oder anderen Elementen, welche beispielsweise während der Herstellung an einer Schnittstelle zwischen dem Substrat und dem Bauteil in dieses hinein diffundieren, die Ausbildung gewünschter bzw. erforderlicher Materialphasen, wie der γ- oder γ’-Phase einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung, verhindern.
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Die genannte Variation der Zusammensetzung des Substrats kann herstellungsbedingt, und damit unkontrollierbar sein. Insbesondere stellt dies hinsichtlich der Reproduzierbarkeit des Herstellungsergebnisses eine große Hürde dar, welche einen erhöhten Entwicklungsaufwand und/oder einen erhöhten Kosten- und Zeitaufwand, beispielsweise für die Parameterfindung, bedeutet.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, mit denen die genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere wird eine Bauteilplattform angegeben, welche zumindest an einem maßgeblichen Oberflächenbereich eine homogene Zusammensetzung hinsichtlich seiner chemischen als auch physikalischen Eigenschaften aufweist, so dass bei der Verwendung dieser Bauteilplattform als Substrat, reproduzierbar Herstellungsergebnisse in der additiven Herstellung erzielt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Bauplattform für die additive Herstellung eines Bauteils, insbesondere aus einer Superlegierung, wie einer nickel- oder kobaltbasierten, insbesondere hochwarmfesten Legierung, für eine Anwendung in einem Heißgasbereich einer Gasturbine. Die Bauplattform weist einen Oberflächenbereich auf, welcher durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt bzw. aufgebaut oder herstellbar ist, wobei das additive Herstellungsverfahren ein Strahlschmelz- oder Strahlschweißverfahren ist.
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Als Alternative kann das additive Herstellungsverfahren ein Sinterverfahren, beispielsweise selektives Lasersintern (SLS), sein.
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Insbesondere die Bereitstellung der Bauplattform durch die genannten additiven Herstellungsverfahren und/oder die entsprechenden Materialien, bieten – beispielsweise im Gegensatz zu konventionell durch Feinguss hergestellten Substraten – den Vorteil, einer besonders homogenen Materialzusammensetzung. Beispielsweise kann durch die beschriebene Technologie, die Oberfläche des Substrats bzw. der Bauplattform fast vollständig einphasig oder ohne Phasenübergänge aufgebaut werden. Folglich wird auch die Reproduzierbarkeit des Herstellungsergebnisses durch diese „homogene Substratunterlage“ verbessert. Insbesondere führt eine homogene Substrat- oder Plattformoberfläche zu reproduzierbaren Ergebnissen in der Schmelze oder durch Schweißprozesse unmittelbar auf dem Substrat abgeschiedenen Materialspur.
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Der Ausdruck „Zusammensetzung“ bezeichnet vorzugsweise die chemische und/oder physikalische Zusammensetzung.
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Mit „Homogenität“ der Zusammensetzung kann gemeint sein, dass eine entsprechende Materialphase an einer Oberfläche der Bauplattform, welche vorzugsweise durch den Oberflächenbereich gebildet wird, nur eine einzige Phase aufweist oder frei von Phasenübergängen ist, welche beispielsweise durch die Fusionsprozesse während der additiven Abscheidung von Material auf dem Substrat bzw. der Bauplattform auch die darüber abgeschiedene Materialstruktur verändern können (siehe oben).
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Für die Lösung des beschriebenen Problems ist es erfindungsgemäß ausreichend, wenn lediglich der beschriebenen Oberflächenbereich in seinen Materialeigenschaften entsprechend homogen ist, da die chemische/physikalische Zusammensetzung des Oberflächenbereichs vorzugsweise maßgeblich für die Materialeigenschaften des auf der Bauplattform aufzubauenden Bauteil sind.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Bauplattform, umfassend den Oberflächenbereich, welcher, zumindest makroskopisch, eine chemisch und/oder physikalisch homogene Zusammensetzung aufweist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Bauplattform, umfassend den Oberflächenbereich, welcher, zumindest makroskopisch, einphasig ist.
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Der Ausdruck „makroskopisch“ kann insbesondere bedeuten, dass auch eine mikroskopische und/oder mesoskopische Homogenität oder „Einphasigkeit“ nicht notwendigerweise vorliegen muss und gegebenenfalls auch gar nicht realisierbar ist.
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Die genannte Homogenität bzw. Einphasigkeit bezieht sich vorzugsweise auf Bereiche in der Oberfläche der Bauplattform mit (lateralen) Abmessungen von beispielsweise 100 µm und mehr.
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Mit „makroskopisch“ kann weiterhin gemeint sein, dass die Materialzusammensetzung beispielsweise lediglich auf mikroskopischer Ebene, beispielsweise für Abmessungen von kleiner als 100 µm über die Oberfläche des Oberflächenbereichs, variiert.
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Die Materialzusammensetzung kann beispielsweise – um makroskopisch noch homogen zu sein – lediglich über Flächen oder Abmessungen variieren, welche mit dem bloßen (menschlichen) Auge nicht mehr sichtbar sind.
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In einer Ausgestaltung ist das additive Herstellungsverfahren ein Verfahren zum Laser- oder Elektronenstrahlschmelzen.
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In einer Ausgestaltung ist das additive Herstellungsverfahren ein Verfahren zum Laserauftragschweißen, insbesondere zum Laserpulverauftragschweißen.
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In einer Ausgestaltung ist ein Verfahren für die additive Herstellung des Bauteils ein Strahlschmelzverfahren, insbesondere selektives Laserschmelzen. Diese Verfahren sind besonders zweckmäßig für die Herstellung von Turbinenteilen aus Hochleistungswerkstoffen gemäß einer vorbestimmten Geometrie.
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In einer Ausgestaltung sind das Verfahren für die additive Herstellung des Bauteils und das beschriebene additive Herstellungsverfahren für die Bauplattform gleich. Die Verwendung der Bauplattform als Substrat für die additive Herstellung des Bauteils, wobei die Bauplattform mit dem gleichen Verfahren hergestellt wurde, ist insbesondere vorteilhaft, da durch die artgleichen Verfahren häufig ähnliche oder verwandte Materialsysteme verwendet werden können, welche zu einer besonderen Reproduzierbarkeit des Herstellungsergebnisses führen.
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In einer Ausgestaltung besteht der Oberflächenbereich aus einer Superlegierung, insbesondere einer nickel- oder kobaltbasierten, ausscheidungsgehärteten bzw. ausscheidungshärtbaren Superlegierung oder umfasst diese Legierung.
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In einer Ausgestaltung erstreckt sich der Oberflächenbereich entlang einer Dicke der Bauplattform, welche ausreichend ist, dass Variationen der Materialzusammensetzung der Bauplattform unterhalb des Oberflächenbereichs nicht mehr zu veränderten Eigenschaften des aufzubauenden Bauteils führen können. Dies kann insbesondere der Fall sein, da die beschriebene Schichtdicke oder Dicke eine Diffusionslänge von die Materialeigenschaften des aufzubauenden Bauteils zerstörenden Stoffen im Substrat während des additiven Aufbaus überschreiten kann.
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In einer Ausgestaltung erstreckt sich der Oberflächenbereich von einer Oberfläche der Bauplattform bis zu einer Dicke oder Tiefe von mindestens 500 µm, vorzugsweise von mindestens 1 mm, in die Bauplattform hinein. Diese Schichtdicken für den Oberflächenbereich sind vorliegend vorzugsweise hinreichend, um für auf der Oberfläche aufzubauende, insbesondere stoffschlüssig zu verbindende, Strukturen für das Bauteil reproduzierbare Herstellungsergebnisse hinsichtlich der Materialzusammensetzung zu erzielen.
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In einer Ausgestaltung ist die Bauplattform vollständig durch das beschriebene additive Herstellungsverfahren hergestellt oder aufgebaut. Diese Ausgestaltung ist insbesondere vorteilhaft, um die gesamte Bauplattform mit einer vorteilhaft homogenen Materialzusammensetzung auszustatten.
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In einer Ausgestaltung weist der Oberflächenbereich, zumindest makroskopisch, eine chemisch und/oder physikalisch homogene Zusammensetzung auf.
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In einer Ausgestaltung ist der Oberflächenbereich, zumindest makroskopisch, einphasig bzw. weist der Oberflächenbereich keine eutektoiden Bereiche oder Phasenübergänge auf.
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In einer Ausgestaltung weist der Oberflächenbereich eine Kornverteilung mit einer mittleren Korngröße von weniger als 300 µm auf. Besonders bevorzugt weist der Oberflächenbereich eine Kornverteilung mit einer mittleren Korngröße von weniger als 100 µm auf.
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Eine verhältnismäßig kleine Kornverteilung ermöglicht oder provoziert mit Vorteil weiterhin die erwünschte Homogenität der Materialzusammensetzung bzw. Materialeigenschaften des Oberflächenbereichs bzw. seiner Oberfläche.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Anlage für die additive Herstellung eines Bauteils, umfassend die beschriebene Bauplattform. Die Anlage umfasst zweckmäßigerweise weiterhin eine Einrichtung zum Strahlschmelzen und/oder Strahlschweißen, beispielsweise von einem Ausgangsmaterial für das Bauteil.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung der beschriebenen Bauplattform als Substrat für die additive Herstellung des beschriebenen Bauteils.
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In einer Ausgestaltung stimmt zumindest ein Haupt- und/oder Legierungsbestandteil eines Materials des Oberflächenbereichs der Bauplattform mit einem Haupt- und/oder Legierungsbestandteil des additiv herzustellenden Bauteils überein. Durch diese Ausgestaltung können mit Vorteil besonders reproduzierbare Ergebnisse bei der additiven Herstellung des Bauteils erzielt werden.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung der beschriebenen Bauplattform für die additive Herstellung eines Bauteils (vergleiche oben), wobei zumindest ein Oberflächenbereich der Bauplattform durch das Strahlschmelz- oder Strahlschweißverfahren (siehe oben) hergestellt oder herstellbar ist.
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Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf die Bauplattform bzw. die Anlage beziehen, können ferner das Verfahren zur additiven Herstellung bzw. die Verwendung betreffen oder umgekehrt.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
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1 zeigt schematisch eine Schnitt- oder Seitenansicht einer Anlage zur additiven Herstellung eines Bauteils.
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2 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Oberflächenbereich einer erfindungsgemäßen Bauplattform.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
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Anhand der Figuren wird vorliegend eine Bauplattform beschrieben, sowie die Verwendung derselben für die additive Herstellung eines Bauteils, und ein Verfahren zur Herstellung der Bauplattform.
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1 zeigt schematisch eine Schnitt- oder Seitenansicht einer Anlage 100 zur additiven Herstellung eines Bauteils oder Werkstücks 1.
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Die Anlage 100 ist vorzugsweise eine Anlage zur additiven Herstellung des Bauteils 1 durch ein Strahlschmelz- oder Strahlschweißverfahren. Für die genannten additiven Verfahren kommen insbesondere das selektive Laserschmelzen, das selektive Lasersintern, das Elektronenstrahlschmelzen, das Laserauftragschweißen, insbesondere das Laserpulverauftragschweißen oder ein Elektronenstrahlschweißverfahren in Frage. Als Auftragschweiß-Verfahren kann ebenfalls das sogenannte „micro cladding“ eingesetzt werden, welches speziell für eine Auflösung entsprechend abgeschiedene Strukturen von weniger als 100 µm eingerichtet sein kann.
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Das Bauteil 1 kann ein gemäß einer vorbestimmten oder gewünschten Geometrie hergestellter oder herstellbarer dreidimensionaler Gegenstand sein, welcher gemäß dem additiven Herstellungsverfahren durch eine Vielzahl einzelner Schichten, beispielsweise auf Basis einer 3D-CAD-Datei, aufgebaut wird. Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren für das Bauteil 1 ist das selektive Laserschmelzen.
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Bei dem Bauteil 1 kann es sich um eine Turbinenkomponente, beispielsweise ein Teil aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung handeln, welches im Heißgaspfad einer Gasturbine eingesetzt wird.
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In 1 ist das Bauteil 1 vorzugsweise nur teilweise und nicht fertig hergestellt, d.h. während seiner additiven Herstellung, gezeigt.
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Die Anlage 100 umfasst eine Bauplattform 2, welche vorzugsweise als Substrat für den additiven Aufbau des Bauteils 1 fungiert.
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Die Bauplattform 2 weist einen Oberflächenbereich 3 auf. Der Oberflächenbereich 3 bildet eine Oberfläche 4 der Bauplattform 2. Auf der Oberfläche 4 wird zweckmäßigerweise mit dem genannten Verfahren das Bauteil 1 additiv aufgebaut oder hergestellt.
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Der Oberflächenbereich 3 weist vorzugsweise eine Ausdehnung oder Dicke D auf. Die Dicke D beträgt vorzugweise mindestens 500 µm, besonders bevorzugt mindestens 1 mm oder mehr.
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Beispielsweise kann der Oberflächenbereich 3 sich derart über die Dicke der Bauplattform erstrecken, dass er dicker ist als eine Diffusionslänge für einzelne Spuren oder Elemente in der Bauplattform, welche die Materialzusammensetzung der Oberfläche 4 des Oberflächenbereichs beeinflussen können, insbesondere unter den Temperaturbedingungen der entsprechenden additiven Fertigung.
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Der Oberflächenbereich 3 erstreckt sich weiterhin vorzugsweise über die gesamte laterale Ausdehnung der Bauplattform 2.
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Der Oberflächenbereich 3 ist erfindungsgemäß insbesondere mittels des beschriebenen additiven Herstellungsverfahrens additiv hergestellt oder aufgebaut bzw. herstellbar. Dadurch kann vorteilhafterweise eine besonders homogene Materialzusammensetzung der Bauplattform 2 bzw. des Oberflächenbereichs 3 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die gesamte Oberfläche 4 zumindest makroskopisch betrachtet, vollständig homogen oder einphasig hinsichtlich seiner Materialzusammensetzung sein (vergleiche 2). Weiterhin kann eine Kornverteilung des Materials des Oberflächenbereichs (makroskopisch) homogen sein, wobei die Kornverteilung eine mittlere Korngröße von vorzugsweise weniger als 300 µm, besonders bevorzugt weniger als 100 µm aufweist.
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Die genannte Material- oder Oberflächenhomogenität ist vorzugsweise den genannten strahlbasierten additiven Herstellungsverfahren, insbesondere additiven Herstellungsverfahren für die Verarbeitung von Hochleistungswerkstoffen für Turbinenschaufeln, inhärent (vergleiche 2). Dadurch können die erfinderischen Vorteile, insbesondere eine Verbesserung des Herstellungsergebnisses erzielt werden, dadurch dass die erfindungsgemäße Bauplattform für den additiven Aufbau des Bauteils 1 verwendet wird.
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Alternativ zu der beschriebenen Ausgestaltung des Oberflächenbereichs 3 kann die Bauplattform 2 vollständig durch das oben beschriebene additive strahlbasierte Herstellungsverfahren herstellbar bzw. hergestellt sein. Mit anderen Worten kann sich der Oberflächenbereich 3 über die gesamte Dickenausdehnung der Bauplattform 2, beispielsweise entlang einer Aufbaurichtung des Bauteils (nicht explizit gekennzeichnet), erstrecken.
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Im Falle von pulverbettbasierten additiven Herstellungsverfahren, wie beispielsweise selektivem Laserschmelzen wird die Bauplattform 2 für den schichtweisen Aufbau nach jeder aufgebrachten Pulverschicht (nicht explizit gezeigt) vorzugsweise durch eine entsprechende Einrichtung (durch gestrichelte Linien angedeutet) abgesenkt, und zwar um ein der Schichtdicke der neu aufzubringenden und/oder zu verfestigenden Schicht für das Bauteil entsprechendes Maß.
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Anschließend wird diese aufgebrachte Schicht vorzugsweise mittels einer Strahleinrichtung 6, beispielsweise mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen und verfestigt oder verschweißt.
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Die Strahleinrichtung 6 kann gemäß den oben beschriebenen Verfahren insbesondere als Laser- oder Elektronenstrahl-Einrichtung zum Auftragschweißen oder selektivem Laser- oder Elektronenstrahlsschmelzen eingerichtet sein. Beim selektiven Laserschmelzen wird ein Pulverbett (nicht explizit in den Figuren gezeigt) mit der Strahleinrichtung 6 insbesondere gerastert oder abgefahren. Ein entsprechender Energiestrahl ist durch die gestrichelte Linie angedeutet.
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Die Bauplattform 2 ist erfindungsgemäß weiterhin vorzugsweise mittels des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt bzw. herstellbar, um die additive Herstellung des Bauteils 1, wie beschrieben auf möglichst artgleichem Material durchzuführen, so dass besonders reproduzierbare Herstellungsergebnisse für das Bauteil 1 erzielt werden können.
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Insbesondere wird dieser besonders reproduzierbare Materialaufbau durch die Homogenität der beschriebenen Materialeigenschaften, insbesondere der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Oberflächenbereichs 3, insbesondere seiner Oberfläche 4 erzielt.
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Vorzugsweise sind ein Legierungsbestandteil, vorzugsweise ein Hauptbestandteil des Materials des Oberflächenbereichs 3 und des Materials des Bauteils 1 gleich oder stimmen überein. Diese Ausgestaltung ist besonders zweckmäßig dadurch zu erreichen, dass insbesondere das Verfahren für die additive Herstellung des Bauteils 1 und das additive Herstellungsverfahren, durch welches die Bauplattform hergestellt ist, ebenfalls gleich sind.
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2 zeigt schematisch eine Aufsicht auf die Oberfläche 4 des Oberflächenbereichs 3 der Bauplattform 2. Es soll durch die regelmäßige Punktierung der Oberfläche 4 angedeutet werden, dass eine Materialzusammensetzung des Oberflächenbereichs 2 hinsichtlich seiner physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften zumindest makroskopisch über die gesamte Oberfläche 4 hinweg (oder zumindest über große Bereiche derselben) verteilt, homogen ist und vorzugsweise keine Phasenübergänge aufweist, sondern einphasig ist.
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Eine derart homogene Oberflächenzusammensetzung der Oberfläche 4 bzw. des Oberflächenbereichs 3 der Bauplattform 2 ist insbesondere mittels herkömmlicher Verfahren, insbesondere üblicherweise verwendeter Feinguss-Technologie, nicht möglich. Erfindungsgemäß wird diese Ausgestaltung und damit auch die erfinderischen Vorteile durch die Verwendung der beschriebenen additiven Herstellungsverfahren, insbesondere selektivem Laserschmelzen oder auch mittels Laserauftragschweißen erreicht.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
