DE102016212080A1

DE102016212080A1 - Schichtbauverfahren und Schichtbauvorrichtung zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils

Info

Publication number: DE102016212080A1
Application number: DE102016212080.8A
Authority: DE
Inventors: Johannes Casper; Herbert Hanrieder; Andreas Jakimov
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2016-07-04
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2018-01-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils (10), insbesondere eines Bauteils (10) einer Strömungsmaschine. Dabei werden zumindest die Schritte a) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer absenkbaren Bauplattform (12), wobei der Werkstoff auf eine vorbestimmte erste Temperatur temperiert wird, b) Schichtweises und lokales Verschmelzen und/oder Versintern des temperierten Werkstoffs zum Ausbilden einer Bauteilschicht durch selektives Belichten des Werkstoffs mit wenigstens einem Hochenergiestrahl gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie, c) Schichtweises Absenken der Bauplattform (12) um eine vordefinierte Schichtdicke und d) Wiederholen der Schritte a) bis d) bis zur Fertigstellung des Bauteilbereichs durchgeführt. Vor Schritt b) wird mindestens ein Bild des temperierten Werkstoffs mittels eines Kamerasystems akquiriert, wobei das Bild eine Temperatur und/oder Temperaturverteilung des Werkstoffs im Bereich der Aufbau- und Fügezone charakterisiert. Mittels einer Recheneinrichtung wird anhand des akquirierten Bilds die Belichtungsstrategie für wenigstens eine folgende Bauteilschicht bestimmt und/oder angepasst. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils (10) durch ein solches additives Schichtbauverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren sowie ein durch ein Schichtbauverfahren hergestelltes Bauteil für eine Strömungsmaschine.
Additive Schichtbauverfahren bezeichnen Prozesse, bei denen anhand eines virtuellen Modells eines herzustellenden Bauteils oder Bauteilbereichs das Bauteil oder der Bauteilbereich schichtweise, mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls, aufgebaut wird. Dabei werden die Geometriedaten in Schichtdaten zerlegt (sog. „slicen“). Diese Schichtinformationen dienen als Vorlage innerhalb welcher Flächen oder/und entlang welcher Konturen das formlose Material verfestigt werden soll. Abhängig von der Geometrie des Modells und/oder des verwendeten Anlagentyps wird eine Belichtungsstrategie bestimmt, gemäß welcher der Hochenergiestrahl die jeweilige Schicht „abrastern“ soll. Neben der Anzahl und Anordnung von Belichtungsvektoren, zum Beispiel Streifenbelichtung, Islandstragie etc., umfasst die Belichtungsstrategie weitere Prozessparameter wie beispielsweise die Leistung eines zum Verfestigen zu verwendenden Hochenergiestrahls sowie die Unterteilung in sogenannte Up-, In- und Downskinbereiche. Gemäß der Belichtungsstrategie wird dann der gewünschte Werkstoff schichtweise abgelagert und selektiv mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls verfestigt, um den Bauteilbereich additiv aufzubauen. Damit unterscheiden sich additive bzw. generative Herstellungsverfahren von konventionellen abtragenden oder urformenden Fertigungsmethoden. Beispiele für additive Herstellungsverfahren sind generative Lasersinter- bzw. Laserschmelzverfahren, die zur Herstellung von Bauteilen für Strömungsmaschinen wie Flugtriebwerke verwendet werden können. Beim selektiven Laserschmelzen werden dünne Pulverschichten des oder der verwendeten Werkstoffe auf eine Bauplattform aufgebracht und mit Hilfe eines oder mehrerer Laserstrahlen lokal im Bereich einer Aufbau- und Fügezone aufgeschmolzen und verfestigt. Anschließend wird die Bauplattform abgesenkt, eine weitere Pulverschicht aufgebracht und erneut lokal verfestigt. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis das fertige Bauteil bzw. der fertige Bauteilbereich erhalten wird. Das Bauteil kann anschließend bei Bedarf weiterbearbeitet oder sofort verwendet werden. Beim selektiven Lasersintern wird das Bauteil in ähnlicher Weise durch laserunterstütztes Sintern von pulverförmigen Werkstoffen hergestellt.
Als nachteilig an den bekannten additiven Schichtbauverfahren ist der Umstand anzusehen, dass viele Werkstoffe zunächst temperiert werden müssen, um sie zuverlässig verschmelzen bzw. versintern zu können. Hierdurch leidet aber häufig die Maßhaltigkeit des additiv gefertigten Bauteilbereichs bzw. Bauteils.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes additives Schichtbauverfahren so zu verbessern, dass Bauteile bzw. Bauteilbereiche mit verbesserter Maßhaltigkeit hergestellt werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schichtbauvorrichtung bereitzustellen, welche die additive Herstellung von Bauteilen bzw. Bauteilbereichen mit verbesserter Maßhaltigkeit ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein durch ein additives Schichtbauverfahren hergestelltes Bauteil mit verbesserter Maßhaltigkeit bereitzustellen.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Schichtbauverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Schichtbauvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 sowie durch ein Bauteil gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte und umgekehrt anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine, bei welchem zumindest die Schritte a) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer absenkbaren Bauplattform, wobei der Werkstoff auf eine vorbestimmte erste Temperatur temperiert wird, b) Schichtweises und lokales Verschmelzen und/oder Versintern des temperierten Werkstoffs zum Ausbilden einer Bauteilschicht durch selektives Belichten des Werkstoffs mit wenigstens einem Hochenergiestrahl gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie, c) Schichtweises Absenken der Bauplattform um eine vordefinierte Schichtdicke und d) Wiederholen der Schritte a) bis d) bis zur Fertigstellung des Bauteilbereichs durchgeführt werden. Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, dass vor Schritt b) mindestens ein Bild des temperierten Werkstoffs mittels eines Kamerasystems akquiriert wird, wobei das Bild eine Temperatur und/oder Temperaturverteilung des Werkstoffs im Bereich der Aufbau- und Fügezone charakterisiert, und dass mittels einer Recheneinrichtung anhand des akquirierten Bilds die Belichtungsstrategie für wenigstens einen Bereich mindestens einer folgenden Bauteilschicht bestimmt und/oder angepasst wird, wobei der Begriff „Werkstoff“ das Material im Allgemeinen, d.h. sowohl loses Rohmaterial als auch bereits verfestigte Bauteilbereiche umfasst. Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß für wenigstens eine Bauteilschicht eine “online-Temperaturkompensation“ vorgesehen, bei welcher durch das Akquirieren wenigstens eines die Temperatur bzw. Temperaturverteilung des Werkstoffs charakterisierenden Bilds die thermisch induzierte Dehnung oder Schrumpfung des Werkstoffs ermittelt und zur Bestimmung bzw. Anpassung der Belichtungsstrategie wenigstens eines Bereichs einer nachfolgenden Bauteilschicht verwendet wird. Die Verfestigung der nachfolgenden Bauteilschicht(en) erfolgt dann gemäß der angepassten Belichtungsstrategie bzw. Belichtungsbahnen. Hierdurch wird eine erheblich verbesserte Maßhaltigkeit des additiv gefertigten Bauteils bzw. Bauteilbereichs erzielt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist zudem nicht nur aber insbesondere auch bei komplexen Bauteilgeometrien, bei denen eine rein theoretische Berechnung der thermisch induzierten Dehnung oder Schrumpfung des Werkstoffs ungenau oder sogar unmöglich ist, von besonderem Vorteil.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Kamerasystem eine optische Tomographieeinrichtung verwendet. Dies erlaubt eine hochgenaue Erfassung der einzelnen Schichten des Bauteils bzw. Bauteilbereichs. Die optische Tomographie (OT) ist ein leistungsfähiges, zerstörungsfreies Verfahren zur Überwachung des Schichtbauverfahrens bei der Additiven Fertigung, wobei hier ein Kamerasystem Bilder im sichtbaren und/oder im Infrarot-Wellenlängenbereich aufnimmt. Prozessstörungen, wie z. B. ungleichmäßige oder falsche Temperaturen bzw. Temperaturverteilungen sowie Prozessstörungen wie verstärkte Schmauchbildung oder Verwirbelung der Schutzgasströmung können zuverlässig erkannt und dokumentiert und gegebenenfalls zur weiteren Bestimmung bzw. Anpassung der Belichtungsstrategie herangezogen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass mittels der Recheneinrichtung anhand des Bilds eine Bauteilschichtkontur ermittelt wird. Dies erlaubt eine Kontrolle der Geometrie- bzw. Konstruktionsdaten, auf deren Grundlage die Belichtungsstrategie bestimmt wurde. Falls eine unzulässige Abweichung zwischen der durch die Konstruktionsdaten vorgegebenen Soll-Bauteilschichtkontur und der ermittelten Ist-Bauteilschichtkontur festgestellt wird, können entsprechende Korrekturmaßnahmen durchgeführt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Belichtungsstrategie unter Berücksichtigung der ermittelten Bauteilschichtkontur bestimmt und/oder angepasst wird. Das Prinzip der Kompensation der thermischen Dehnung bei der Bestimmung bzw. Änderung der Belichtungsbahnen und -strategie kann damit gerade auch bei komplexeren Geometrien durchgeführt werden, bei denen eine rein theoretische Berechnung schwierig oder unmöglich wäre. Bei ausreichend hohen Bauteil- bzw. Halbzeugtemperaturen können so beispielsweise über einen Mindesthelligkeitswert und/oder ortsaufgelöste Pixel die Bauteilkonturen erkannt werden. Anhand der erkannten Bauteilkontur können dann gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer bereits vorgegebenen Belichtungsstrategie (Streifen-, Island-, Konturbelichtung usw.) die Belichtungsbahnen bestimmt oder angepasst werden. Ebenso ist es möglich, zunächst die Konstruktionsdaten anzupassen und bedarfsweise für weitere Verfahrensdurchgänge zu speichern. Anschließend kann die Verfestigung des Werkstoffs entlang der gegebenenfalls geänderten Belichtungsbahnen erfolgen.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Belichtungsstrategie unter Berücksichtigung wenigstens eines Werkstoffkennwerts, welcher zumindest das Verhalten des Werkstoffs bezüglich Veränderungen seiner Abmessungen bei Temperaturveränderungen charakterisiert, und/oder unter Berücksichtigung wenigstens eines Temperaturparameters, welcher die vorbestimmte erste Temperatur charakterisiert, bestimmt und/oder angepasst wird. Dies erlaubt eine zusätzliche Verbesserung der Maßhaltigkeit des additiv hergestellten Bauteilbereichs bzw. Bauteils.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Belichtungsstrategie unter Berücksichtigung von Geometriedaten, welche eine Geometrie des additiv herzustellenden Bauteilbereichs bei einer vorbestimmten zweiten Temperatur charakterisieren, und/oder unter Berücksichtigung von Konstruktionsdaten, welche eine Geometrie des additiv herzustellenden Bauteilbereichs bei der vorbestimmten ersten Temperatur charakterisieren, bestimmt und/oder angepasst wird. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass bislang bekannte Belichtungsstrategien bzw. Optimierungsansätze von Schichtbauverfahren nicht die Verarbeitung von temperierten Werkstoffen berücksichtigt haben. Obwohl die zweite Temperatur grundsätzlich höher als die erste Temperatur sein kann, wird die zweite Temperatur in den meisten Fällen aufgrund der Vorwärmung des Werkstoffs und/oder des bereits verfestigten Bauteils bzw. des Bauteilbereichs niedriger als die erste Temperatur sein. Insbesondere bei der Verarbeitung von hochschmelzenden und/oder schwer-schweißbarer Werkstoffen ist eine vergleichsweise starke Vorwärmung des Werkstoffs erforderlich. Bei Nickelbasislegierungen sind beispielsweise Vorheiztemperaturen von mehr als 950 °C notwendig, während bei Titanaluminiden 800 °C oder mehr notwendig sind. In diesen Temperaturbereichen dehnt sich aber das bereits gefertigte Bauteil bzw. der bereits gefertigte Bauteilbereich relativ stark aus, so dass diese Dehnungen wie bereits erwähnt bei der Bestimmung der Belichtungsstrategie berücksichtigt werden muss, um eine bessere Maßhaltigkeit sicherzustellen. Eine weitere Verbesserung der Maßhaltigkeit wird daher erreicht, indem die durch die Temperaturänderung zwischen erster und zweiter Temperatur verursachten Geometrieänderung des herzustellenden Bauteilbereichs bereits auf der Ebene der Geometriedaten berücksichtig werden, indem eine von der Temperaturdifferenz zwischen erster und zweiter Temperatur und des Werkstoffkennwerts abhängige Korrektur der Geometriedaten vorgenommen wird. Das Ergebnis des Verfahrens stellen temperaturkorrigierte Konstruktionsdaten dar, welche die Geometrie des herzustellenden Bauteilbereichs bei der ersten Temperatur, auf welche der Werkstoff im Rahmen des Schichtbauverfahrens temperiert wird, charakterisierten. Zusätzlich zu einer weiter verbesserten Maßhaltigkeit können dabei auch verbesserte Oberflächenqualitäten erzeugt werden. Weiterhin wird ein verbessertes Verhalten des fertigen Bauteils bzw. Bauteilbereichs im Hinblick auf etwaige Eigenspannungen ermöglicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Geometriedaten die Geometrie des Bauteilbereichs bei einer zweiten Temperatur charakterisieren, die zwischen 15 °C und 30 °C beträgt. Beispielsweise kann die zweite Temperatur im Bereich der Raumtemperatur liegen und 15 °C, 16 °C, 17 °C, 18 °C, 19 °C, 20 °C, 21 °C, 22 °C, 23 °C, 24 °C, 25 °C, 26 °C, 27 °C, 28 °C, 29 °C oder 30 °C betragen. Hierdurch beschreiben die Geometriedaten eine Geometrie des Bauteilbereichs, die bei üblichen Montage- und Demontagebedingungen vorliegt. Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass die erste Temperatur mindestens 400 °C beträgt. Hierdurch ist gewährleistet, dass die unter Berücksichtigung der ersten Temperatur ermittelten oder korrigierten Konstruktionsdaten die Geometrie des Bauteilbereichs bei Temperaturen beschreiben, die bei der Temperierung von hochtemperaturfesten bzw. schwerschweißbaren Werkstoffen üblich sind. Unter einer Temperatur von mindestens 750 °C sind beispielsweise Werte von 750 °C, 800 °C, 850 °C, 900 °C, 950 °C, 1000 °C, 1050 °C, 1100 °C, 1150 °C, 1200 °C, 1250 °C, 1300 °C, 1350 °C oder mehr sowie entsprechende Zwischenwerte wie beispielsweise 850 °C, 851 °C, 852 °C, 853 °C, 854 °C, 855 °C, 856 °C, 857 °C, 858 °C, 859 °C, 860 °C etc. zu verstehen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Geometriedaten und/oder die Konstruktionsdaten mittels der Recheneinrichtung in Schichtdaten zerlegt werden. Das Zerlegen der Geometriedaten und/oder Konstruktionsdaten in Schichtdaten, was auch als „slicen“ bezeichnet wird, erleichtert die Umwandlung des Modells in Maschinencode für eine das Schichtbauverfahren ausführende Schichtbauvorrichtung. Beispielsweise kann die Schichtdicke in Abhängigkeit des später eingesetzten Schichtbauverfahrens, des Werkstoffs, der Bauteilgeometrie, der Belichtungsstrategie etc. gewählt werden. Es kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass die Geometriedaten zunächst in Schichtdaten zerlegt werden und dass die Konstruktionsdaten anhand der Schichtdaten ermittelt werden. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Konstruktionsdaten anhand der unzerlegten Geometriedaten ermittelt und anschließend ihrerseits in Schichtdaten zerlegt werden. Weiterhin können Mischformen dieser Varianten vorgesehen sein. Die Schichtdaten können beispielsweise in einem STL-Format (Standard Tesselation Language) vorliegen bzw. durch Triangulation in dieses Format umgewandelt werden. Alternativ können aber auch andere Formate wie beispielweise das AMF-Format (Additive Manufacturing File Format) verwendet werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem der zu verwendende Werkstoff ausgewählt wird aus der Gruppe der schwer schweißbaren Metalle, Metallverbindungen und intermetallischen Verbindungen. Hierdurch können thermisch hochbelastbare Bauteile mit hoher Maßhaltigkeit hergestellt und vielseitig, beispielsweise zum Triebwerksbau eingesetzt werden. Der Werkstoff kann beispielsweise aus der Gruppe Eisen, Titan, Nickel, Chrom, Cobalt, Kupfer, Aluminium, Stahl, Aluminiumlegierung, Titanlegierung, Kobaltlegierung, Chromlegierung, Nickelbasislegierung, Kupferlegierungen, Platinlegierungen, Molybdänlegierungen, Nioblegierungen, Tantallegierungen, Wolframlegierungen, Mg₂Si, Titanaluminide, Intermetalle, Keramiken, Metal-Matrix-Composites (MMC) und/oder Ceramic-Matrix-Composites (CMC) ausgewählt werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren, welche mindestens eine Pulverzuführung zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf eine Aufbau- und Fügezone einer bewegbaren Bauplattform, eine Temperiereinrichtung, mittels welcher der Werkstoff vor und/oder während des Schichtbauverfahrens auf eine vorbestimmte erste Temperatur zu temperieren ist, und mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Hochenergiestrahls zum schichtweisen und lokalen Verschmelzen und/oder Versintern des temperierten Werkstoffs zum Ausbilden einer Bauteilschicht durch selektives Belichten des Werkstoffs mit dem wenigstens einem Hochenergiestrahl gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie umfasst. Erfindungsgemäß umfasst die Schichtbauvorrichtung zusätzlich mindestens ein Kamerasystem, mittels welchem mindestens ein Bild des temperierten Werkstoffs akquirierbar ist, wobei das Bild eine Temperatur und/oder Temperaturverteilung des temperierten Werkstoffs im Bereich der Aufbau- und Fügezone charakterisiert, und mindestens eine Recheneinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, anhand des akquirierten Bilds die Belichtungsstrategie für wenigstens eine folgende Bauteilschicht zu bestimmen und/oder anzupassen. Der Begriff „Werkstoff“ umfasst hierbei das Material im Allgemeinen, d.h. sowohl loses Rohmaterial als auch bereits verfestigte Bauteilbereiche. Mit anderen Worten ist die erfindungsgemäße Schichtbauvorrichtung dazu ausgelegt, für wenigstens eine Bauteilschicht eine “online-Temperaturkompensation“ durchzuführen, bei welcher durch das Akquirieren wenigstens eines die Temperatur bzw. Temperaturverteilung des Werkstoffs charakterisierenden Bilds die thermisch induzierte Dehnung oder Schrumpfung des Werkstoffs ermittelt und zur Bestimmung bzw. Anpassung der Belichtungsstrategie wenigstens einer nachfolgenden Bauteilschicht verwendet wird. Die Verfestigung der nachfolgenden Bauteilschicht(en) kann dann gemäß der angepassten Belichtungsstrategie bzw. Belichtungsbahnen erfolgen. Hierdurch wird eine erheblich verbesserte Maßhaltigkeit des additiv gefertigten Bauteils bzw. Bauteilbereichs ermöglicht. Die erfindungsgemäße Schichtbauvorrichtung ist zudem nicht nur aber insbesondere auch bei komplexen Bauteilgeometrien, bei denen eine rein theoretische Berechnung der thermisch induzierten Dehnung oder Schrumpfung des Werkstoffs ungenau oder sogar unmöglich ist, von besonderem Vorteil. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Ausdruck „ausgebildet zu“ so zu verstehen, dass die Recheneinrichtung nicht nur eine allgemeine Eignung besitzt, sondern konkret hard- und/oder softwarebasiert zur Durchführung der genannten Schritte eingerichtet und konfiguriert ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schichtbauvorrichtung als selektive Laserschmelz- und/oder Lasersintervorrichtung ausgebildet. Hierdurch können Teilbereiche hergestellt werden, deren mechanischen Eigenschaften zumindest im Wesentlichen denen des Bauteilwerkstoffs entsprechen. Zur Erzeugung eines Laserstrahls kann beispielsweise ein CO₂-Laser, Nd:YAG-Laser, Yb-Faserlaser, Diodenlaser oder dergleichen vorgesehen sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Laserstrahlen verwendet werden. In Abhängigkeit des Bauteilwerkstoffs und der Belichtungsstrategie kann es beim Belichten zu einem Aufschmelzen und/oder zu einem Versintern des Pulvers kommen, so dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „Verschweißen“ auch „Versintern“ und umgekehrt verstanden werden kann.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Schichtbauvorrichtung eine Speichereinrichtung umfasst, welche Konstruktionsdaten umfasst, die eine Geometrie des wenigstens einen additiv herzustellenden Bauteilbereichs bei der vorbestimmten Temperatur charakterisieren, auf welche der Werkstoff zu temperieren ist. Hierdurch können bereits temperaturkorrigierten Konstruktionsdaten in computerlesbarer Form bereitgestellt, signaltechnisch mit der Recheneinrichtung gekoppelt und zur additiven Herstellung eines Bauteils bzw. Bauteilbereichs mit verbesserter Maßhaltigkeit verwendet werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil für eine Strömungsmaschine, insbesondere für ein Flugtriebwerk, wobei das Bauteil eine besonders hohe Maßhaltigkeit besitzt, indem es durch ein Schichtbauverfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt und/oder durch eine Schichtbauvorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt erhältlich und/oder erhalten ist. Weitere sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen der betreffenden Erfindungsaspekte zu entnehmen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Dabei zeigt:
1 eine Prinzipdarstellung der Geometrie eines auf einer Bauteilplattform additiv gefertigten Bauteils bei Raumtemperatur und bei einer Temperatur, auf welche ein Werkstoff bei der Herstellung temperiert wurde;
2 eine schematische Darstellung einer Belichtungsstrategie einer Bauteilschicht des Bauteils ohne Temperaturkompensation;
3 eine schematische Darstellung einer Belichtungsstrategie der Bauteilschicht des Bauteils mit Temperaturkompensation;
4 ein Ablaufdiagramm der Ermittlung von Konstruktionsdaten, die an eine Vorwärmtemperatur angepasst sind; und
5 ein Ablaufdiagramm der Anpassung der Belichtungsstrategie während des schichtweisen Aufbaus des Bauteils.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung der Geometrie eines Bauteils 10, das durch ein additives Schichtbauverfahren auf einer Bauteilplattform 12 einer Schichtbauvorrichtung (nicht gezeigt) aus einem schwer schweißbaren Werkstoff gefertigt wurde. Die Verarbeitung von schwer schweißbaren Werkstoffen mittels additiver Schichtbauverfahren wie beispielsweise Laserpulverauftragsschweißen, Laserstrahlschmelzen etc. sind nur bei stark erhöhten Arbeits- bzw. Bauteiltemperaturen möglich. Bei Nickelbasislegierungen sind beispielsweise Vorheiztemperaturen von mehr als 950 °C notwendig, während bei TiAl ca. 800 °C erforderlich sind. Bei diesen erhöhten Temperaturen dehnt sich das bereits gefertigte Bauteil 10 aus, so dass diese Dehnungen bei der Wahl der Belichtungsstrategie, das heißt der Belichtungsparameter und der Laserbahn berücksichtigt werden müssen, um eine bessere Maßhaltigkeit zu erzielen. Man erkennt, dass sich die Geometrie des Bauteils 10 bei Raumtemperatur (z. B. 18 °C bis 25 °C) erheblich von der gestrichelt gezeigten Geometrie des Bauteils 10’ bei der Vorheiztemperatur des Werkstoffs unterscheidet.
Für die additive Fertigung von Bauteilen 10 mit Hilfe von additiven Schichtbauverfahren werden virtuelle Modelle (CAD Modelle) des oder der Bauteile 10 normalerweise mittels einer Recheneinrichtung in entsprechende Schichtdaten zerlegt und so in einem Datenmodell als Geometriedaten für die Verarbeitung aufbereitet. Für die einzelnen Bauteilschichten wird abhängig von der Geometrie des CAD-Modells und der Belichtungsstrategie (z. B. Streifenbelichtung, Islandstragie etc.) eine Laserbahn festgelegt, entlang derer der Werkstoff selektiv verfestigt wird. Die Geometriedaten beschreiben damit aber die Geometrie, die das Bauteil 10 bei Raumtemperatur besitzt, nicht aber die Geometrie, die das Bauteil 10 bei einer abweichenden Temperatur aufweist. 2 zeigt zur Verdeutlichung eine schematische Darstellung einer Belichtungsstrategie einer Bauteilschicht des Bauteils 10 ohne entsprechende Temperaturkompensation. Man erkennt, dass die ohne Berücksichtung der Temperierung des Werkstoffs bestimmten Scanvektoren 14 nicht die gesamte Bauteilschicht belichten, so dass insbesondere Randbereiche des temperierten Bauteils 10’ nicht oder nicht ausreichend verfestigt werden, wenn die temperaturinduzierte Geometrieänderung des Bauteils 10 nicht berücksichtigt wird. Dementsprechend leidet die Maßhaltigkeit des Bauteils 10.
Daher ist es vorgesehen, dass anhand der Geometriedaten temperaturkorrigierte Konstruktionsdaten ermittelt werden, indem der Temperaturunterschied zwischen einer zweiten Temperatur, für welche die Geometriedaten ermittelt wurden, und einer ersten Temperatur, auf welche der Werkstoff während des Schichtbauverfahrens temperiert werden muss, ermittelt wird, wonach unter Zuhilfenahme des Werkstoffkennwerts die Geometrie des Bauteils bei der ersten Temperatur ermittelt und in einem Konstruktionsdatensatz gespeichert wird. Dieser Konstruktionsdatensatz wird dann zur Bestimmung und/oder Anpassung der Belichtungsstrategie herangezogen. Dieser grundsätzlich optionale Verfahrensablauf stellt einem eigenständigen Aspekt der Erfindung dar. Generell ist es auch möglich, zunächst Geometriedaten zu verwenden, die nicht für die Temperatur definiert sind, auf welche der Werkstoff des Bauteils 10 während der Herstellung temperiert werden muss, und diese Geometriedaten bedarfsweise „online“ zu korrigieren. Diese „online-Temperaturkorrektur“ wird im Folgenden näher beschrieben werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer angepassten Belichtungsstrategie der Bauteilschicht des Bauteils 10 mit einer Temperaturkompensation. Man erkennt, dass die Scanvektoren 14 nunmehr die gesamte Bauteilschicht des erwärmten Bauteils 10’ verfestigen, so dass nach dem Abkühlen eine besonders hohe Maßhaltigkeit sichergestellt ist.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm der grundsätzlich optionalen Ermittlung von Konstruktionsdaten, die an eine Vorwärmtemperatur eines Werkstoffs angepasst sind. In einem ersten Schritt 16 werden Geometriedaten bereitgestellt, welche eine Geometrie wenigstens eines mittels des Schichtbauverfahrens additiv herzustellenden Bauteilbereichs eines Bauteils 10 bei einer vorbestimmten ersten Temperatur, beispielsweise bei Raumtemperatur, charakterisieren. In einem weiteren Schritt 18 werden die Geometriedaten in Schichtdaten orthogonal zur Aufbaurichtung aufbereitet. Dieser Schritt 18 kann auch zu einem späteren Zeitpunkt bzw. anhand der Konstruktionsdaten erfolgen. Anschließend werden in Schritt 20 ein oder mehrere Werkstoffkennwerte bereitgestellt, wobei mindestens ein Werkstoffkennwert (z. B. α_T) zumindest das Verhalten des zu verwendenden Werkstoffs bezüglich Veränderungen seiner Abmessungen bei Temperaturveränderungen charakterisiert. In Schritt 22 wird zusätzlich wenigstens ein Temperaturparameter bereitgestellt, welcher die vorbestimmte erste Temperatur charakterisiert, auf welche der Werkstoff vor und/oder während des Schichtbauverfahrens zu temperieren ist. Die erste Temperatur und die zweite Temperatur sind dabei unterschiedlich. Aus diesen Daten werden mit Hilfe einer Recheneinrichtung in Schritt 24 an die erste Temperatur angepasste Konstruktions- und/oder Schichtdaten ermittelt, welche die Geometrie des Bauteils 10’ bei der ersten Temperatur charakterisieren. In Schritt 26 wird schließlich die Belichtungsstrategie anhand der Konstruktions- und/oder Schichtdaten festgelegt. Hierdurch ist eine Temperaturkompensation bereits vor der Herstellung möglich. Anschließend kann das Schichtbauverfahren durchgeführt werden.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm der Anpassung der Belichtungsstrategie während des schichtweisen Aufbaus des Bauteils 10’. Hierbei wird die Temperaturkompensation erfindungsgemäß während der Herstellung durchgeführt. In einem ersten Schritt 28 werden entweder Geometriedaten, die nicht temperaturkorrigiert sind, oder bereits temperaturkorrigierte Konstruktionsdaten bereitgestellt. In Schritt 30 werden die Geometrie- oder Konstruktionsdaten in Schichtdaten zerlegt („slicen“). In Schritt 32 wird die Belichtungsstrategie festgelegt und beispielsweise ein sogenanntes „job file“ erstellt, welches die Schichtinformationen mit den Belichtungsparametern als Belichtungsstrategie für die Schichtbauvorrichtung enthält. Während der Herstellung wird dann bei wenigstens einer Bauteilschicht eine Kontrolle und gegebenenfalls Anpassung der Belichtungsstrategie durchgeführt. Hierzu wird während des Bauprozesses die Temperatur der Werkstoffoberfläche beobachtet, indem in einem Schritt 34 ein Bild des temperierten Werkstoffs aufgenommen wird. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer optischen Tomographieeinrichtung erfolgen. Bei ausreichend hohen Werkstoff- bzw. Bauteil- oder Halbzeugtemperaturen können beispielsweise über einen Mindesthelligkeitswert und/oder ortsaufgelöste Pixel die Bauteilkonturen anhand des Bilds ermittelt werden (Schritt 36). In diese erkannte Bauteilkontur werden dann in Schritt 38 unter Berücksichtigung der Geometrie- bzw. Konstruktionsdaten und der in Schritt 40 vorgegebenen Belichtungsstrategie (Streifen-, Island-, Konturbelichtung etc.) die Belichtungsbahnen in Schritt 42 berechnet, in die Bauteilkontur hineinlegt und/oder korrigiert. Anschließend erfolgt in Schritt 44 die Verfestigung der folgenden Bauteilschicht(en) gemäß der neu bestimmten und/oder korrigierten Belichtungsstrategie.
Bezugszeichenliste

10: Bauteil
12: Bauteilplattform
14: Scanvektoren
16: Schritt
18: Schritt
20: Schritt
22: Schritt
24: Schritt
26: Schritt
28: Schritt
30: Schritt
32: Schritt
34: Schritt
36: Schritt
38: Schritt
40: Schritt
42: Schritt
44: Schritt

Claims

Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils (10), insbesondere eines Bauteils (10) einer Strömungsmaschine, umfassend zumindest folgende Schritte: a) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer absenkbaren Bauplattform (12), wobei der Werkstoff, welcher sowohl loses Rohmaterial als auch bereits verfestigte Bauteilbereiche umfasst, auf eine vorbestimmte erste Temperatur temperiert wird; b) Schichtweises und lokales Verschmelzen und/oder Versintern des temperierten Werkstoffs zum Ausbilden einer Bauteilschicht durch selektives Belichten des Werkstoffs mit wenigstens einem Hochenergiestrahl gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie; c) Schichtweises Absenken der Bauplattform (12) um eine vordefinierte Schichtdicke; und d) Wiederholen der Schritte a) bis d) bis zur Fertigstellung des Bauteilbereichs, dadurch gekennzeichnet, – dass vor Schritt b) mindestens ein Bild des temperierten Werkstoffs mittels eines Kamerasystems akquiriert wird, wobei das Bild eine Temperatur und/oder Temperaturverteilung des Werkstoffs im Bereich der Aufbau- und Fügezone charakterisiert; und – dass mittels einer Recheneinrichtung anhand des akquirierten Bilds die Belichtungsstrategie für wenigstens eine folgende Bauteilschicht bestimmt und/oder angepasst wird.
Schichtbauverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kamerasystem Bilder im sichtbaren und/oder im Infrarot-Wellenlängenbereich aufnimmt.
Schichtbauverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Recheneinrichtung anhand des Bilds eine Bauteilschichtkontur ermittelt wird.
Schichtbauverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungsstrategie unter Berücksichtigung der ermittelten Bauteilschichtkontur bestimmt und/oder angepasst wird.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungsstrategie unter Berücksichtigung wenigstens eines Werkstoffkennwerts, welcher zumindest das Verhalten des Werkstoffs bezüglich Veränderungen seiner Abmessungen bei Temperaturveränderungen charakterisiert, und/oder unter Berücksichtigung wenigstens eines Temperaturparameters, welcher die vorbestimmte erste Temperatur charakterisiert, bestimmt und/oder angepasst wird.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungsstrategie unter Berücksichtigung von Geometriedaten, welche eine Geometrie des additiv herzustellenden Bauteilbereichs bei einer vorbestimmten zweiten Temperatur charakterisieren, und/oder unter Berücksichtigung von Konstruktionsdaten, welche eine Geometrie des additiv herzustellenden Bauteilbereichs bei der vorbestimmten ersten Temperatur charakterisieren, bestimmt und/oder angepasst wird.
Schichtbauverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometriedaten die Geometrie des Bauteilbereichs bei einer zweiten Temperatur charakterisieren, die zwischen 15 °C und 30 °C beträgt, und/oder dass die erste Temperatur mindestens 400 °C beträgt.
Schichtbauverfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometriedaten und/oder die Konstruktionsdaten mittels der Recheneinrichtung in Schichtdaten zerlegt werden.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verwendende Werkstoff ausgewählt wird aus der Gruppe der schwer schweißbaren Metalle, Metallverbindungen und intermetallischen Verbindungen.
Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils (10) durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend: – mindestens eine Pulverzuführung zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf eine Aufbau- und Fügezone einer bewegbaren Bauplattform (12); – eine Temperiereinrichtung, mittels welcher der Werkstoff vor und/oder während des Schichtbauverfahrens auf eine vorbestimmte erste Temperatur zu temperieren ist; und – mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Hochenergiestrahls zum schichtweisen und lokalen Verschmelzen und/oder Versintern des temperierten Werkstoffs zum Ausbilden einer Bauteilschicht durch selektives Belichten des Werkstoffs mit dem wenigstens einem Hochenergiestrahl gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie, gekennzeichnet durch – mindestens ein Kamerasystem, mittels welchem mindestens ein Bild des temperierten Werkstoffs akquirierbar ist, wobei das Bild eine Temperatur und/oder Temperaturverteilung des temperierten Werkstoffs im Bereich der Aufbau- und Fügezone charakterisiert; und – mindestens eine Recheneinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, anhand des akquirierten Bilds die Belichtungsstrategie für wenigstens eine folgende Bauteilschicht zu bestimmen und/oder anzupassen.
Schichtbauvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese als selektive Laserschmelz- und/oder Lasersintervorrichtung ausgebildet ist.
Schichtbauvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Speichereinrichtung umfasst, welche Konstruktionsdaten umfasst, die eine Geometrie des wenigstens einen additiv herzustellenden Bauteilbereichs bei der vorbestimmten Temperatur charakterisieren, auf welche der Werkstoff zu temperieren ist.
Bauteil (10) für eine Strömungsmaschine, insbesondere für ein Flugtriebwerk, erhältlich und/oder erhalten durch ein Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder durch eine Schichtbauvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12.