DE102017213762A1 - Method and device for the generative production of a component or a component section - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Herstellung eines Bauteils (2) oder eines Bauteilabschnitts, das die Schritte aufweist: a) Auftragen einer Schicht eines pulverförmigen Bauteilwerkstoffs (7) auf eine Bauteilplattform (3) im Bereich einer Aufbau- und Fügezone (10), b) Lokales Verschmelzen oder Versintern des aufgetragenen Bauteilwerkstoffs (7) im Bereich der Aufbau- und Fügezone (10) unter Verwendung eines ersten Laserstrahls (14) eines Bearbeitungslasers (11) unter Vorheizung des zu verschmelzenden oder zu versinternden Bauteilwerkstoffs und c) Wiederholen der Schritte a) und b) bis zur Fertigstellung des Bauteils (2) oder des Bauteilabschnitts, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorheizen in Schritt b) unter Verwendung eines zweiten Laserstrahls (15) eines Vorheizlasers (12) erfolgt, der den ersten Laserstrahl (14) des Bearbeitungslasers (11) ringförmig umgibt. Ferner betrifft die Erfindung eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung (1).

Figure DE102017213762A1_0000
The invention relates to a method for the generative production of a component (2) or a component section, comprising the steps of: a) applying a layer of a powdered component material (7) to a component platform (3) in the region of a buildup and joining zone (10), b) locally fusing or sintering the applied component material (7) in the region of the assembly and joining zone (10) using a first laser beam (14) of a processing laser (11) with preheating of the component material to be fused or sintered and c) repeating the steps a) and b) until the completion of the component (2) or the component portion, characterized in that the preheating in step b) using a second laser beam (15) of a preheating laser (12) takes place, the first laser beam (14) of Machining laser (11) surrounds annular. Furthermore, the invention relates to a suitable device for carrying out the method (1).
Figure DE102017213762A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Herstellung eines Bauteils oder eines Bauteilabschnitts, das die Schritte aufweist: a) Auftragen einer Schicht eines pulverförmigen Bauteilwerkstoffs auf eine Bauteilplattform im Bereich einer Aufbau- und Fügezone, b) Lokales Verschmelzen oder Versintern des aufgetragenen Bauteilwerkstoffs im Bereich der Aufbau- und Fügezone unter Verwendung eines ersten Laserstrahls eines Bearbeitungslasers unter Vorheizung des zu verschmelzenden oder zu versinternden Bauteilwerkstoffs und c) Wiederholen der Schritte a) und b) bis zur Fertigstellung des Bauteils oder des Bauteilabschnitts. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The present invention relates to a method for the generative production of a component or a component section, comprising the steps of: a) applying a layer of a powdery component material to a component platform in the region of a buildup and joining zone; b) locally fusing or sintering the applied component material in the region the assembly and joining zone using a first laser beam of a processing laser with preheating of the component material to be fused or sintered and c) repeating steps a) and b) until the completion of the component or the component section. Furthermore, the present invention relates to an apparatus for carrying out such a method.

Verfahren der eingangs genannten Art, bei denen ein Bauteil bzw. ein Bauteilabschnitt durch Verschmelzen oder Versintern eines pulverförmigen Bauteilwerkstoffs schichtweise aufgebaut wird, sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt. Der pulverförmige Bauteilwerkstoff wird in einem ersten Schritt in einer vorbestimmten Schichtstärke, die meist zwischen 15 und 500 µm liegt, auf eine Bauteilplattform einer entsprechenden Vorrichtung im Bereich einer Aufbau- und Fügezone aufgetragen. In einem weiteren Schritt wird der Bauteilwerkstoff dann unter Verwendung eines Laserstrahls eines Bearbeitungslasers selektiv geschmolzen oder gesintert. Die Bewegung des Laserstrahls wird dabei in Abhängigkeit einer Schichtinformation der jeweils herzustellenden Bauteilschicht gesteuert, die normalerweise aus einem 3D-CAD-Körper mittels Software generiert wird. Anschließend werden die zuvor beschriebenen Schritte wiederholt, bis das Bauteil oder der Bauteilabschnitt vollständig gefertigt ist, wobei die Bauteilplattform normalerweise vor dem Auftragen jeder weiteren Bauteilwerkstoffschicht um ein der Schichtstärke entsprechendes Maß abgesenkt wird, um einen Abstand zwischen der Aufbau- und Fügezone und einer optischen Einheit, die den Laserstrahl des Bearbeitungslasers auf diese richtet, konstant zu halten.Method of the type mentioned, in which a component or a component portion is built up in layers by fusing or sintering a powdered component material, are known in the prior art in a variety of configurations. The powdered component material is applied in a first step in a predetermined layer thickness, which is usually between 15 and 500 microns, on a component platform of a corresponding device in the region of a building and joining zone. In a further step, the component material is then selectively melted or sintered using a laser beam from a processing laser. The movement of the laser beam is controlled as a function of a layer information of the respective component layer to be produced, which is normally generated from a 3D CAD body by means of software. Subsequently, the above-described steps are repeated until the component or the component part is completely manufactured, wherein the component platform is normally lowered by a thickness corresponding to the layer thickness before the application of each further component material layer by a distance between the assembly and joining zone and an optical unit , which directs the laser beam of the processing laser on this, to keep constant.

Ein Problem bei der generativen Bearbeitung von Bauteilwerkstoffen aus schwer schweißbaren Legierungen, wie beispielsweise bei der Bearbeitung γ'-aushärtender Nickel-Basis-Superlegierungen stellt die so genannte Heißrissbildung dar, die aus prozessinduzierten Spannungen resultiert. Zur Lösung dieses Problems gibt es bereits mehrere Ansätze, bei denen zwischen indirekten und direkten Ansätzen unterschieden wird.A problem in the generative machining of hard-weldable alloy component materials, such as in the machining of gamma-hardening nickel-base superalloys, is the so-called hot cracking resulting from process-induced stresses. To solve this problem, there are already several approaches that distinguish between indirect and direct approaches.

Ein indirekter Ansatz besteht darin, das mit Heißrissen gefertigte Bauteil einer thermischen Nachbehandlung in Form eines so genannten HIP-Prozesses (Hot Isostatic Pressing) zu unterziehen, um die bei der generativen Fertigung entstandenen inneren Defekte bzw. Risse zu schließen. Erfahrungsgemäß ist dies jedoch nur bedingt möglich, da in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie erhebliche Defekte auftreten können, wie beispielsweise Risse mit einer Länge von mehr als 10mm, die im Rahmen einer solchen Nachbehandlung nicht vollständig eliminiert werden können.An indirect approach is to subject the hot cracked component to a thermal after-treatment in the form of a so-called hot isostatic pressing (HIP) process in order to close the internal defects or cracks produced in the additive manufacturing process. However, experience has shown that this is only possible to a limited extent since, depending on the component geometry, considerable defects can occur, such as cracks with a length of more than 10 mm, which can not be completely eliminated within the framework of such a subsequent treatment.

Direkte Lösungsansätze sind darauf gerichtet, bereits der Entstehung von Heißrissen entgegenzuwirken. Sie sehen grundsätzlich vor, den Bauteilwerkstoff während der generativen Fertigung vorzuheizen, um die durch den Laserstrahl des Bearbeitungslasers verursachten Temperaturgradienten innerhalb des Bauteilwerkstoffes zu verringern und entsprechend der Entstehung von Heißrissen entgegenzuwirken.Direct solutions are aimed at counteracting the formation of hot cracks. They basically provide for preheating the component material during the generative production in order to reduce the temperature gradient within the component material caused by the laser beam of the processing laser and to counteract the formation of hot cracks.

In diesem Zusammenhang besteht eine bekannte Möglichkeit darin, den Bauteilwerkstoff unter Verwendung von Heizstrahlern vorzuwärmen. Dies hat allerdings den Nachteil, dass das umgebende Pulverbett meist in einem erheblichen Maße beeinflusst wird und durch Sintereffekte an den Bauteiloberflächen eine erhebliche Degradierung der Oberflächenqualität stattfinden kann. Darüber hinaus geht die Vorwärmung unter Verwendung von Heizstrahlern auch mit einer nicht unerheblichen Aufheizung von Großteilen der Vorrichtung einher, was weitere Probleme nach sich zieht.In this connection, a known possibility is to preheat the component material using radiant heaters. However, this has the disadvantage that the surrounding powder bed is usually influenced to a considerable extent and sintering effects on the component surfaces can lead to a considerable degradation of the surface quality. In addition, the preheating using radiant heaters is also accompanied by a considerable heating of large parts of the device, which entails further problems.

Eine weitere bekannte Möglichkeit besteht darin, zu schmelzende oder zu sinternde Bereiche der obersten Bauteilwerkstoffschicht lokal zu erwärmen. In diesem Zusammenhang ist eine erste Variante bekannt, bei der eine solche lokale Erwärmung unter Einsatz einer oberhalb des Pulverbettes angeordneten und parallel zu diesem verfahrbaren induktiven Vorheizeinrichtung erfolgt, siehe hierzu beispielsweise die DE 10 2014 108 081 A1 . Ein Nachteil einer solchen induktiven Vorheizeinrichtung besteht allerdings darin, dass sie einen zusätzlichen apparativen Aufwand darstellt und innerhalb des Bauraums der Vorrichtung viel Bauraum beansprucht. Zudem müssen die Bewegungen des Laserstrahls des Bearbeitungslasers und der Vorheizeinrichtung steuerungstechnisch aufeinander abgestimmt werden, was ebenfalls nicht unproblematisch ist. Bei einer zweiten bekannten Variante wird ein zweiter Laserstrahl eines Vorheizlasers mit eigener optischer Einheit zum lokalen Vorwärmen des Pulverbetts eingesetzt, der dem ersten Laserstrahl des Bearbeitungslasers vorläuft. Aber auch hier sind der zusätzliche apparative Aufwand und der Platzbedarf hoch. Ebenso ist die steuerungstechnische Abstimmung der Bewegungen des Laserstrahls des Bearbeitungslasers und des Laserstrahls des Vorheizlasers komplex. Ein weiteres Problem besteht darin, dass ein kontrolliertes Abkühlen der verschmolzenen oder gesinterten Bereiche nicht gewährleistet ist.Another known possibility is to heat locally to be melted or sintered areas of the topmost component material layer. In this context, a first variant is known in which such a local heating is carried out using an above the powder bed arranged and parallel to this movable inductive preheating, see for example the DE 10 2014 108 081 A1 , However, a disadvantage of such an inductive preheating device is that it represents an additional expenditure on equipment and takes up much space within the installation space of the device. In addition, the movements of the laser beam of the processing laser and the preheater must be coordinated with one another in terms of control technology, which is likewise not unproblematic. In a second known variant, a second laser beam of a preheating laser is used with its own optical unit for locally preheating the powder bed, which precedes the first laser beam of the processing laser. But even here, the additional equipment and space requirements are high. Likewise, the control engineering coordination of the movements of the laser beam of the processing laser and the laser beam of the preheating laser is complex. Another problem is that a Controlled cooling of the fused or sintered areas is not guaranteed.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren und eine alternative Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen.Starting from this prior art, it is an object of the present invention to provide an alternative method and an alternative apparatus of the type mentioned.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet, dass das Vorheizen in Schritt b) unter Verwendung eines zweiten Laserstrahls eines Vorheizlasers erfolgt, der den ersten Laserstrahl des Bearbeitungslasers ringförmig umgibt. Dank der ringförmigen Anordnung des zweiten Laserstrahls um den ersten Laserstrahl, die beispielsweise erzielt werden kann, indem der Bearbeitungslase im Gauss-Modus und der Vorwärmlaser im so genannten Donut- oder Bagel-Modus betrieben wird, wird zum einen die steuerungstechnische Abstimmung der Bewegungen des Laserstrahls des Bearbeitungslasers und des Laserstrahls des Vorheizlasers erleichtert, da beide Laserstrahlen unabhängig von der Bewegungsrichtung im Wesentlichen auf denselben Punkt der Aufbau- und Fügezone gerichtet werden können. Zum anderen wird dank der ringförmigen Anordnung nicht nur ein kontrolliertes lokales Vorwärmen des zu schmelzenden oder zu sinternden Bauteilwerkstoffes durch den dem ersten Laserstrahl vorlaufenden Bereich des zweiten Laserstrahls sichergestellt, sondern auch ein kontrolliertes lokales Abkühlen durch den dem ersten Laserstrahl nachlaufenden Bereich des zweiten Laserstrahls, wodurch eine Heißrissbildung sicher verhindert werden kann.To achieve this object, the present invention provides a method of the type mentioned, which is characterized in that the preheating in step b) using a second laser beam of a preheating laser, which surrounds the first laser beam of the processing laser annular. Thanks to the ring-shaped arrangement of the second laser beam around the first laser beam, which can be achieved, for example, by operating the machining bubble in Gaussian mode and the preheating laser in the so-called donut or bagel mode, the control technology will coordinate the movements of the laser beam of the processing laser and the laser beam of the preheating laser, since both laser beams can be directed to substantially the same point of the assembly and joining zone, regardless of the direction of movement. On the other hand, thanks to the annular arrangement ensures not only a controlled local preheating of the component material to be melted or sintered by the first laser beam leading portion of the second laser beam, but also a controlled local cooling by the first laser beam trailing portion of the second laser beam, thereby Hot cracking can be reliably prevented.

Bevorzugt weist bzw. weisen der erste Laserstrahl und/oder der zweite Laserstrahl eine Wellenlänge im Infrarotbereich aufweist.Preferably, the first laser beam and / or the second laser beam has a wavelength in the infrared range.

Der zweite Laserstrahl hat vorteilhaft eine geringere Strahlungsintensität als der erste Laserstrahl, um entsprechend ein Intensitätsgefälle von innen nach außen zu erzielen.The second laser beam advantageously has a lower radiation intensity than the first laser beam in order to achieve a corresponding intensity gradient from the inside to the outside.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl über eine einzelne optische Einheit auf den Bauteilwerkstoff gerichtet. Dies ist zum einen dahingehend von Vorteil, dass eine zusätzliche optische Einheit für den Vorwärmlaser entfällt, wodurch die Kosten reduziert werden. Zum anderen wird aber auch die steuerungstechnische Abstimmung der Bewegungen des Laserstrahls des Bearbeitungslasers und des Laserstrahls des Vorheizlasers deutlich erleichtert.According to one embodiment of the method according to the invention, the first laser beam and the second laser beam are directed onto the component material via a single optical unit. This is on the one hand to the advantage that an additional optical unit for Vorwärmaser deleted, thereby reducing the cost. On the other hand, however, the control engineering coordination of the movements of the laser beam of the processing laser and the laser beam of the preheating laser is much easier.

Bevorzugt werden der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl über einen halbdurchlässigen Strahlteiler der optischen Einheit gemeinsam zugeführt. Auf diese Weise wird ein sehr kompakter Aufbau der entsprechenden Vorrichtung ermöglicht.The first laser beam and the second laser beam are preferably jointly supplied via a semipermeable beam splitter to the optical unit. In this way, a very compact construction of the corresponding device is made possible.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich bei dem Bauteilwerkstoff um eine schwer schweißbare Legierung, insbesondere um eine aushärtende Nickel-Basis-Superlegierung, insbesondere mit einem hohen Anteil an γ'-Ausscheidungen. Bei derartigen Bauteilwerkstoffen wirken sich die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einhergehenden Vorteile besonders deutlich aus.According to one embodiment of the method according to the invention, the component material is an alloy which is difficult to weld, in particular a hardening nickel-base superalloy, in particular with a high proportion of γ'-precipitates. In such component materials, the advantages associated with the method according to the invention have a particularly pronounced effect.

Das fertiggestellte Bauteil kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens optional einer thermischen Nachbehandlung unterzogen werden, beispielsweise einem HIP-Prozess, um kleinere Defekte im Bauteil zu beseitigen.In the context of the method according to the invention, the finished component can optionally be subjected to a thermal aftertreatment, for example a HIP process, in order to eliminate minor defects in the component.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ferner eine Vorrichtung zur generativen Herstellung eines Bauteils, umfassend eine Bauteilplattform, eine Pulverbeschickungseinrichtung, einen Bearbeitungslaser, einen Vorheizlaser und eine gemeinsame optische Einheit für den Bearbeitungslaser und den Vorheizlaser, wobei die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.To achieve the object mentioned in the introduction, the present invention further provides an apparatus for the generative production of a component, comprising a component platform, a powder feeding device, a processing laser, a preheating laser and a common optical unit for the processing laser and the preheating laser, wherein the device for carrying out a method is arranged according to one of the preceding claims.

Gemäß einer Ausgestaltung ist ein halbdurchlässiger Strahlteiler zwischen dem Bearbeitungslaser und dem Vorheizlaser einerseits und der optischen Einheit andererseits angeordnet, über den die beiden Laserstrahlen gemeinsam der optischen Einheit zugeführt werden.According to one embodiment, a semipermeable beam splitter is arranged between the processing laser and the preheating laser on the one hand and the optical unit on the other hand, via which the two laser beams are supplied together to the optical unit.

Die optische Einheit weist bevorzugt zumindest einen Scanner und eine F-Theta-Optik auf.The optical unit preferably has at least one scanner and an F-theta optical system.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform einer Vorrichtung bzw. eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist

  • 1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Draufsicht zweier Laserstrahlen, die unter Einsatz der in 1 dargestellten Vorrichtung erzeugt werden, und
  • 3 eine schematische Ansicht der Strahlintensitäten der in 2 dargestellten Laserstrahlen.
Further features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of an embodiment of a device or a method according to the present invention with reference to the accompanying drawings. That's it
  • 1 a schematic side view of an apparatus according to an embodiment of the present invention;
  • 2 a schematic plan view of two laser beams, using the in 1 be produced device shown, and
  • 3 a schematic view of the beam intensities of in 2 illustrated laser beams.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zur generativen Herstellung eines Bauteils 2 oder eines Bauteilabschnitts dient. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Bauteilplattform 3, die innerhalb einer Fertigungskammer 4 auf- und abwärts in Z-Richtung bewegbar ist. Ferner ist eine Pulverbeschickungseinrichtung 5 vorgesehen. Diese umfasst eine Pulvervorratskammer 6 zur Aufnahme von pulverförmigem Bauteilwerkstoff 7, einen Pulverzuführkolben 8, der innerhalb der Pulvervorratskammer 6 auf- und abwärts in Z-Richtung bewegbar ist, und ein Rakel 9, das in Y-Richtung hin und her bewegbar und dazu ausgelegt ist, in der Pulvervorratskammer 6 enthaltenen Bauteilwerkstoff zur Fertigungskammer 4 zu transportieren und im Bereich einer Aufbau- und Fügezone 10 der Fertigungskammer 4 mit einer vorbestimmten Schichtstärke gleichmäßig zu verteilen. Ferner weist die Vorrichtung 1 einen Bearbeitungslaser 11, einen Vorheizlaser 12 und eine gemeinsame optische Einheit 13 für den Bearbeitungslaser 11 und den Vorheizlaser 12 auf. Bei dem Bearbeitungslaser 11 und bei dem Vorheizlaser 12 handelt es sich jeweils um solche Laser, die Laserstrahlen 14 und 15 mit Wellenlängen im Infrarotbereich emittieren, wie beispielsweise Nd-Yag-Laser oder dergleichen. Die optische Einheit 13 umfasst einen Scanner 16 und eine F-Theta-Optik 17. Zwischen dem Bearbeitungslaser 11 und dem Vorheizlaser 12 einerseits und der optischen Einheit 13 andererseits ist ein halbdurchlässiger Strahlteiler 18 angeordnet, der den Laserstrahl 14 des Bearbeitungslasers 11 und den Laserstrahl 13 des Vorheizlasers 12 gemeinsam zur optischen Einheit 13 lenkt, von wo aus die Laserstrahlen 14 und 15 über den Scanner 16 und die F-Theta-Optik 17 basierend auf Schichtinformationen einer herzustellenden Bauteilschicht, die normalerweise aus einem 3D-CAD-Körper mittels Software generiert werden, auf die Aufbau- und Fügezone 10 gerichtet werden können. 1 shows a device 1 according to an embodiment of the present invention, for the generative production of a component 2 or a component section is used. The device 1 includes a component platform 3 that are inside a production chamber 4 up and down in the Z direction is movable. Further, a powder feeding device 5 intended. This includes a powder storage chamber 6 for receiving powdered component material 7 , a powder feed piston 8th which is inside the powder storage chamber 6 up and down in Z-direction is movable, and a squeegee 9 which is reciprocable in the Y direction and adapted to be in the powder storage chamber 6 contained component material to the production chamber 4 to transport and in the area of a construction and joining zone 10 the production chamber 4 evenly distributed with a predetermined layer thickness. Furthermore, the device 1 a processing laser 11 , a preheat laser 12 and a common optical unit 13 for the processing laser 11 and the preheat laser 12 on. At the processing laser 11 and at the preheat laser 12 are each such laser, the laser beams 14 and 15 with wavelengths in the infrared range, such as Nd-Yag laser or the like. The optical unit 13 includes a scanner 16 and an F-theta look 17 , Between the processing laser 11 and the preheat laser 12 on the one hand and the optical unit 13 on the other hand is a semi-transparent beam splitter 18 arranged, which the laser beam 14 of the processing laser 11 and the laser beam 13 of the preheat laser 12 together to the optical unit 13 directs where from the laser beams 14 and 15 over the scanner 16 and the F-theta optic 17 based on layer information of a component layer to be produced, which are normally generated from a 3D CAD body by means of software, on the assembly and joining zone 10 can be directed.

Zur Herstellung eines Bauteils oder eines Bauteilabschnitts unter Einsatz der Vorrichtung 1 wird die Bauteilplattform in einem ersten Schritt in eine Position bewegt, die um ein Maß unterhalb der Aufbau- und Fügezone 10 liegt, das der Schichtstärke der nachfolgend zu generierenden Bauteilschicht entspricht, wobei die Schichtstärke normalerweise in einem Bereich zwischen 15 und 500 µm liegt. Der Pulverzuführkolben 7 wird um ein analoges Maß oberhalb der Aufbau- und Fügezone 10 positioniert. Daraufhin wird das Rakel 9 ausgehend von der in 1 ganz links in gestrichelten Linien dargestellten Position in die ganz rechte, ebenfalls gestrichelt dargestellte Position verfahren, so dass eine Schicht des pulverförmigen Bauteilwerkstoffes gleichmäßig auf der Bauteilplattform 3 verteilt wird. Anschließend wird diese Schicht im Bereich der Aufbau- und Fügezone 10 lokal verschmolzen. Hierzu werden die Laserstrahlen 14 und 15 auf den Strahlteiler 18 derart gerichtet, dass der im Querschnitt kreisförmige Lasterstrahl 14 des Bearbeitungslasers 11 ringförmig von dem Laserstrahl 15 des Vorheizlasers 12 umgeben ist, wie es in 2 schematisch dargestellt ist. Dies wird vorliegend erreicht, indem der Bearbeitungslaser 11 im Gauss-Modus und der Vorheizlaser 12 im Donat- oder Bagelmodus betrieben werden. Die Strahlungsintensität des Laserstrahls 14 des Bearbeitungslasers 11 ist dabei wesentlich höher als die des Laserstrahls 15 des Vorheizlasers 12, wie es in 3 schematisch gezeigt ist. For producing a component or a component section using the device 1 In a first step, the component platform is moved into a position which is one measure below the assembly and joining zone 10 which corresponds to the layer thickness of the subsequently to be generated component layer, wherein the layer thickness is normally in a range between 15 and 500 microns. The powder feed piston 7 is an analogous measure above the assembly and joining zone 10 positioned. Then the squeegee 9 starting from the in 1 moved to the very left, also shown by dashed lines position, so that a layer of the powdered component material evenly on the component platform 3 is distributed. Subsequently, this layer is in the region of the assembly and joining zone 10 fused locally. For this purpose, the laser beams 14 and 15 on the beam splitter 18 directed such that the cross-section circular load beam 14 of the processing laser 11 annular from the laser beam 15 of the preheat laser 12 is surrounded, as it is in 2 is shown schematically. This is achieved in the present case by the processing laser 11 in Gauss mode and the preheat laser 12 be operated in donat or bagel mode. The radiation intensity of the laser beam 14 of the processing laser 11 is much higher than that of the laser beam 15 of the preheat laser 12 as it is in 3 is shown schematically.

Die Laserstrahlen 14 und 15 werden ausgehend von dem Strahlteiler 18 gemeinsam zur optischen Einheit 13 gelenkt, von wo sie über den Scanner 16 und die Theta-Optik 17 auf die Aufbau- und Fügezone 10 gerichtet werden. Die gemeinsame Bewegung der Laserstrahlen 14 und 15 relativ zur Aufbau- und Fügezone 10 wird dabei in Abhängigkeit einer Schichtinformation der jeweils herzustellenden Bauteilschicht gesteuert, die normalerweise aus einem 3D-CAD-Körper mittels Software generiert wird. Dank der ringförmigen Anordnung des Laserstrahls 15 des Vorheizlasers 12 um den Laserstrahl 14 des Bearbeitungslasers heizt der Laserstrahl 15 das letztendlich durch den Laserstrahl 14 zu verschmelzende Pulver nicht nur vor sondern auch nach, da der Laserstrahl 15 dem Laserstrahl 14 sowohl vor- als auch nachläuft. Entsprechend wird hohen Temperaturgradienten während des Verschmelzens und damit einer Heißrissbildung effektiv entgegengewirkt, wobei die Strahlungsintensitäten des Laserstrahlen 14 und 15 unabhängig voneinander gewählt und somit optimal an den zu verarbeitenden Bauteilwerkstoff und die zu fertigende Schichtstärke angepasst werden können. Somit ist auch die Bearbeitung schwer schweißbarer Bauteilwerkstoffe möglich, wie die Bearbeitung einer γ' aushärtenden Nickel-Basis-Superlegierung, insbesondere mit einem hohen Anteil an γ'-Ausscheidungen, um nur ein Beispiel zu nennen. Zur Fertigung der nächsten und darauffolgenden Schichten wird die Bauteilplattform 3 jeweils erneut um eine Schichtstärke abgesenkt, pulverförmiger Bauteilwerkstoff 7 aufgetragen und selektiv verschmolzen.The laser beams 14 and 15 be starting from the beam splitter 18 together to the optical unit 13 steered from where they are via the scanner 16 and the theta optics 17 on the assembly and joining zone 10 be directed. The joint movement of the laser beams 14 and 15 relative to the assembly and joining zone 10 is controlled in response to a layer information of each produced component layer, which is usually generated from a 3D CAD body by means of software. Thanks to the ring-shaped arrangement of the laser beam 15 of the preheat laser 12 around the laser beam 14 of the processing laser heats the laser beam 15 ultimately through the laser beam 14 not only before but also after melting powder because of the laser beam 15 the laser beam 14 both forward and backward. Accordingly, high temperature gradients during fusing and thus hot cracking are effectively counteracted, with the radiation intensities of the laser beams 14 and 15 can be selected independently of each other and thus optimally adapted to the component material to be processed and the layer thickness to be produced. Thus, the processing of hard-to-weld component materials is possible, such as the processing of a gamma 'hardening nickel-base superalloy, in particular with a high proportion of γ'-precipitates, to name just one example. The component platform is used to fabricate the next and subsequent layers 3 each again lowered by one layer thickness, powdered component material 7 applied and selectively fused.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht zum einen in der zuvor beschriebenen Vermeidung einer Heißrissbildung dank der flexibel einstellbaren sowie lokalen Vorheizung und kontrollierten Abkühlung des zu verschmelzenden bzw. verschmolzenen Pulvers. Zum anderen ist aber auch der apparative Aufbau einfach, da der Bearbeitungslaser 11 und der Vorheizlaser 12 die optische Einheit 13 ebenso wie den Strahlteiler 18 gemeinsam nutzen, was zu vergleichsweise geringen Kosten und einem geringen Platzbedarf führt. Darüber hinaus ist auch die Abstimmungen der Bewegungen der Laserstrahlen 14 und 15 unproblematisch, da auch die Steuerung der Bewegungen stets gemeinsam über die optische Einheit 13 erfolgt.An essential advantage of the method according to the invention consists firstly in the avoidance of hot cracking described above, thanks to the flexibly adjustable and local preheating and controlled cooling of the powder to be melted or fused. On the other hand, however, the apparatus design is simple, since the processing laser 11 and the preheat laser 12 the optical unit 13 as well as the beam splitter 18 Sharing, which leads to comparatively low costs and a small footprint. In addition, the tuning of the movements of the laser beams is also 14 and 15 unproblematic, as well as the control of the movements always together via the optical unit 13 he follows.

Das fertiggestellte Bauteil kann einer thermischen Nachbehandlung unterzogen werden, wie beispielsweise einem HIP-Prozess, wobei eine solche Nachbehandlung optional ist.The finished component can be subjected to a thermal aftertreatment, such as For example, a HIP process, such a post-treatment is optional.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102014108081 A1 [0007]DE 102014108081 A1 [0007]

Claims (10)

Verfahren zur generativen Herstellung eines Bauteils (2) oder eines Bauteilabschnitts, das die Schritte aufweist: a) Auftragen einer Schicht eines pulverförmigen Bauteilwerkstoffs (7) auf eine Bauteilplattform (3) im Bereich einer Aufbau- und Fügezone (10), b) Lokales Verschmelzen oder Versintern des aufgetragenen Bauteilwerkstoffs (7) im Bereich der Aufbau- und Fügezone (10) unter Verwendung eines ersten Laserstrahls (14) eines Bearbeitungslasers (11) unter Vorheizung des zu verschmelzenden oder zu versinternden Bauteilwerkstoffs und c) Wiederholen der Schritte a) und b) bis zur Fertigstellung des Bauteils (2) oder des Bauteilabschnitts, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorheizen in Schritt d) unter Verwendung eines zweiten Laserstrahls (15) eines Vorheizlasers (12) erfolgt, der den ersten Laserstrahl (14) des Bearbeitungslasers (11) ringförmig umgibt.Method for the generative production of a component (2) or a component section comprising the steps of: a) applying a layer of a powdered component material (7) to a component platform (3) in the region of a buildup and joining zone (10), b) local fusing or sintering the applied component material (7) in the region of the assembly and joining zone (10) using a first laser beam (14) of a processing laser (11) with preheating of the component material to be fused or sintered and c) repeating steps a) and b ) until the completion of the component (2) or of the component section, characterized in that the preheating in step d) is carried out using a second laser beam (15) of a preheating laser (12), which comprises the first laser beam (14) of the processing laser (11). surrounds annularly. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (14) und/oder der zweite Laserstrahl (15) eine Wellenlänge im Infrarotbereich aufweist/aufweisen.Method according to Claim 1 , characterized in that the first laser beam (14) and / or the second laser beam (15) has / have a wavelength in the infrared range. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl (15) einer geringere Strahlungsintensität als der erste Laserstrahl (14) aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second laser beam (15) has a lower radiation intensity than the first laser beam (14). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (14) und der zweite Laserstrahl (15) über eine einzelne optische Einheit (13) auf den Bauteilwerkstoff (7) gerichtet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first laser beam (14) and the second laser beam (15) are directed to the component material (7) via a single optical unit (13). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (14) und der zweite Laserstrahl (15) über einen halbdurchlässigen Strahlteiler (18) der optischen Einheit (13) gemeinsam zugeführt werden.Method according to Claim 4 , characterized in that the first laser beam (14) and the second laser beam (15) via a semi-transparent beam splitter (18) of the optical unit (13) are supplied together. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bauteilwerkstoff (7) um eine schwer schweißbare Legierung handelt, insbesondere um eine γ' aushärtende Nickel-Basis-Superlegierung, insbesondere mit einem hohen Anteil an γ'-Ausscheidungen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the component material (7) is an alloy which is difficult to weld, in particular a γ '-curing nickel-base superalloy, in particular with a high proportion of γ'-precipitates. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das fertiggestellte Bauteil (2) einer thermischen Nachbehandlung unterzogen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the finished component (2) is subjected to a thermal aftertreatment. Vorrichtung (1) zur generativen Herstellung eines Bauteils (2), umfassend eine Bauteilplattform (3), eine Pulverbeschickungseinrichtung (5), einen Bearbeitungslaser (11), einen Vorheizlaser (12) und eine gemeinsame optische Einheit (13) für den Bearbeitungslaser (11) und den Vorheizlaser (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.Device (1) for the generative production of a component (2), comprising a component platform (3), a powder feeding device (5), a processing laser (11), a preheating laser (12) and a common optical unit (13) for the processing laser (11 ) and the preheating laser (12), characterized in that the device is arranged for carrying out a method according to one of the preceding claims. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein halbdurchlässiger Strahlteiler (17) zwischen dem Bearbeitungslaser (11) und dem Vorheizlaser (12) einerseits und der optischen Einheit (13) andererseits angeordnet ist.Device (1) according to Claim 8 , characterized in that a semipermeable beam splitter (17) between the processing laser (11) and the preheating laser (12) on the one hand and the optical unit (13) on the other hand is arranged. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit (13) einen Scanner (16) und eine F-Theta-Optik (17) aufweist.Device (1) according to Claim 8 or 9 , characterized in that the optical unit (13) comprises a scanner (16) and an F-theta optic (17).
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