DE102017221484A1

DE102017221484A1 - Schichtbauverfahren und Schichtbauvorrichtung zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils mit Hilfe einer Stützstruktur

Info

Publication number: DE102017221484A1
Application number: DE102017221484.8A
Authority: DE
Inventors: Alexander Gindorf; Martin Fessler-Knobel
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils (12), insbesondere eines Bauteils (12) einer Strömungsmaschine. Das Schichtbauverfahren umfasst zumindest die Schritte a) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs (W) auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer absenkbaren Bauplattform (10), b) Schichtweises und lokales Verschmelzen und/oder Versintern des temperierten Werkstoffs (W) zum Ausbilden einer Bauteilschicht durch selektives Belichten des Werkstoffs (W) mit wenigstens einem Hochenergiestrahl gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie, c) Schichtweises Absenken der Bauplattform (10) um eine vordefinierte Schichtdicke und d) Wiederholen der Schritte a) bis d) bis zur Fertigstellung des Bauteilbereichs. Der Bauteilbereich wird dabei zumindest teilweise auf einer auf der Bauplattform (10) angeordneten Stützstruktur (14) hergestellt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils (12) durch ein 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.
Additive Schichtbauverfahren bezeichnen Prozesse, bei denen anhand eines virtuellen Modells eines herzustellenden Bauteils oder Bauteilbereichs Geometriedaten ermittelt werden, welche in Schichtdaten zerlegt werden (sog. „slicen“). Abhängig von der Geometrie des Modells wird eine Belichtungsstrategie bestimmt, gemäß welcher die selektive Verfestigung eines Werkstoffs erfolgen 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.
Zum Abtrennen des fertigen Bauteilbereichs bzw. Bauteils wird dieses von der Bauplattform erodiert oder gesägt. Danach wird die Bauplattform überschliffen, um die für den nächsten Bauprozess notwendige Ebenheit wiederherzustellen. Hierdurch wird aber die Einsatzzeit der Bauplattform vergleichsweise stark reduziert, weil bei jeder Bearbeitung die Dicke reduziert wird. Aber nicht nur durch den Abtrag beim Abtrennen der Bauteile nach Fertigstellung des Baujobs, sondern auch durch Verformungen aufgrund des Wärmeeintrags beim Laserschmelzen oder - sintern sowie durch eine gegebenenfalls an die Herstellung des Bauteils anschließende Wärmebehandlung wird die Bauplattform stark beansprucht und ihre Lebenszeit verkürzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schichtbauverfahren und eine Schichtbauvorrichtung zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils anzugeben, die eine verlängerte Lebenszeit der Bauplattform ermöglichen.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Schichtbauverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Schichtbauvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Schichtbauverfahrens als vorteilhafte Ausgestaltungen der Schichtbauvorrichtung 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, b) Schichtweises und lokales Verschmelzen und/oder Versintern des 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 der Bauteilbereich zumindest teilweise auf einer auf der Bauplattform angeordneten Stützstruktur hergestellt wird. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass der Bauteilbereich bzw. das Bauteil nicht oder zumindest nicht vollständig unmittelbar auf der Bauplattform aufgebaut wird, sondern dass zunächst eine dreidimensionale Stützstruktur auf der Bauplattform angeordnet wird und dass der Bauteilbereich zumindest teilweise oder vollständig auf dieser Stützstruktur hergestellt wird. Hierdurch wird einerseits sichergestellt, dass ein etwaiger Verzug der Bauplattform durch den Wärmeeintrag beim Herstellen der einzelnen Bauteilschichten minimiert oder vollständig verhindert wird, andererseits ist es mit Hilfe der Stützstruktur möglich, dass der fertige Bauteilbereich bzw. das fertige Bauteil beim abschließenden Abtrennen von der Bauplattform entfernt werden kann, ohne die Geometrie der massiven Bauplattform selbst zu verändern, da das Abtrennen im Bereich der Stützstruktur erfolgen kann. Die Lebenserwartung der Bauplattform wird daher erheblich gesteigert, wodurch entsprechende Zeit- und Kostensenkungen realisiert werden. In der Regel kann zudem beim Abtrennen bereits eine ausreichend genaue Ebenheit der Bauplattform erreicht werden, so dass auf eine nachträgliche Bearbeitung der Bauplattform zur Vorbereitung für den nächsten Baujob verzichtet werden kann, wodurch weitere Zeit- und Kostensenkungen möglich sind. Generell sind „ein/eine“ im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmte Artikel zu lesen, also ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe immer auch als „mindestens ein/mindestens eine“. Umgekehrt können „ein/eine“ auch als „nur ein/nur eine“ verstanden werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Stützstruktur zumindest ein Deckenelement aufweist, auf welchem der Bauteilbereich zumindest teilweise hergestellt wird, wobei eine Oberfläche des Deckenelements zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche der Bauplattform angeordnet ist. Der Bauteilbereich wird also zumindest teilweise oder vollständig auf dem ebenen Deckenelement der Stützstruktur hergestellt, wodurch ein einfacher und stabiler generativer Aufbau des Bauteilbereichs analog zur Bauplattform ermöglicht wird. Darüber hinaus erhöht das Deckenelement vorteilhaft die Stabilität und Tragfähigkeit der Stützstruktur.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Stützstruktur mindestens ein Tragelement umfasst, welches das Deckenelement trägt. Hierdurch können der Abstand des Deckenelements von der Bauplattform und die Abstützung des Deckenelements optimal an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Zudem ergibt sich durch das wenigstens eine Tragelement eine besonders wirkungsvolle Entkopplung zwischen Deckenelement und Bauplattform, wodurch der thermische Eintrag in die Bauplattform besonders stark reduziert werden kann.
Dabei kann in weiterer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass wenigstens ein Tragelement als Säule oder als Wand ausgebildet wird. Hierdurch können die mechanischen Eigenschaften insbesondere die für das auf dem Deckenelement herzustellende Bauteil erforderlichen Abstützeigenschaften, der Stützstruktur optimal eingestellt werden. Weiterhin kann der Negativanteil der Stützstruktur, das heißt der Volumenanteil der Stützstruktur, in dem das Pulver nicht verfestigt wird, an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Säulen, die auch als Pfeiler bezeichnet werden können, können grundsätzlich Wände teilweise oder ganz ersetzen und bieten den Vorteil, dass nicht verfestigtes Pulver im Bereich zwischen der Bauplattform und dem Deckenelement besonders einfach aus der Stützstruktur entfernt werden kann.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem wenigstens zwei Tragelemente als Wände ausgebildet werden, die sich in einem Winkel schneiden oder parallel zueinander angeordnet sind. Beispielsweise können zwei oder mehr Wände rechtwinklig bzw. gitterförmig, rautenförmig etc. angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können zwei oder mehr Wände parallel zueinander angeordnet sein. Dies bietet den Vorteil, dass die Stützstruktur durchgehende Kanäle aufweist, aus denen nicht verfestigtes Pulver leicht entfernt werden kann. Vorzugsweise verläuft wenigstens eine Wand in Vorschubrichtung des Pulverauftrags, wodurch eine besonders hohe Stützwirkung gegen ein Verkippen durch ein Rakel des Pulverauftrags sichergestellt ist.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem wenigstens drei Tragelemente gleichmäßig voneinander beabstandet ausgebildet werden. Gleichmäßig angeordnete Wände bieten neben einer guten Stützwirkung beim Abtrennen des fertigen Bauteils den Vorteil von zumindest annähernd konstanten Trennbedingungen entlang der gesamten Trennfläche.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass mehrere oder alle Tragelemente ein Gewölbe bilden. In Abhängigkeit des Gewölbebautyps, beispielsweise Tonnengewölbe, Klostergewölbe, Kreuzgratgewölbe, Kreuzrippengewölbe etc., leitet ein solches Gewölbe die aus der Last des aufzubauenden Bauteils und dem Eigengewicht der Stützstruktur entstehenden Kräfte als Drucklast auf Wände und/oder Säulen ab. So ist es möglich, größere Bereiche der Stützstruktur ohne Unterstützung von Tragelementen mit dem Deckenelement zu überdachen, wodurch ein besonders hoher Negativanteil der Stützstruktur realisierbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Tragelement mit einer Höhe von mindestens 0,3 mm, also beispielsweise von 0,3 mm, 0,4 mm, 0,5 mm, 0,6 mm, 0,7 mm, 0,8 mm, 0,9 mm, 1,0 mm, 1,1 mm, 1,2 mm, 1,3 mm, 1,4 mm, 1,5 mm, 1,6 mm, 1,7 mm, 1,8 mm, 1,9 mm, 2,0 mm, 2,1 mm, 2,2 mm, 2,3 mm, 2,4 mm, 2,5 mm, 2,6 mm, 2,7 mm, 2,8 mm, 2,9 mm, 3,0 mm, 3,1 mm, 3,2 mm, 3,3 mm, 3,4 mm, 3,5 mm, 3,6 mm, 3,7 mm, 3,8 mm, 3,9 mm, 4,0 mm, 4,1 mm, 4,2 mm, 4,3 mm, 4,4 mm, 4,5 mm, 4,6 mm, 4,7 mm, 4,8 mm, 4,9 mm, 5,0 mm oder mehr hergestellt wird, wobei entsprechende Zwischenwerte als mitoffenbart anzusehen sind. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Tragelement mit einer Dicke von mindestens 0,1 mm, also beispielsweise 0,10 mm, 0,11 mm, 0,12 mm, 0,13 mm, 0,14 mm, 0,15 mm, 0,16 mm, 0,17 mm, 0,18 mm, 0,19 mm, 0,20 mm, 0,21 mm, 0,22 mm, 0,23 mm, 0,24 mm, 0,25 mm, 0,26 mm, 0,27 mm, 0,28 mm, 0,29 mm, 0,30 mm, 0,31 mm, 0,32 mm, 0,33 mm, 0,34 mm, 0,35 mm, 0,36 mm, 0,37 mm, 0,38 mm, 0,39 mm, 0,40 mm, 0,41 mm, 0,42 mm, 0,43 mm, 0,44 mm, 0,45 mm, 0,46 mm, 0,47 mm, 0,48 mm, 0,49 mm, 0,50 mm, 0,51 mm, 0,52 mm, 0,53 mm, 0,54 mm, 0,55 mm, 0,56 mm, 0,57 mm, 0,58 mm, 0,59 mm, 0,60 mm, 0,61 mm, 0,62 mm, 0,63 mm, 0,64 mm, 0,65 mm, 0,66 mm, 0,67 mm, 0,68 mm, 0,69 mm, 0,70 mm, 0,71 mm, 0,72 mm, 0,73 mm, 0,74 mm, 0,75 mm, 0,76 mm, 0,77 mm, 0,78 mm, 0,79 mm, 0,80 mm, 0,81 mm, 0,82 mm, 0,83 mm, 0,84 mm, 0,85 mm, 0,86 mm, 0,87 mm, 0,88 mm, 0,89 mm, 0,90 mm, 0,91 mm, 0,92 mm, 0,93 mm, 0,94 mm, 0,95 mm, 0,96 mm, 0,97 mm, 0,98 mm, 0,99 mm, 1,00 mm oder mehr hergestellt wird, wobei entsprechende Zwischenwerte als mitoffenbart anzusehen sind. Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass das Deckenelement mit einer Dicke von mindestens 0,1 mm, also beispielsweise mit einer Dicke von 0,1 mm, 0,2 mm, 0,3 mm, 0,4 mm, 0,5 mm, 0,6 mm, 0,7 mm, 0,8 mm, 0,9 mm, 1,0 mm, 1,1 mm, 1,2 mm, 1,3 mm, 1,4 mm, 1,5 mm, 1,6 mm, 1,7 mm, 1,8 mm, 1,9 mm, 2,0 mm, 2,1 mm, 2,2 mm, 2,3 mm, 2,4 mm, 2,5 mm, 2,6 mm, 2,7 mm, 2,8 mm, 2,9 mm, 3,0 mm, 3,1 mm, 3,2 mm, 3,3 mm, 3,4 mm, 3,5 mm, 3,6 mm, 3,7 mm, 3,8 mm, 3,9 mm, 4,0 mm, 4,1 mm, 4,2 mm, 4,3 mm, 4,4 mm, 4,5 mm, 4,6 mm, 4,7 mm, 4,8 mm, 4,9 mm, 5,0 mm, 5,1 mm, 5,2 mm, 5,3 mm, 5,4 mm, 5,5 mm, 5,6 mm, 5,7 mm, 5,8 mm, 5,9 mm, 6,0 mm, 6,1 mm, 6,2 mm, 6,3 mm, 6,4 mm, 6,5 mm, 6,6 mm, 6,7 mm, 6,8 mm, 6,9 mm, 7,0 mm, 7,1 mm, 7,2 mm, 7,3 mm, 7,4 mm, 7,5 mm, 7,6 mm, 7,7 mm, 7,8 mm, 7,9 mm, 8,0 mm, 8,1 mm, 8,2 mm, 8,3 mm, 8,4 mm, 8,5 mm, 8,6 mm, 8,7 mm, 8,8 mm, 8,9 mm, 9,0 mm, 9,1 mm, 9,2 mm, 9,3 mm, 9,4 mm, 9,5 mm, 9,6 mm, 9,7 mm, 9,8 mm, 9,9 mm, 10,0 mm oder mehr hergestellt wird, wobei entsprechende Zwischenwerte als mitoffenbart anzusehen sind. Hierdurch können die Stützeigenschaften der Stützstruktur optimal an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Je mehr Tragelemente die Stützstruktur aufweist, desto dünner können diese generell ausgebildet werden. Je weniger Tragelemente die Stützstruktur aufweist, desto dicker sollten diese ausgebildet werden. Entsprechend gilt für das Deckenelement, auf welchem das Bauteil bzw. der Bauteilbereich aufgebaut wird, dass dieses umso dicker ausgebildet werden sollte, je größer bzw. schwerer das aufzubauende Bauteil ist.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Stützstruktur vor dem Herstellen des Bauteilbereichs additiv auf der Bauplattform aufgebaut wird. Obwohl es grundsätzlich möglich ist, die Stützstruktur separat herzustellen und zunächst auf der Bauplattform anzuordnen, kann das Schichtbauverfahren besonders schnell und einfach durchgeführt werden, indem zunächst die Stützstruktur mit den ohnehin vorhandenen Mitteln additiv aufgebaut und anschließend das gewünschte Bauteil teilweise oder vollständig auf der Stützstruktur weitergebaut wird. Besondere Vorteile ergeben sich, indem die Stützstruktur auf Resten einer vorhergehenden Stützstruktur aufgebaut wird. Hierdurch kann auf das Einebnen der Bauplattform vollständig verzichtet werden, wodurch diese praktisch unbegrenzt wiederverwendet werden kann. Stattdessen werden die Reste einer Stützstruktur eines vorhergehenden Baujobs vorteilhaft als Grundlage für den Aufbau einer neuen Stützstruktur verwendet, wodurch ebenfalls entsprechende Zeit- und Kostenvorteile realisiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stützstruktur mit einem Negativanteil von mindestens 50 Vol.-%, also beispielsweise von 50 Vol.-%, 51 Vol.-%, 52 Vol.-%, 53 Vol.-%, 54 Vol.-%, 55 Vol.-%, 56 Vol.-%, 57 Vol.-%, 58 Vol.-%, 59 Vol.-%, 60 Vol.-%, 61 Vol.-%, 62 Vol.-%, 63 Vol.-%, 64 Vol.-%, 65 Vol.-%, 66 Vol.-%, 67 Vol.-%, 68 Vol.-%, 69 Vol.-%, 70 Vol.-%, 71 Vol.-%, 72 Vol.-%, 73 Vol.-%, 74 Vol.-%, 75 Vol.-%, 76 Vol.-%, 77 Vol.-%, 78 Vol.-%, 79 Vol.-%, 80 Vol.-%, 81 Vol.-%, 82 Vol.-%, 83 Vol.-%, 84 Vol.-%, 85 Vol.-%, 86 Vol.-%, 87 Vol.-%, 88 Vol.-%, 89 Vol.-%, 90 Vol.-%, 91 Vol.-%, 92 Vol.-%, 93 Vol.-%, 94 Vol.-%, 95 Vol.-% oder mehr hergestellt wird, wobei entsprechende Zwischenwerte als mitoffenbart anzusehen sind. Hierdurch kann erreicht werden, dass das Gesamtsystem, umfassend die Bauplattform, die Stützstruktur und das additiv gefertigte Bauteil, nach der Fertigung des Bauteils bereits weitgehend spannungsfrei ist und sich der Verzug des Gesamtsystems in einem mittleren Bereich der Stützstruktur konzentriert. In diesem mittleren Bereich der Stützstruktur kann dann eine einfache Trennung des Bauteils von der Bauplattform erfolgen. Prinzipiell kann es auch vorgesehen sein, dass zumindest im Projektionsbereich des herzustellenden Bauteils von oben auf die Bauplattform im Bereich der Stützstruktur keine Tragelemente vorhanden sind (d.h. der Negativanteil beträgt in diesem Bereich 100%).
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stützstruktur zumindest im Wesentlichen nur im Projektionsbereich des Bauteilbereichs auf die Bauplattform hergestellt wird. Mit anderen Worten entspricht die von der Stützstruktur bereitgestellte Fläche dem Projektionsbereich des herzustellenden Bauteils bzw. Bauteilbereichs oder weicht um höchstens ±10 % von diesem ab. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Stützstruktur derart hergestellt wird, dass sie mindestens 90 % der Oberfläche der Bauplattform, also 90 %, 91 %, 92 %, 93 %, 94 %, 95 %, 96 %, 97 %, 98 %, 99 % oder 100 % überdeckt, beispielsweise durch das wenigstens eine Deckelelement. Beim Herstellen der Struktur ist dabei der Wärmeeintrag über die Bauplattform besonders homogen, weil zumindest annähernd die gesamte Fläche der Bauplattform mit der Stützstruktur überzogen wird. Hierdurch wird ein Verzug der Bauplattform besonders gut verhindert. Zudem kann die Bauplattform hierdurch universal für unterschiedliche Bauteile bzw. Bauteilbereiche eingesetzt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stützstruktur nach der Fertigstellung des Bauteilbereichs durch ein Trennverfahren, insbesondere durch Drahterodieren und/oder Sägen, zerteilt wird, um den Bauteilbereich von der Bauplattform zu entfernen. Hierdurch kann der Bauteilbereich von der Bauplattform entfernt werden, ohne die Bauplattform zu beschädigen bzw. ohne dass eine Nachbearbeitung der Bauplattform erforderlich wäre. Vorzugsweise erfolgt die Trennung in einem mittleren Bereich der Stützstruktur, das heißt zwischen der Bauplattform und dem fertigen Bauteilbereich, so dass ein Rest der Stützstruktur am fertigen Bauteil bzw. Bauteilbereich verbleibt und ein anderer Rest der Stützstruktur an der Bauplattform. Der an der Bauplattform verbleibende Rest kann dann vorteilhaft zum Aufbau einer neuen Stützstruktur verwendet werden. Der mittlere Bereich der Stützstruktur sollte beispielsweise eine Dicke von etwa 0,4 mm oder mehr beim Drahterodieren oder von etwa 2,5 mm oder mehr bei der Verwendung eines Sägeblattes aufweisen. Falls die Stützstruktur ein Dachelement aufweist, kann es grundsätzlich vorgesehen sein, dass im Wesentlichen nur das Dachelement der Stützstruktur durch ein Trennverfahren vom fertigen Bauteilbereich getrennt wird. Dies ist vorteilhaft, weil die erste geschlossene Lage, die auf der Stützstruktur aufsetzt bzw. selbst noch Teil des oberen Bereichs der Stützstruktur ist, zumindest teilweise auf nicht verfestigtem Pulver aufgebaut ist und daher eine qualitativ minderwertige Oberflächenstruktur aufweisen kann, die am fertigen Bauteil nicht erwünscht ist. Das Abtrennen des Dachelements kann grundsätzlich auch zum Abtrennen des fertigen Bauteilbereichs von der Bauplattform dienen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass vor dem Trennverfahren unverfestiges Pulver aus der Stützstruktur entfernt wird. Dies erlaubt ein besonders sicheres und einfaches Durchführen des Trennverfahrens mit einer schnellen und konstanten Vorschubgeschwindigkeit.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem der fertige Bauteilbereich durch mindestens ein Verfahren aus der Gruppe Spannungsarmglühen, Rissöffnungsglühen, Lösungsglühen und Auslagern wärmebehandelt wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass der fertige Bauteilbereich durch alle, nur durch drei, nur durch zwei oder nur durch eines der genannten Verfahren wärmebehandelt wird, wobei der Ausdruck Wärmebehandlung im Rahmen der vorliegenden Offenbarung grundsätzlich auch als Kältebehandlung verstanden werden kann, das heißt allgemein durch eine Änderung der Temperatur. Spannungsarmglühungen erfolgen üblicherweise bei Temperaturen von ca. 1050°C und bewirken, dass Spannungen im Gesamtsystem, gegebenenfalls inklusive der Bauplattform, sinken, wodurch jedoch zugleich der Verzug im Gesamtsystem steigt. Beim Rissöffnungsglühen wird das fertige Bauteil einige Stunden bei der höchsten zulässigen Betriebstemperatur gehalten. Die liegt für hochwarmfeste Legierungen gewöhnlich über 600 °C. Dadurch öffnen sich etwaige Risse und erlauben eine sichere Eindringprüfung zu. Beim Lösungsglühen und Auslagern werden die letztlich benötigten Eigenschaften im Gefüge des fertigen Bauteils eingestellt. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Stützstruktur kann in vielen Anwendungsfällen vorteilhaft erreicht werden, dass zumindest die Wärmebehandlungsverfahren Spannungsarmglühen und Rissöffnungsglühen entfallen können, was den Herstellungsprozess schneller, effizienter und kostengünstiger macht.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren. Die Schichtbauvorrichtung umfasst mindestens eine Pulverzuführung zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf eine Aufbau- und Fügezone einer bewegbaren Bauplattform 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. Erfindungsgemäß umfasst die Schichtbauvorrichtung zusätzlich eine Steuervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein Schichtbauverfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt durchzuführen. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind. Generell kann die Steuervorrichtung eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Schichtbauvorrichtung eine generative Lasersinter- und/oder Laserschmelzeinrichtung umfasst, mittels welcher die wenigstens eine Bauteilschicht herstellbar ist. 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 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. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:

1 eine schematische Schnittansicht einer Bauplattform mit einer Stützstruktur, auf welcher ein Bauteil additiv gefertigt wird; und
2 eine schematische Aufsicht der mit der Stützstruktur versehenen Bauplattform.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer absenkbaren Bauplattform 10 einer Schichtbauvorrichtung zur Herstellung eines vorliegend exemplarisch als Triebwerkschaufel eines Flugtriebwerks ausgebildeten Bauteils 12 durch ein additives Schichtbauverfahren aus einem pulverförmigen Werkstoff W. Unmittelbar auf der Bauplattform 10 befindet sich eine ebenfalls additiv mit Hilfe der Schichtbauvorrichtung aufgebaute dreidimensionale Stützstruktur 14, auf welcher das Bauteil 12 aufgebaut wurde. Die Stützstruktur 14 weist einen hohen Negativanteil von über 50 Vol.-% auf und erstreckt sich über mindestens 80 % der Oberfläche der gesamten Bauplattform 10. Hierdurch wird ein etwaiger Verzug der Bauplattform 10 durch den Wärmeeintrag beim additiven Herstellen des Bauteils 12 minimiert. Zusätzlich stellt die Stützstruktur 14 sicher, dass beim Abtrennen des fertigen Bauteils 12 die Geometrie der massiven Bauplattform 10 selbst nicht verändert wird, so dass die Bauplattform 10 praktisch unbegrenzt wiederverwendet werden kann.
Die Stützstruktur 14 umfasst ihrerseits mehrere vorliegend als Wände ausgebildete Tragelemente 16, die rasterförmig angeordnet sind, so dass sich die Wände 16 in einem Winkel von 90 ° mit anderen Wänden 16 schneiden bzw. in einem Winkel von 90 ° aufeinander stoßen. Die Tragelemente 16 tragen gemeinsam ein grundsätzlich optionales Deckenelement 18, welches in der Art eines „Flachdaches“ eine geschlossene und parallel zur Bauplattform 10 verlaufende Oberfläche bildet, auf welcher das Bauteil 12 erzeugt wird. Dies ist in 2 erkennbar, welche eine schematische Aufsicht der mit der Stützstruktur 14 versehenen Bauplattform 10 zeigt, wobei die in Blickrichtung unter dem Deckenelement 18 liegenden Tragelemente 16 gestrichelt dargestellt sind. Man sieht in 2, dass die Tragelemente 16 gleichförmige, quaderförmige Bereiche unter dem Deckenelement 18 begrenzen.
Es ist aber zu betonen, dass auch abweichende Anordnungen und Unterteilungen der Stützstruktur 14 sowie Ausführungen ohne Deckenelement 18 oder Ausführungen, die ausschließlich ein Deckenelement 18 als Stützstruktur aufweisen vorgesehen sein können. Beispielsweise kann ein Bereich unterhalb des Bauteils 12 frei von Tragelementen 16 ausgebildet sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass manche oder alle Tragelemente 16 als Säulen bzw. Pfeiler ausgebildet sind. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass mehrere oder alle Tragelemente 16 äquidistant angeordnet sind und/oder dass mehrere als Wände ausgebildete Tragelemente 16 ausschließlich parallel angeordnet sind, um zwischen den Tragelementen 16 liegende Kanäle zu bilden, aus welchen unverfestigtes Pulver P besonders einfach entfernt werden kann. Weiterhin können mehr oder weniger (einschließlich keine) Tragelemente 16 als im gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen sein. Ebenso können zumindest einige der Tragelemente 16 ein Gewölbe, beispielsweise ein Kreuzgewölbe bilden. Alternativ kann die Stützstrukur 14 auch eine komplexere Form aufweisen, z. B. aus gleichmäßig oder ungleichmäßig beabstandeten Säulen 16 bestehen, wobei die Stützstruktur 14 in ihrem oberen Bereich jeweils eine Art Kreuzgewölbe zwischen vier im Quadrat angeordneten Säulen 16 aufweist, und die Summe der Kreuzgewölbe das flache (parallel zur Oberfläche der Bauplattform) ausgebildete Deckenelement 18 und das darauf aufgebaute Bauteil 12 oder, falls kein Deckenelement 18 vorhanden ist, nur das Bauteil 12 tragen. Je regelmäßiger die Stützstruktur 14 aufgebaut ist, desto einfacher (schneller und mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit) kann generell der Abtrennprozess erfolgen. Je mehr Tragelemente 16 die Stützstruktur 14 aufweist, desto dünner können die einzelnen Tragelemente 16 ausgebildet sein. Beispielsweise können die Tragelemente 16 eine Dicke von bis zu 0,125 mm oder weniger aufweisen. Je weniger Tragelemente 16 die Stützstruktur 14 aufweist, desto dicker müssen diese generell ausgebildet sein. Beispielsweise kann jedes Tragelement 16 eine Dicke zwischen 0,1 mm und 1,0 mm aufweisen.
Prinzipiell kann es vorgesehen sein, dass im Projektionsbereich des Bauteils 12 von oben auf die Bauplattform 10 keine Tragelemente 16 in der Stützstruktur 14 vorhanden sind, so dass ihr Negativanteil in diesem Bereich 100 % beträgt. Alternativ können mehrere Tragelemente 16 auch direkt unter dem Bauteil 12 vorgesehen sein. Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Anzahl und Anordnung von Tragelementen 16 beschränkt.
Die Dimensionierung der Stützstruktur 14 kann unter anderem an den zu erwartenden Verzug bei einer an den Aufbau des Bauteils 12 anschließenden Wärmebehandlung angepasst werden, so dass nach dem Abtrennen des fertigen Bauteils 12 bereits eine ausreichend genaue Ebenheit der Bauplattform 10 erreicht wird und keine nachträgliche Bearbeitung der Bauplattform 10 zur Vorbereitung für den nächsten Baujob notwendig ist. Die Stützstruktur 14 kann hierzu auch auf Resten einer vorhergehenden Stützstruktur 14 wieder aufgebaut werden.
Die Dimensionierung der Stützstruktur 14 kann sich weiterhin an den gegebenen Einflussgrößen des konkreten Baujobs orientieren, also beispielsweise an der zu erwartenden Verformung durch eine Wärmebehandlung, durch die Dicke eines zum Abtrennen des Bauteils 12 verwendeten Trennschnitts und an der erforderlichen Stabilität, um das generierte Bauteil 12 zuverlässig zu tragen.
Das additiv gefertigtes Bauteil 12 kann nach der Herstellung verschiedenen Wärmebehandlungen unterzogen werden, beispielsweise einer Spannungsarmglühung (bei ca. 1050°C), welche bewirkt, dass die Spannungen im Gesamtsystem, inklusive der Bauplattform 10, sinken, wodurch jedoch zugleich der Verzug im Gesamtsystem steigt. Weiterhin können Rissöffnungsglühen, Lösungsglühen und Auslagern als Wärmebehandlungen vorgesehen sein, um die letztlich benötigten Eigenschaften im Gefüge des fertigen Bauteils 12 einzustellen. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Stützstruktur 14 kann dabei erreicht werden, dass zumindest auf die Wärmebehandlungen „Spannungsarmglühung“ und/oder „Rissöffnungsglühen“ verzichtet werden kann, was den additiven Schichtbauprozess schneller, effizienter und kostengünstiger macht.
Wie man in 1 erkennt, umfasst die Stützstruktur 14 zwischen der Bauplattform 10 und dem Bauteil 12 bzw. Deckenelement 18 einen mittleren Bereich B, der beim Abtrennen des fertiggestellten Bauteils 12 durchtrennt und entfernt wird. Der mittlere Bereich B und damit vorliegend die Tragelemente 16 können in Abhängigkeit des gewünschten Trennverfahrens dimensioniert sein. Beispielsweise wird ein mittlerer Bereich B mit einer Höhe von etwa 0,4 mm benötigt, wenn das Bauteil 12 durch Drahterodieren von der Bauplattform 10 entfernt werden soll. Wenn ein Sägeblatt zum Abtrennen verwendet werden soll, kann der mittlere Bereich B eine Höhe von etwa 2,5 mm oder mehr aufweisen.
Vorzugsweise weist die Stützstruktur 14 zumindest in diesem mittleren Bereich B einen möglichst hohen Negativanteil auf, das heißt einen Volumenanteil, in dem das Pulver W nicht verfestigt wird. Vorzugsweise beträgt der Negativanteil zumindest im mittleren Bereich mindestens 50 Vol.-%, bevorzugt zwischen 80 Vol.-% und 90 Vol.-%. Hierdurch kann erreicht werden, dass sich das Gesamtsystem, umfassend die Bauplattform 10, die Stützstruktur 14 und das gefertigte Bauteil 12, nach der Fertigung des Bauteils 12 bereits weitgehend spannungsfrei ist und sich der Verzug des Gesamtsystems in diesem mittleren Bereich B der Stützstruktur 14 konzentriert. Generell können Auswirkungen des Verzugs der Stützstruktur 14 auf das additiv gefertigte Bauteil 12 in den Geometriedaten für das Bauteil 12 zum Zwecke der Kompensation berücksichtigt werden.
Ein oberer Bereich der Stützstruktur 14 kann zunächst nach dem Abtrennen des gefertigten Bauteils 12 von der Bauplattform 10 an dem Bauteil 12 verbleiben und anschließend von diesem entfernt werden. Dies ist in der Regel notwendig, weil die erste geschlossene Lage, die auf der Stützstruktur 14 aufsetzt bzw. selbst noch Teil des oberen Bereichs der Stützstruktur 14 ist, zumindest teilweise auf nicht verfestigtem Pulver W aufgebaut ist, und daher eine qualitativ minderwertige Oberflächenstruktur aufweist, die am fertigen Bauteil 12 generell nicht erwünscht ist und somit entfernt werden sollte.
Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen - beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Systemfehlern, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen - als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.
Bezugszeichenliste

10: Bauplattform
12: Bauteil
14: Stützstruktur
16: Tragelement
16: Tragelementen
18: Deckenelement
W: pulverförmiger Werkstoff

Claims

Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils (12), insbesondere eines Bauteils (12) einer Strömungsmaschine, umfassend zumindest folgende Schritte: a) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs (W) auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer absenkbaren Bauplattform (10); b) Schichtweises und lokales Verschmelzen und/oder Versintern des temperierten Werkstoffs (W) zum Ausbilden einer Bauteilschicht durch selektives Belichten des Werkstoffs (W) mit wenigstens einem Hochenergiestrahl gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie; c) Schichtweises Absenken der Bauplattform (10) um eine vordefinierte Schichtdicke; und d) Wiederholen der Schritte a) bis d) bis zur Fertigstellung des Bauteilbereichs, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilbereich zumindest teilweise auf einer auf der Bauplattform (10) angeordneten Stützstruktur (14) hergestellt wird.
Schichtbauverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (14) zumindest ein Deckenelement (18) aufweist, auf welchem der Bauteilbereich zumindest teilweise hergestellt wird, wobei eine Oberfläche des Deckenelements (18) zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche der Bauplattform (10) angeordnet ist.
Schichtbauverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (14) mindestens ein Tragelement (16) umfasst, welches das Deckenelement (18) trägt.
Schichtbauverfahren Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Tragelement (16) als Säule oder als Wand ausgebildet wird.
Schichtbauverfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Tragelemente (16) als Wände ausgebildet werden, die sich in einem Winkel schneiden oder parallel zueinander angeordnet sind.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Tragelemente (16) gleichmäßig voneinander beabstandet ausgebildet werden.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Tragelemente (16) ein Gewölbe bilden.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Tragelement (16) mit einer Höhe von mindestens 0,3 mm und/oder einer Dicke von mindestens 0,1 mm hergestellt wird und/oder dass das Deckenelement (18) mit einer Dicke von mindestens 0,1 mm hergestellt wird.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (14) vor dem Herstellen des Bauteilbereichs additiv auf der Bauplattform (10) und/oder auf Resten einer vorhergehenden Stützstruktur (14) aufgebaut wird.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (14) mit einem Negativanteil von mindestens 50 Vol.-% hergestellt wird.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (14) zumindest im Wesentlichen nur im Projektionsbereich des Bauteilbereichs auf die Bauplattform (10) hergestellt wird und/oder derart hergestellt wird, dass sie mindestens 90% der Oberfläche der Bauplattform (10) überdeckt.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (14) nach der Fertigstellung des Bauteilbereichs durch ein Trennverfahren, insbesondere durch Drahterodieren und/oder Sägen, zerteilt wird, um den Bauteilbereich von der Bauplattform (10) zu entfernen.
Schichtbauverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Trennverfahren unverfestiges Pulver aus der Stützstruktur (14) entfernt wird.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der fertige Bauteilbereich durch mindestens ein Verfahren aus der Gruppe Spannungsarmglühen, Rissöffnungsglühen, Lösungsglühen und Auslagern wärmebehandelt wird.
Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils (12) durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend: - mindestens eine Pulverzuführung zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs (W) auf eine Aufbau- und Fügezone einer bewegbaren Bauplattform (10); und - mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Hochenergiestrahls zum schichtweisen und lokalen Verschmelzen und/oder Versintern des Werkstoffs (W) zum Ausbilden einer Bauteilschicht durch selektives Belichten des Werkstoffs (W) mit dem wenigstens einem Hochenergiestrahl gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein Schichtbauverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 durchzuführen.