DE102019105000A1

DE102019105000A1 - Verfahren und Vorrichtung zum generativen Herstellen wenigstens einer Bauteilschicht eines Bauteils

Info

Publication number: DE102019105000A1
Application number: DE102019105000.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Leuterer; Sebastian Edelhäuser; Johannes Casper; Herbert Hanrieder
Original assignee: EOS GmbH; MTU Aero Engines AG
Current assignee: EOS GmbH; MTU Aero Engines AG
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2020-08-27

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum generativen Herstellen wenigstens einer Bauteilschicht (10) eines Bauteils durch selektives Verfestigen eines pulverförmigen Bauteilwerkstoffs (12), bei welchem zumindest ein Bereich des Bauteilwerkstoffs (12) mittels einer relativ zum Bauteilwerkstoff (12) bewegten Heizvorrichtung temperiert wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum generativen Herstellen wenigstens einer Bauteilschicht (10) eines Bauteils durch selektives Verfestigen eines pulverförmigen Bauteilwerkstoffs (12), umfassend wenigstens eine relativ zum Bauteilwerkstoff (12) bewegbare Heizvorrichtung, mittels welcher zumindest ein Bereich des Bauteilwerkstoffs (12) temperierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum generativen Herstellen wenigstens einer Bauteilschicht eines Bauteils. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum generativen Herstellen wenigstens einer Bauteilschicht eines Bauteils sowie ein Speichermedium mit einem Programmcode.
Bei so genannten generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren (sog. Rapid Manufacturingbzw. Rapid Prototyping-Verfahren) wird ein Bauteilbereich bzw. ein vollständiges Bauteil, bei dem es sich beispielsweise um ein Bauteil einer Strömungsmaschine bzw. eines Flugtriebwerks handeln kann, schichtweise aufgebaut. Vorwiegend metallische Bauteile werden in der Regel durch Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelz- oder -sinterverfahren in entsprechenden Vorrichtungen hergestellt. Dabei wird zunächst schichtweise mindestens ein pulverförmiger Bauteilwerkstoff im Bereich einer Aufbau- und Fügezone der Vorrichtung aufgetragen, um eine Pulverschicht zu bilden. Anschließend wird der Bauteilwerkstoff lokal verfestigt, indem dem Bauteilwerkstoff im Bereich der Aufbau- und Fügezone Energie mittels wenigstens eines Energiestrahls zugeführt wird, wodurch der Bauteilwerkstoff schmilzt bzw. sintert und eine Bauteilschicht bildet. Der Energiestrahl wird dabei in Abhängigkeit einer Schichtinformation der jeweils herzustellenden Bauteilschicht gesteuert. Die Schichtinformationen werden üblicherweise aus einem 3D-CAD-Körper des Bauteils erzeugt und in einzelne Bauteilschichten unterteilt. Nach dem Verfestigen des geschmolzenen Bauteilwerkstoffs wird die Bauplattform schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke abgesenkt. Danach werden die genannten Schritte bis zur endgültigen Fertigstellung des gewünschten Bauteilbereichs oder des gesamten Bauteils wiederholt. Der Bauteilbereich bzw. das Bauteil kann dabei grundsätzlich auf einer Bauplattform oder auf einem bereits erzeugten Teil des Bauteils oder Bauteilbereichs bzw. auf einer Stützstruktur hergestellt werden. Die Vorteile dieser additiven Fertigung liegen insbesondere in der Möglichkeit, sehr komplexe Bauteilgeometrien mit Hohlräumen, Hinterschnitten und dergleichen im Rahmen eines einzelnen Verfahrens herstellen zu können.
Als nachteilig an den bekannten additiven Schichtbauverfahren ist der Umstand anzusehen, dass viele Werkstoffe wie beispielsweise schwer-schmelzbare Hochtemperaturlegierungen zunächst temperiert werden müssen, um sie zuverlässig verschmelzen bzw. versintern zu können. Bei Nickelbasislegierungen sind beispielsweise Vorheiztemperaturen von mehr als 950 °C notwendig, während bei Titanaluminiden 800 °C oder mehr notwendig sind. Problematisch ist dabei häufig die Temperierung bzw. Erwärmung variabler Geometrien und Querschnitte, so dass zu verfestigende Teilquerschnitte insbesondere im Konturbereich am Beginn und/oder am Ende einer Verfestigungsspur lokal überhitzen können, was zu einer verringerten Bauteilqualität führen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Temperierung von generativ herzustellenden Bauteilschichten zu ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen, welche eine verbesserte Temperierung von generativ herzustellenden Bauteilschichten ermöglicht. Schließlich besteht eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, ein Speichermedium mit einem Programmcode anzugeben, welcher eine entsprechende Steuerung einer solchen Vorrichtung sicherstellt.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2, durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 8 sowie durch ein Speichermedium gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltung der jeweils anderen Erfindungsaspekte und umgekehrt anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum generativen Herstellen wenigstens einer Bauteilschicht eines Bauteils, bei welchem zumindest die Schritte Ermitteln wenigstens einer Verfestigungsspur, innerhalb welcher der Bauteilwerkstoff selektiv zu verfestigen ist, Ermitteln einer Mittellinie der Verfestigungsspur, Ermitteln eines randständigen Freigabebereichs innerhalb der Verfestigungsspur, bei welchem die Verfestigung der Verfestigungsspur beginnen soll, Ermitteln eines Flächenschwerpunkts des Freigabebereichs, Ermitteln eines Bauteilkonturbereichs, welcher einen Rand des Freigabebereichs bildet, Ermitteln eines Punkts auf dem Bauteilkonturbereich, welcher den geringsten Abstand zum Flächenschwerpunkt des Freigabebereichs besitzt, und Temperieren zumindest eines Abschnitts der Verfestigungsspur mittels einer Heizvorrichtung durchgeführt werden, wobei die Heizvorrichtung ausgehend von einem Bereich außerhalb der herzustellenden Bauteilschicht zunächst entlang eines ersten Streckenabschnitts, welcher durch den Punkt auf dem Bauteilkonturbereich und den Flächenschwerpunkt des Freigabebereichs geht, bewegt wird, bis sich ein Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung in einem Randbereich der Verfestigungsspur befindet. Anschließend wird die Heizvorrichtung entlang eines zweiten Streckenabschnitts bewegt, in welchem der Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung in Richtung der Mittellinie der Verfestigungsspur bewegt wird, bis sich der Flächenschwerpunkt in einem Mittelbereich befindet, wobei der Mittelbereich eine Breite von höchstens 30 % der Breite der Verfestigungsspur, also beispielsweise eine Breite von 30 %, 29 %, 28 %, 27 %, 26 %, 25 %, 24 %, 23 %, 22 %, 21 %, 20 %, 19 %, 18 %, 17 %, 16 %, 15 %, 14 %, 13 %, 12 %, 11 %, 10 %, 9 %, 8 %, 7 %, 6 %, 5 %, 4 %, 3 %, 2 % oder 1 % der Breite der Verfestigungsspur aufweist und wobei die Mittellinie innerhalb des Mittelbereichs verläuft. Daraufhin wird die Heizvorrichtung entlang eines dritten Streckenabschnitts bewegt, indem der Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung entlang des Mittelbereichs der Verfestigungsspur bewegt wird. Schließlich wird der temperierte pulverförmige Bauteilwerkstoff innerhalb der wenigstens einen Verfestigungsspur selektiv verfestigt. Mit anderen Worten ist es im Unterschied zum Stand der Technik vorgesehen, dass die Heizvorrichtung nicht linear von einem Bereich außerhalb der herzustellenden Bauteilschicht über den Bereich der generativ herzustellenden Bauteilschicht bzw. der Verfestigungsspur für den Energiestrahl bewegt wird, sondern dass die Heizvorrichtung in den zu verfestigenden Bauteilschichtbereich „eingestochen“ wird, indem zunächst derjenige Punkt auf einem Bauteilkonturbereich bestimmt wird, der den geringsten Abstand zu einem Flächenschwerpunkt eines randständigen Freigabebereichs einer in zwei oder mehr Freigabebereiche unterteilten Verfestigungsspur besitzt. Dieser Punkt wird dann zum „Einstechen“ der Heizvorrichtung in die Verfestigungsspur, das heißt in den herzustellenden Bereich der Bauteilschicht, verwendet, wonach die Heizvorrichtung entlang eines ersten Streckenabschnitts bewegt wird, welcher durch denjenigen Vektor definiert ist, der den Punkt der Bauteilkonturbereich mit dem Flächenschwerpunkt des Freigabebereichs verbindet. Beispielsweise kann der Rand bzw. Randbereich eine konturparallele Spulenkompensationslinie sein. Anschließend wird die Heizvorrichtung in einem zweiten Streckenabschnitt in Richtung der Mittellinie der Verfestigungsspur eingeschwenkt und nach Erreichen des Mittelbereichs der Verfestigungsspur in einem dritten Streckenabschnitt entlang dieses Mittelbereichs weiterbewegt, wobei die Mittellinie im Mittelbereich liegt. Das heißt, dass der Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung nicht exakt entlang der Mittellinie bewegt werden muss, sondern lediglich innerhalb des sich um die Mittellinie herum erstreckenden Mittelbereichs. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung exakt entlang der Mittellinie bewegt wird, so dass der Mittelbereich und die Mittellinie zusammenfallen und dementsprechend nicht separat ermittelt bzw. doppelt berücksichtigt werden müssen. Hierdurch wird eine optimierte Spurführung der Heizvorrichtung erzielt, da eine verbesserte Überdeckung des Wirkbereichs der Heizvorrichtung mit dem Querschnitt der zu belichtenden bzw. zu bestrahlenden Bauteilgeometrie erzielt und damit die Gefahr der Überhitzung minimiert wird. Gleichzeitig wird eine besonders gute Temperaturmessung der unter der Heizvorrichtung liegenden Bauteilstruktur ermöglicht. Der Anfang des Verfestigungsstreifens bzw. der Randbereich der Bauteilschicht kann damit besonders prozesssicher temperiert und verfestigt werden. Die Heizvorrichtung kann grundsätzlich eine oder mehrere Stahlungsheizungen (IR, Mikrowelle etc) und/oder eine oder mehrere Induktoren umfassen, um elektrisch leitfähige Bereiche im Arbeitsraum der Schichtbauvorrichtung mit Hilfe von einem oder mehreren Induktionselementen durch erzeugte Wirbelstromverluste zu erwärmen. Unter dem Flächenschwerpunkt wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung der geometrische Schwerpunkt des im Betrieb oberhalb der Fläche des Bauteilwerkstoffs angeordneten und zum Temperieren des Bauteilwerkstoffs verwendeten Teils der Heizvorrichtung verstanden. Der geometrische Schwerpunkt kann beispielsweise anhand einer Orthogonalprojektion des zum Temperieren des Bauteilwerkstoffs verwendeten Teils der Heizvorrichtung auf das Baufeld ermittelt werden. 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. Es versteht sich, dass die angegebenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht zwangsläufig in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden müssen und dass Variationen der Schrittabfolge möglich sind.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum generativen Herstellen wenigstens einer Bauteilschicht eines Bauteils. Erfindungsgemäß werden dabei die Schritte Ermitteln wenigstens einer Verfestigungsspur, innerhalb welcher der Bauteilwerkstoff selektiv zu verfestigen ist, Ermitteln einer Mittellinie der Verfestigungsspur, Ermitteln eines randständigen Freigabebereichs innerhalb der Verfestigungsspur, bei welchem die Verfestigung der Verfestigungsspur enden soll, Ermitteln eines Flächenschwerpunkts des Freigabebereichs, Ermitteln eines Bauteilkonturbereichs, welcher einen Rand des Freigabebereichs bildet, Ermitteln eines Punkts auf dem Bauteilkonturbereich, welcher den geringsten Abstand zum Flächenschwerpunkt des Freigabebereichs besitzt, und Temperieren zumindest eines Abschnitts der Verfestigungsspur mittels einer Heizvorrichtung durchgeführt. Das Temperieren zumindest eines Abschnitts der Verfestigungsspur mittels der Heizvorrichtung erfolgt, indem die Heizvorrichtung zunächst ausgehend von einem Bereich innerhalb der Verfestigungsspur entlang eines dritten Streckenabschnitts bewegt wird, indem ein Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung entlang eines Mittelbereichs der Verfestigungsspur bewegt wird, wobei der Mittelbereich eine Breite von höchstens 30 % der Breite der Verfestigungsspur aufweist und wobei die Mittellinie innerhalb des Mittelbereichs verläuft, anschließend entlang eines zweiten Streckenabschnitts bewegt wird, in welchem der Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung von der Mittellinie der Verfestigungsspur wegbewegt wird, bis sich der Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung in einem Randbereich der Verfestigungsspur befindet, und schließlich entlang eines ersten Streckenabschnitts in einen Bereich außerhalb der herzustellenden Bauteilschicht bewegt wird, wobei der erste Streckenabschnitt durch den Punkt auf dem Bauteilkonturbereich und den Flächenschwerpunkt des Freigabebereichs geht. Abschließend erfolgt ein selektives Verfestigen des temperierten pulverförmigen Bauteilwerkstoffs innerhalb der wenigstens einen Verfestigungsspur. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Heizvorrichtung am Ende des Verfestigungsstreifens umgekehrt zu dem im ersten Aspekt der Erfindung beschriebenen Verfahren zum „Einstechen“ in den Verfestigungsstreifen nunmehr aus dem Verfestigungsstreifen der herzustellenden Bauteilschicht herausbewegt wird („Ausschwenken“). Neben einer verbesserten Möglichkeit zur Temperaturmessung der unter der Heizvorrichtung liegenden Struktur kann hierdurch das Ende des Verfestigungsstreifens und damit der Randbereich der herzustellenden Bauteilschicht besonders prozesssicher temperiert werden. Weitere sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen.
Dabei ist zu betonen, dass generell beide Verfahren des ersten und des zweiten Erfindungsaspekts zu Beginn bzw. beim Ende eines Verfestigungsstreifens durchgeführt werden können oder dass nur das Verfahren des ersten oder des zweiten Erfindungsaspekts beim Beginn oder beim Ende eines Verfestigungsstreifens durchgeführt wird. Es versteht sich, dass die angegebenen Schritte der erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem ersten und zweiten Erfindungsaspekt nicht zwangsläufig in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden müssen, sondern dass Variationen der Schrittabfolge möglich sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des ersten und/oder zweiten Erfindungsaspekts ist vorgesehen, dass eine Temperatur wenigstens eines unter der Heizvorrichtung liegenden Bereichs des Bauteilwerkstoffs ermittelt und vorzugsweise zur Steuerung- und/oder Regelung der Heizvorrichtung verwendet wird. Hierdurch kann eine besonders exakte Temperaturkontrolle sichergestellt werden, wodurch sich entsprechend hohe Bauteilqualitäten realisieren lassen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten und/oder zweiten Erfindungsaspekts ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung linear und/oder nicht-linear, insbesondere bogenförmig, entlang des ersten, zweiten und/oder dritten Streckenabschnitts bewegt wird. Dies erlaubt eine weiter verbesserte Anpassbarkeit der Verfahren an unterschiedliche Bauteilkonturabschnitte und -geometrien.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten und/oder zweiten Erfindungsaspekts ist vorgesehen, dass eine vorzugsweise minimale Anzahl an Verfestigungsspuren für die herzustellende Bauteilschicht ermittelt wird. Dies erlaubt eine besonders präzise Steuerung der Heizvorrichtung, um eine maximale Überdeckung ihres Temperierbereiches mit dem Querschnitt der zu verfestigenden Bauteilgeometrie sicherzustellen, wodurch die Gefahr einer lokalen Überhitzung minimiert und gleichzeitig eine maximal große Fläche geschaffen wird, um eine möglichst präzise Temperaturmessung der unter der Heizvorrichtung liegenden Struktur zu ermöglichen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten und/oder zweiten Erfindungsaspekts ist vorgesehen, dass die Verfestigungsspur entlang ihrer Erstreckung eine konstante oder eine variable Breite besitzt. Hierdurch ist es möglich, abhängig von der gerade zu belichtenden bzw. zu bestrahlenden Querschnittsgeometrie innerhalb definierter Breitengrenzwerte eine optimale Verfestigungsspurbreite zu ermitteln, um den Bauteilquerschnitt mit möglichst hoher Überdeckung der Heizvorrichtung temperieren und zum Verfestigen belichten bzw. bestrahlen zu können. Die Streifenbreite der Verfestigungsspur kann dabei innerhalb einer Bauteilschicht konstant oder variabel gewählt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Breite der Verfestigungsspur von Bauteilschicht zu Bauteilschicht variiert oder konstant gewählt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass die Mittellinie in der Mitte des Mittelbereichs verläuft. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass sich eine Hälfte des Mittelbereichs entlang einer Seite der Mittellinie und die andere Hälfte auf der anderen Seite der Mittellinie erstreckt, so dass die Mittellinie sowohl in der Mitte der Verfestigungsspur als auch in der Mitte des Mittelbereichs verläuft.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten und/oder zweiten Erfindungsaspekts ist vorgesehen, dass eine induktive Heizvorrichtung mit wenigstens einer Induktionsspule verwendet wird. Hierdurch kann eine besonders schnelle und präzise Temperierung bestimmter Bereiche der Pulverschicht auf eine vorbestimmte Temperatur erreicht werden. Durch die lokale und individuell auf die Geometrie des herzustellenden Bauteils anpassbare induktive Erwärmung ist es möglich, dass insbesondere bei der Verwendung von Hochtemperaturlegierungen als Bauteilwerkstoff Heißrissbildungen bei der Herstellung des Bauteils bzw. der einzelnen Bauteilschichten zuverlässig verhindert werden. Anhand einer Orthogonalprojektion der Induktionsspule auf das Baufeld kann der Flächenschwerpunkt der Induktionsspule ermittelt werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum generativen Herstellen wenigstens einer Bauteilschicht eines Bauteils durch selektives Verfestigen eines pulverförmigen Bauteilwerkstoffs, umfassend wenigstens eine relativ zum Bauteilwerkstoff bewegbare Heizvorrichtung, mittels welcher zumindest ein Bereich des Bauteilwerkstoffs temperierbar ist. Eine verbesserte Temperierung von generativ herzustellenden Bauteilschichten ist erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass eine mit der Heizvorrichtung gekoppelte Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen ist, welche dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß dem ersten und/oder zweiten Erfindungsaspekt durchzuführen. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten bzw. zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung als selektive Lasersinter- und/oder Laserschmelzvorrichtung und/oder als Elektronenstrahlvorrichtung ausgebildet. Hierdurch können Bauteilbereiche oder Bauteile hergestellt werden, deren mechanischen Eigenschaften zumindest im Wesentlichen denen des Bauteilwerkstoffs entsprechen. Zur Erzeugung eines Laserstrahls können beispielsweise CO₂-Laser, Nd:YAG-Laser, Yb-Faserlaser, Diodenlaser oder dergleichen vorgesehen sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Elektroen- und/oder Laserstrahlen verwendet werden, deren Belichtungs- bzw. Verfestigungsparameter vorzugsweise zumindest in Abhängigkeit einer ermittelten Oberflächentemperatur der mittels der Heizvorrichtung temperierten Verfestigungsspur bestimmt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung zwei Induktoren umfasst, welche kreuzförmig und/oder in unterschiedlichen Ebenen bezüglich des pulverförmigen Bauteilwerkstoffs angeordnet und/oder unabhängig voneinander bewegbar sind. Hierdurch können die Magnetfelder der zwei Induktoren (z. B. Induktionsspulen) gezielt überlagert werden, um eine bedarfsgerechte Temperierung eines ausgewählten Bereichs durchzuführen. Die Induktoren können vorzugsweise wahlweise gemeinsam oder unabhängig voneinander bewegbar sein. Vorzugsweise ist der zweite Induktor kleiner als der erste Induktor ausgebildet und nur innerhalb eines durch den ersten Induktor begrenzten Bereichs bewegbar. Die mindestens zwei Induktoren können in weiterer Ausgestaltung translatorisch und/oder rotatorisch zueinander bewegbar sein, wodurch ihre relative Positionierung zueinander besonders präzise und bedarfsgerecht eingestellt werden kann. Dies erlaubt eine entsprechend präzise Erwärmung der Bauteilschicht, indem die Magnetfelder der Induktoren gezielt in gewünschten Bereichen überlagert werden können. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass eine bewegliche Induktionsheizanordnung mit einem ersten und einem zweiten Induktor zum induktiven Temperieren von vorgebbaren Bereichen eines Arbeitsraums vorgesehen ist, wobei die beiden Induktoren senkrecht zueinander ausgerichtet sind, so dass in einer Betriebsstellung der erste Induktor in den zweiten Induktor eingreift („Kreuzspulenkonzept“).
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Speichermedium mit einem Programmcode, der dazu ausgebildet ist, bei Ausführen durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung eine Vorrichtung gemäß dem dritten Erfindungsaspekt so zu steuern, dass diese ein Verfahren nach dem ersten und/oder zweiten Erfindungsaspekt durchführt. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten, zweiten und dritten Erfindungsaspekts zu entnehmen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher einer Prozessoreinrichtung der Steuer- und/oder Regeleinrichtung gespeichert sein. Außerdem kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung ein Speichermedium mit einem Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des Verfahrens gemäß dem ersten und/oder zweiten Erfindungsaspekt auszuführen.
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 die einzige Figur eine schematische Aufsicht einer durch selektives Verfestigen eines pulverförmigen Bauteilwerkstoffs hergestellten Bauteilschicht.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Aufsicht einer Bauteilschicht 10 eines Bauteils für ein Flugtriebwerk, wobei die Bauteilschicht 10 durch selektives Verfestigen eines pulverförmigen Bauteilwerkstoffs 12 hergestellt ist. Der Bauteilwerkstoffs 12 kann beispielsweise aus der Gruppe der schwer schweißbaren Metalle, Metallverbindungen und intermetallischen Verbindungen ausgewählt sein. Hierdurch können thermisch hochbelastbare Bauteile mit hoher Maßhaltigkeit hergestellt und vielseitig, beispielsweise zum Triebwerksbau eingesetzt werden. Der Bauteilwerkstoff 12 kann beispielsweise aus der Gruppe Eisen, Titan, Nickel, Chrom, Cobalt, Kupfer, Aluminium, Stahl, Aluminiumlegierung, Titanlegierung, Kobaltlegierung, Chromlegierung, Nickelbasislegierung, Kupferlegierungen, Mg₂Si und Titanaluminide ausgewählt werden.
Zur generativen Herstellung der Bauteilschicht 10 wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung (nicht gezeigt) verwendet, welche vorliegend als selektive Lasersinter- und/oder - schmelzvorrichtung ausgebildet ist. Dabei werden mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Vorrichtung zunächst Verfestigungsspuren 14 ermittelt, innerhalb welcher der Bauteilwerkstoff 12 selektiv mittels des Laserstrahls der Vorrichtung verfestigt werden soll. Eine der Verfestigungsspuren 14 der Bauteilschicht 10 ist exemplarisch gezeigt, wobei die Verfestigungsspur 14 über eine Bauteilkontur 16 hinaus gestrichelt dargestellt ist. Die Verfestigungsspuren 14 für die aktuell herzustellende Bauteilschicht 10 werden derart bestimmt, dass die Anzahl aller zur Herstellung der Bauteilschicht 10 benötigten Verfestigungsspuren 14 oder -streifen innerhalb definierter minimaler und maximaler Grenzwerte sowie bezüglich der aktuell zu verfestigenden Querschnittsgeometrie der Bauteilschicht 10 minimal ist. Generell können die Verfestigungsspuren 14 gleich oder unterschiedlich gewählt werden bzw. eine konstante oder variable Streifenbreite von Bauteilschicht 10 zu Bauteilschicht 10 oder auch innerhalb einer Bauteilschicht 10 bzw. innerhalb einer Verfestigungsspur 14 aufweisen. Weiterhin wird für jede Verfestigungsspur 14 ihre Mittellinie 18 sowie derjenige Bauteilkonturbereich I ermittelt, bei welchem die aktuell zu bearbeitende Verfestigungsspur 14 beginnt bzw. ab welcher der Werkstoff verfestigt werden soll.
Anschließend wird eine Heizvorrichtung (nicht gezeigt), welche beispielsweise eine oder mehrere Induktionsspulen umfassen kann, zum „Einstechen“ in die Bauteilkontur I entlang eines ersten Streckenabschnitts 1 bewegt, indem ein Flächenschwerpunkt der Induktionsspule(n) ausgehend vom Bereich B außerhalb der herzustellenden Bauteilschicht 10 über eine Tangente T und über die Verfestigungsspur 14 bewegt wird, bis sich der Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung in einem Randbereich der Verfestigungsspur 14 befindet. Der Bewegungsvektor V₁ des Flächenschwerpunkts der Heizvorrichtung im Bereich der Tangente T wird in der folgenden Weise ermittelt. Zunächst wird ein randständiger und in der Fig. schraffiert gezeigter Freigabebereich innerhalb der Verfestigungsspur 14 ermittelt, bei welchem die Verfestigung der Verfestigungsspur für die betreffende Bauteilschicht 10 beginnen soll. Ein Freigabebereich bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung einen Bereich, der mittels der Heizvorrichtung temperiert und beim Erreichen der gewünschten Temperatur „am Stück“, das heißt ohne oder zumindest im Wesentlichen ohne Pause oder „Absetzen“ des Energiestrahls verfestigt werden soll. Der Ausdruck „im Wesentlichen ohne Pause“ schließt dabei etwaige Pausen mit ein, die gegebenenfalls durch kurzes Abschalten des Energiestrahls während Richtungsänderungen außerhalb der Verfestigungsspur 14 entstehen können. Von diesem Freigabebereich wird dann sein Flächenschwerpunkt S ermittelt. Auf dem Bauteilkonturbereich I wird dann derjenige Punkt P ermittelt, welcher den geringsten Abstand zum Flächenschwerpunkt S des Freigabebereichs besitzt. In der Fig. ist durch den Punkt P die grundsätzlich optionale Tangente T an den Bauteilkonturbereich I eingezeichnet. Der Bewegungsvektor V₁ und die Tangente T an den Bauteilkonturbereich I sind vorliegend in einem Winkel von 90 ° zueinander ausgerichtet, wobei grundsätzlich auch abweichende Winkel, beispielsweise zwischen 60 ° und 120 °, vorgesehen sein können.
Ausgehend von dem Bereich B außerhalb der herzustellenden Bauteilschicht 10 wird die Heizvorrichtung gemäß dem Vektor V₁ so lange entlang des ersten Streckenabschnitts 1 bewegt, wobei der Vektor V1 durch den Punkt P auf dem Bauteilkonturbereich I und durch den Flächenschwerpunkt S des Freigabebereichs geht, bis sich ein Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung in einem Randbereich der Verfestigungsspur 14 befindet. Der Flächenschwerpunkt kann sich dabei grundsätzlich noch innerhalb oder bereits außerhalb des Verfestigungsbereichs 14 befinden. Anschließend wird die Bewegung der Heizvorrichtung verändert, indem diese entlang eines zweiten Streckenabschnitts 2 bewegt wird, in welchem der Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung gemäß dem Vektor V₂ zurück in Richtung der Mittellinie 18 der Verfestigungsspur 14 bewegt wird, bis sich der Flächenschwerpunkt über der Mittellinie 18 befindet. Der Flächenschwerpunkt S muss grundsätzlich nicht exakt auf die Mittellinie 18 bewegt werden, sondern kann auch lediglich in einen Mittelbereich M bewegt werden, wobei der Mittelbereich M eine Breite von höchstens 30 % der Breite der Verfestigungsspur 14 aufweist und wobei die Mittellinie 18, vorzugsweise mittig, innerhalb des Mittelbereichs M verläuft. Generell ist es natürlich nicht erforderlich, den Mittelbereich M zu ermitteln, wenn bereits die Mittellinie 18 bekannt ist und der Flächenschwerpunkt S der Heizvorrichtung nur in Richtung bzw. entlang der Mittellinie 18 bewegt werden soll.
Schließlich wird der Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung entlang eines dritten Streckenabschnitts 3 bewegt, der sich vorliegend exemplarisch gemäß Vektor V₃ entlang der Mittellinie 18 bis zu einem dem Bauteilkonturbereich I gegenüberliegenden Bauteilkonturbereich (nicht gezeigt) der Verfestigungsspur 14 erstreckt, um den Werkstoff entlang der gesamten Verfestigungsspur 14 zu temperieren und auf die für die Verfestigung gewünschte Temperatur zu bringen.
Im Bereich der Übergänge zwischen den Vektoren V₁ bis V₃ bzw. bei den Richtungswechseln der Heizvorrichtung kann es vorgesehen sein, dass die Heizvorrichtung streng linear bzw. ausschließlich entlang der gezeigten Vektoren V₁ bis V₃ bewegt wird und scharfe Richtungswechsel vollführt. Alternativ kann die Heizvorrichtung insbesondere im Bereich der Richtungswechsel zwischen den Vektoren V₁ bis V₃ in einer gebogenen Bahn bewegt werden bzw. eine Kurve beschreiben, bis ihr Flächenschwerpunkt wieder auf den betreffenden Vektor V₁ , V₂ und/oder V₃ einschwenkt und entlang desselben weiterbewegt wird.
Am Ende der Verfestigungsspur 14 bzw. am nicht gezeigten, gegenüberliegenden Ende der Bauteilschicht 10 erfolgt das „Ausschwenken“ der Heizvorrichtung aus der Bauteilschicht 10 in grundsätzlich analoger Weise wie das beschriebene „Einstechen“, allerdings in umgekehrter Reihenfolge. Durch die maximale Überdeckung des Wirkbereiches der Induktionsspule mit dem Querschnitt der zu belichtenden bzw. zu bestrahlenden Geometrie bzw. Bauteilschicht 10 wird die Gefahr von Überhitzungen minimiert und gleichzeitig eine maximal große Fläche geschaffen, um eine möglichst einfache und exakte Temperaturmessung der unter der Induktionsspule(n) liegenden Struktur und damit eine verbesserte Steuerung bzw. Regelung des selektiven Verfestigungsvorgangs zu ermöglichen. Insbesondere der Anfang und das Ende eines Belichtungsstreifens bzw. einer Verfestigungsspur 14 sowie die Randbereiche der Bauteilschicht 10 sind hierdurch auch im Fall komplex oder unstetig geformter Bauteilkonturbereiche I besonders prozesssicher temperierbar.
Bezugszeichenliste

1: Streckenabschnitt
2: Streckenabschnitt
3: Streckenabschnitt
V₁: Vektor 1. Streckenabschnitt
V₂: Vektor 2. Streckenabschnitt
V₃: Vektor 3. Streckenabschnitt
10: Bauteilschicht
12: Bauteilwerkstoff
14: Verfestigungsspur
16: Bauteilkontur
18: Mittellinie
I: Bauteilkonturbereich
P: Punkt
T: Tangente
B: Bereich B außerhalb der herzustellenden Bauteilschicht 10
M: Mittelbereich
S: Flächenschwerpunkt

Claims

Verfahren zum generativen Herstellen wenigstens einer Bauteilschicht (10) eines Bauteils, gekennzeichnet durch die Schritte: - Ermitteln wenigstens einer Verfestigungsspur (14), innerhalb welcher der Bauteilwerkstoff (12) selektiv zu verfestigen ist; - Ermitteln einer Mittellinie (18) der Verfestigungsspur (14); - Ermitteln eines randständigen Freigabebereichs innerhalb der Verfestigungsspur (14), bei welchem die Verfestigung der Verfestigungsspur beginnen soll; - Ermitteln eines Flächenschwerpunkts (S) des Freigabebereichs; - Ermitteln eines Bauteilkonturbereichs (I), welcher einen Rand des Freigabebereichs bildet; - Ermitteln eines Punkts auf dem Bauteilkonturbereich, welcher den geringsten Abstand zum Flächenschwerpunkt (S) des Freigabebereichs besitzt; - Temperieren zumindest eines Abschnitts der Verfestigungsspur (14) mittels einer Heizvorrichtung, wobei die Heizvorrichtung: - ausgehend von einem Bereich (B) außerhalb der herzustellenden Bauteilschicht (10) entlang eines ersten Streckenabschnitts (1), welcher durch den Punkt auf dem Bauteilkonturbereich und den Flächenschwerpunkt (S) des Freigabebereichs geht, bewegt wird, bis sich ein Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung in einem Randbereich der Verfestigungsspur (14) befindet; - entlang eines zweiten Streckenabschnitts (2) bewegt wird, in welchem der Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung in Richtung der Mittellinie (18) der Verfestigungsspur (14) bewegt wird, bis sich der Flächenschwerpunkt in einem Mittelbereich (M) befindet, wobei der Mittelbereich (M) eine Breite von höchstens 30 % der Breite der Verfestigungsspur (14) aufweist und wobei die Mittellinie (18) innerhalb des Mittelbereichs (M) verläuft; und - entlang eines dritten Streckenabschnitts (3) bewegt wird, indem der Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung entlang des Mittelbereichs (M) der Verfestigungsspur (14) bewegt wird; und - selektives Verfestigen des temperierten pulverförmigen Bauteilwerkstoffs (12) innerhalb der wenigstens einen Verfestigungsspur (14).
Verfahren zum generativen Herstellen wenigstens einer Bauteilschicht (10) eines Bauteils, gekennzeichnet durch die Schritte: - Ermitteln wenigstens einer Verfestigungsspur (14), innerhalb welcher der Bauteilwerkstoff (12) selektiv zu verfestigen ist; - Ermitteln einer Mittellinie (18) der Verfestigungsspur (14); - Ermitteln eines randständigen Freigabebereichs innerhalb der Verfestigungsspur (14), bei welchem die Verfestigung der Verfestigungsspur enden soll; - Ermitteln eines Flächenschwerpunkts (S) des Freigabebereichs; - Ermitteln eines Bauteilkonturbereichs (I), welcher einen Rand des Freigabebereichs bildet; - Ermitteln eines Punkts auf dem Bauteilkonturbereich, welcher den geringsten Abstand zum Flächenschwerpunkt (S) des Freigabebereichs besitzt; - Temperieren zumindest eines Abschnitts der Verfestigungsspur (14) mittels einer Heizvorrichtung, indem die Heizvorrichtung: - ausgehend von einem Bereich innerhalb der Verfestigungsspur (14) entlang eines dritten Streckenabschnitts (3) bewegt wird, indem ein Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung entlang eines Mittelbereichs (M) der Verfestigungsspur (14) bewegt wird, wobei der Mittelbereich eine Breite von höchstens 30 % der Breite der Verfestigungsspur (14) aufweist und wobei die Mittellinie (18) innerhalb des Mittelbereichs (M) verläuft; - entlang eines zweiten Streckenabschnitts (2) bewegt wird, in welchem der Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung von der Mittellinie (18) der Verfestigungsspur wegbewegt wird, bis sich der Flächenschwerpunkt der Heizvorrichtung in einem Randbereich der Verfestigungsspur (14) befindet; und - entlang eines ersten Streckenabschnitts (1) in einen Bereich (B) außerhalb der herzustellenden Bauteilschicht (10) bewegt wird, wobei der erste Streckenabschnitt (1) durch den Punkt auf dem Bauteilkonturbereich und den Flächenschwerpunkt (S) des Freigabebereichs geht; und - selektives Verfestigen des temperierten pulverförmigen Bauteilwerkstoffs (12) innerhalb der wenigstens einen Verfestigungsspur (14).
Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur wenigstens eines unter der Heizvorrichtung liegenden Bereichs des Bauteilwerkstoffs (12) ermittelt und vorzugsweise zur Steuerung- und/oder Regelung der Heizvorrichtung verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung linear und/oder nicht-linear, insbesondere bogenförmig, entlang des ersten, zweiten und/oder dritten Streckenabschnitts (1, 2, 3) bewegt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorzugsweise minimale Anzahl an Verfestigungsspuren (14) für die herzustellende Bauteilschicht (10) ermittelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungsspur (14) entlang ihrer Erstreckung eine konstante oder eine variable Breite besitzt und/oder dass die Mittellinie (18) in der Mitte des Mittelbereichs (M) verläuft.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine induktive Heizvorrichtung mit wenigstens einer Induktionsspule verwendet wird.
Vorrichtung zum generativen Herstellen wenigstens einer Bauteilschicht (10) eines Bauteils durch selektives Verfestigen eines pulverförmigen Bauteilwerkstoffs (12), umfassend wenigstens eine relativ zum Bauteilwerkstoff (12) bewegbare Heizvorrichtung, mittels welcher zumindest ein Bereich des Bauteilwerkstoffs (12) temperierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Heizvorrichtung gekoppelte Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen ist, welche dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese als selektive Lasersinter- und/oder Laserschmelzvorrichtung und/oder als Elektronenstrahlvorrichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung zwei Induktoren umfasst, welche kreuzförmig und/oder in unterschiedlichen Ebenen bezüglich des pulverförmigen Bauteilwerkstoffs (12) angeordnet und/oder unabhängig voneinander relativ zum Bauteilwerkstoff (12) bewegbar sind.
Speichermedium mit einem Programmcode, der dazu ausgebildet ist, bei Ausführen durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10 so zu steuern, dass diese ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 durchführt.