DE102019209674A1

DE102019209674A1 - Schichtbauverfahren und Schichtbauvorrichtung zum additiven Herstellen zumindest eines Wandbereichs eines Bauteils sowie Computerprogrammprodukt und Bauteil

Info

Publication number: DE102019209674A1
Application number: DE102019209674.3A
Authority: DE
Inventors: Katrin Friedberger; Steffen Schlothauer; Sebastian Rott; Andreas Rössmann
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2019-07-02
Publication date: 2021-01-07
Also published as: WO2021000981A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils (10). Das Schichtbauverfahren umfasst zumindest die Schritte a) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer bewegbaren Bauplattform, b) Durchführen wenigstens eines ersten Verfestigungsschritts, bei welchem der Werkstoff durch selektives Bestrahlen gemäß einem ersten Belichtungsparametersatz mit wenigstens einem Energiestrahl verfestigt wird, wodurch innerhalb einer einzelnen Schicht (12) ein erster Schichtbereich (14a) mit einer ersten Gefügestruktur gebildet wird, c) Durchführen wenigstens eines zweiten Verfestigungsschritts, bei welchem der Werkstoff durch selektives Bestrahlen gemäß einem zweiten Belichtungsparametersatz mit dem wenigstens einen Energiestrahl verfestigt wird, wodurch innerhalb der einzelnen Schicht (12) ein zweiter Schichtbereich (14b) mit einer zweiten Gefügestruktur gebildet wird, d) schichtweises Absenken der Bauplattform (24) um eine vordefinierte Schichtdicke und e) ein- oder mehrmaliges Wiederholen der Schritte a) bis d). Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schichtbauvorrichtung, ein Computerprogrammprodukt und ein Bauteil (10) mit wenigstens einer Schicht (12), die einen ersten Schichtbereich (14a) mit einer ersten Gefügestruktur sowie einen zweiten Schichtbereich (14b) mit einer zweiten Gefügestruktur aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren und eine Schichtbauvorrichtung zum additiven Herstellen zumindest eines Wandbereichs eines Bauteils. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogrammprodukt und ein additiv hergestelles Bauteil.
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 Belichtungs- bzw. Bestrahlungsstrategie bestimmt, gemäß welcher die selektive Verfestigung eines Werkstoffs erfolgen soll. Neben der Anzahl und Anordnung von Bestrahlungsvektoren, zum Beispiel Linienbelichtung, Streifenbelichtung, Chess-Strategie, Islandstragie etc., sind Bestrahlungsparameter wie beispielsweise die Energiestrahlleistung und die Belichtungsgeschwindigkeit eines zum Verfestigen zu verwendenden Energiestrahls von Bedeutung. Beim Schichtbauverfahren wird dann der gewünschte Werkstoff schichtweise abgelagert und selektiv mittels des wenigstens einen Energiestrahls verfestigt, um den gewünschten 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 beispielsweise 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 ohne weitere Bearbeitungsschritte verwendet werden. Beim selektiven Lasersintern wird das Bauteil in ähnlicher Weise durch laserunterstütztes Sintern von pulverförmigen Werkstoffen hergestellt. Die Zufuhr der Energie erfolgt hierbei beispielsweise durch Laserstrahlen eines CO2-Lasers, Nd:YAG-Lasers, Yb-Faserlasers, Diodenlasers oder dergleichen. Ebenfalls bekannt sind Elektronenstrahlverfahren, bei welchen der Werkstoff durch einen oder mehrere Elektronenstrahlen selektiv verfestigt wird.
Aktuell standardmäßig genutzte Belichtungsparametersätze in der additiven Fertigung sind so gewählt, dass sie möglichst einheitliche Gefügestrukturen mit „mittleren“ Eigenschaften hinsichtlich Korngrößen, Festigkeit und Duktilität erzeugen. Die Parameterfindung ist dabei ein Kompromiss aus einem möglichst hohen Energieeintrag zur Vermeidung von Defekten und einem möglichst geringen Energieeintrag zur Erzeugung eines hochfesten, feinkörnigen Gefüges. Dies führt allerdings dazu, dass im Bauteil entstehende Risse im Vergleich zu konventionellen Werkstoffen vergleichsweise schnell voranschreiten, so dass bei additiv gefertigten Bauteilen nur sehr geringe Defektgrößen akzeptiert werden dürfen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schichtbauverfahren und eine Schichtbauvorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die Herstellung von Bauteilen mit verbesserten Rissfortschrittseigenschaften ermöglicht ist. Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, ein Computerprogrammprodukt und ein computerlesbares Speichermedium anzugeben, welche eine entsprechende Steuerung einer solchen Schichtbauvorrichtung ermöglichen. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil mit wenigstens einem additiv hergestellten Bauteilbereich mit verbesserten Rissfortschrittseigenschaften anzugeben.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Schichtbauverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Schichtbauvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12, durch ein Computerprogrammprodukt gemäß Patentanspruch 14 sowie durch ein Bauteil gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils. Erfindungsgemäß umfasst das Schichtbauverfahren zumindest die Schritte a) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer bewegbaren Bauplattform, b) Durchführen wenigstens eines ersten Verfestigungsschritts, bei welchem der Werkstoff durch selektives Bestrahlen gemäß einem ersten Belichtungsparametersatz mit wenigstens einem Energiestrahl verfestigt wird, wodurch innerhalb einer einzelnen Schicht ein erster Schichtbereich mit einer ersten Gefügestruktur gebildet wird, c) Durchführen wenigstens eines zweiten Verfestigungsschritts, bei welchem der Werkstoff durch selektives Bestrahlen gemäß einem zweiten Belichtungsparametersatz mit dem wenigstens einen Energiestrahl verfestigt wird, wodurch innerhalb der einzelnen Schicht ein zweiter Schichtbereich mit einer zweiten Gefügestruktur gebildet wird, d) schichtweises Absenken der Bauplattform um eine vordefinierte Schichtdicke und e) ein- oder mehrmaliges Wiederholen der Schritte a) bis d). Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass anstelle einer Vergleichmäßigung der Gefügeeigenschaft innerhalb einer Schicht mindestens zwei Schichtbereiche mit unterschiedlichen Gefügestrukturen innerhalb ein und derselben Schicht erzeugt werden, indem zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Belichtungsparametersätzen gewechselt wird. Unter dem Begriff „Gefüge“ oder „Gefügestruktur“ wird generell die Materialbeschaffenheit verstanden, die hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und der räumlichen Anordnung ihrer Bausteine in Bezug auf ein in den Werkstoff gelegtes ortsfestes Achsenkreuz in erster Näherung homogen ist. Eine Gefügestruktur kann daher durch die Form, Größe, Verteilung, Art und Orientierung ihrer Gefügebestandteile charakterisiert werden. Bei metallischen Werkstoffen wie beispielsweise Legierungen kann zwischen dem Primärgefüge und dem Sekundärgefüge unterschieden werden. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird mit dem Begriff Gefüge bei metallischen Werkstoffen das Sekundärgefüge bezeichnet. Hierdurch kann trotz Verwendung eines einzigen pulverförmigen Werkstoffs eine Art „Verbundmaterial“ erzeugt werden, bei dem mindestens zwei Schichtbereiche einer einzelnen Schicht mit unterschiedlichen Gefügestrukturen innig miteinander verbunden sind, wobei die Geometrien der beiden Schichtbereich aufgrund der additiven Fertigung frei innerhalb der betreffenden Schichtgeometrie eingestellt werden können. Hierdurch können die mechanischen Eigenschaften des hergestellten Bauteils und insbesondere sein Rissverhalten erheblich verbessert werden. Beispielsweise kann - ähnlich wie bei einem herkömmlichen Verbundwerkstoff - eine Kombination aus einem ersten Schichtbereich, der ähnliche Eigenschaften wie eine hochfesten Faser aufweist, und einem zweiten Schichtbereich, der die Eigenschaften einer duktilen Matrix aufweist, hergestellt werden. Ein solcher Materialverbund weist einerseits eine hohe Festigkeit und andererseits eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig hoher Defekttoleranz auf. Im Vergleich zu einem herkömmlichen (Faser)Verbundwerkstoff können aufgrund der additiven Fertigung zahlreiche Vorteile realisiert werden, beispielsweise eine wesentlich höhere Gestaltungsfreiheiten bezüglich der Anschlüsse zur Lasteinleitung sowie eine gezielte lokale Wahlmöglichkeit der notwendigen bzw. gewünschten Festigkeit und Duktilität. Die Ausdrücke „ein/eine“ sind im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmter 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 vorgesehen, dass der erste und/oder der zweite Verfestigungsschritt innerhalb einer einzelnen Schicht mehrmals durchgeführt werden. Hierdurch können entsprechend mehrere Schichtbereiche mit wechselnden Gefügestrukturen innerhalb ein und derselben Schicht hergestellt werden. Dies erlaubt es, die mechanischen Belastungen, denen das fertige Bauteil im Betrieb planmäßig ausgesetzt sein wird, optimal zu berücksichtigen und die einzelnen Schichtbereiche so zu legen, dass die unterschiedlichen Gefügestrukturen an die im Betrieb auftretenden Belastungen angepasst sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Schichtbereich mit wenigstens einem gegenüber dem zweiten Schichtbereich abweichenden Parameter aus der Gruppe Festigkeit, Duktilität, Dehngrenze, Elastizitätsgrenze, Streckgrenze und Bruchdehnung hergestellt wird. Hierdurch kann das Bauteil gleichzeitig mit unterschiedlichen Eigenschaften ausgestattet werden, die bislang nicht gleichzeitig darstellbar waren. Durch einen Wechsel beispielsweise von Gefügestrukturen mit einerseits besonders duktiler und andererseits hochfester Eigenschaft (ähnlich einem „Faserverbund“) kann die Schadenstoleranz des Bauteils bei gleichzeitig akzeptablen Festigkeiten erhöht werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem der erste Schichtbereich und/oder der zweite Schichtbereich innerhalb einer einzelnen Schicht ringförmig erzeugt wird. Hierdurch können geschlossene Schichtbereiche mit innerhalb des jeweiligen Schichtbereichs homogenen Eigenschaften hergestellt werden. Gleichzeitig kann durch diese geschlossenen Ringstrukturen ein etwaiger Riss besonders effektiv am Fortschreiten gehindert werden, da ein etwaiger Riss in einem der Schichtbereiche unabhängig von der Richtung seiner Ausbreitung auf den anderen ringförmigen Schichtbereich mit der abweichenden Gefügestruktur trifft und dort an der weiteren Ausbreitung gehindert werden kann. Unter dem Begriff „ringförmig“ sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung nicht nur kreisringförmige Strukturen, sondern generell alle Schichtbereichsgeometrien zu verstehen, die den jeweils anderen Schichtbereich vollumfänglich umgreifen bzw. umschließen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass innerhalb einer einzelnen Schicht abwechselnd wenigstens ein ringförmiger erster Schichtbereich und wenigstens ein ringförmiger zweiter Schichtbereich erzeugt werden, die konzentrisch angeordnet werden. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die wenigstens zwei Schichtbereiche um eine gemeinsame Mitte angeordnet werden, so dass sie formal denselben Schwerpunkt besitzen. Hierdurch kann eine besonders symmetrische Verbundstruktur mit entsprechend symmetrischen Eigenschaften erzeugt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Schichten eine Anordnung des ersten Schichtbereichs und des zweiten Schichtbereichs zumindest bereichsweise verändert, insbesondere vertauscht, wird. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die wenigstens zwei Schichtbereiche in mittelbar oder unmittelbar aufeinanderfolgenden Schichten unterschiedlich angeordnet sind. Vorzugsweise werden die wenigstens zwei Schichtbereiche vertauscht, so dass sie sich in Aufbaurichtung (z-Richtung) abwechseln. Hierdurch kann ein mechanisch besonders hoch belastbarer, Verbundwerkstoff-artiger Schichtaufbau erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass in wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Schichten eine Anordnung des ersten Schichtbereichs und/oder des zweiten Schichtbereichs zumindest bereichsweise konstant gehalten wird. Hierdurch kann sich der erste und/oder der zweite Schichtbereich zumindest bereichsweise in Aufbaurichtung über zwei oder mehr Schichten erstrecken.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Schichtbereich innerhalb einer einzelnen Schicht mit unterschiedlichen Scanstrategien und/oder mit unterschiedlichen Hatchabständen und/oder mit unterschiedlichen Fokusdurchmessern des Energiestrahls und/oder mit unterschiedlichen Energieeinträgen pro Flächeneinheit und/oder mit unterschiedlichen Energieeinträgen pro Zeiteinheit hergestellt werden. Auf diese Weise können die unterschiedlichen Gefügestrukturen besonders einfach und optimal an die Bauteilgeometrie und die für das Bauteil im Betrieb vorgesehene Lasteinleitung angepasst erzeugt werden. Höhere Festigkeiten und Steifigkeiten werden generell durch geringere Flächen- bzw. Volumenenergieeinträge erzeugt. Ein Parameter zur Einstellung der Flächen- bzw. Volumenenergieeinträge ist insbesondere der Hatchabstand, das heißt der Abstand zwischen benachbarten Schmelzspuren. Eine höhere Duktilität in Aufbaurichtung kann durch einen vergleichsweise höheren Energieeintrag pro Fläche bzw. Volumen erzeugt werden. Auch hier kann der Hatchabstand zur Einstellung verwendet werden. Ein kleinerer Hatchabstand bewirkt generell eine höhere Duktilität. Der Parameter Hatchabstand kann beim ersten Belichtungsparametersatz im Vergleich zum zweiten Belichtungsparametersatz beispielsweise um bis zu ±30 % variiert werden. Es kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass Randbereiche des Bauteils bzw. der einzelnen Schichten nicht mit dem ersten und/oder zweiten Belichtungsparametersatz bestrahlt, sondern unabhängig von nicht-randständigen bzw. im fertigen Bauteil innenliegenden Volumenbereichen des Bauteils bzw. der einzelnen Schichten mit einem eigenen Belichtungsparametersatz verfestigt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der ersten Belichtungsparametersatz derart eingestellt wird, dass ein Volumenenergieeintrag zwischen 95 J/mm³ und 115 J/mm³, also beispielsweise von 95 J/mm³, 96 J/mm³, 97 J/mm³, 98 J/mm³, 99 J/mm³, 100 J/mm³, 101 J/mm³, 102 J/mm³, 103 J/mm³, 104 J/mm³, 105 J/mm³, 106 J/mm³, 107 J/mm³, 108 J/mm³, 109 J/mm³, 110 J/mm³, 111 J/mm³, 112 J/mm³, 113 J/mm³, 114 J/mm³ oder 115 J/mm³ bei einer Überlagerung der Schmelzbäder der Hatchbelichtung zwischen 50 % und 80 %, also beispielsweise von 50 %, 51 %, 52 %, 53 %, 54 %, 55 %, 56 %, 57 %, 58 %, 59 %, 60 %, 61 %, 62 %, 63 %, 64 %, 65 %, 66 %, 67 %, 68 %, 69 %, 70 %, 71 %, 72 %, 73 %, 74 %, 75 %, 76 %, 77 %, 78 %, 79 % oder 80 % erfolgt. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass der zweite Belichtungsparametersatz derart eingestellt wird, dass ein Volumenenergieeintrag zwischen 50 J/mm³ und 70 J/mm³, also beispielsweise von 50 J/mm³, 51 J/mm³, 52 J/mm³, 53 J/mm³, 54 J/mm³, 55 J/mm³, 56 J/mm³, 57 J/mm³, 58 J/mm³, 59 J/mm³, 60 J/mm³, 61 J/mm³, 62 J/mm³, 63 J/mm³, 64 J/mm³, 65 J/mm³, 66 J/mm³, 67 J/mm³, 68 J/mm³, 69 J/mm³ oder 70 J/mm³ bei einer Überlagerung der Schmelzbäder der Hatchbelichtung zwischen 10 % und 0 %, also beispielsweise von 10 %, 9 %, 8 %, 7 %, 6 %, 5 %, 4 %, 3 %, 2 %, 1 % oder 0 % erfolgt. Die erzeugten Bruchdehnungen des ersten Belichtungsparametersatzes erreichen unter den genannten Randbedingungen doppelt so hohe Werte wie die des zweiten Belichtungsparametersatzes. Dabei liegt der E-Modul eines zweiten Schichtbereichs, der mit dem zweiten Belichtungsparametersatz erzeugt ist, bis zu ca. 1/3 über dem eines ersten Schichtbereichs, der mit dem ersten Belichtungsparametersatz erzeugt ist.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn innerhalb einer einzelnen Schicht wenigstens ein weiterer Verfestigungsschritt durchgeführt wird, bei welchem der Werkstoff durch selektives Bestrahlen des Werkstoffs gemäß einem weiteren Belichtungsparametersatz mit dem wenigstens einen Energiestrahl verfestigt wird, wodurch innerhalb der einzelnen Schicht ein weiterer Schichtbereich mit einer weiteren Gefügestruktur gebildet wird. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass innerhalb ein und derselben Schicht wenigstens ein weiterer Schichtbereich mit einer Gefügestruktur, die sich von der ersten und zweiten Gefügestruktur unterscheidet, hergestellt wird. Anders ausgedrückt kann ein und dieselbe Schicht drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht oder mehr unterschiedliche Gefügebereiche aufweisen. Hierdurch ist eine besonders präzise Anpassung der Materialeigenschaften des Bauteils an seinen späteren Einsatzzweck ermöglicht.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn sich der erste Schichtbereich und/oder der zweite Schichtbereich über mehrere Schichten, insbesondere über alle Schichten erstreckt bzw. erstrecken.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Werkstoff eine schwerschmelzbare Legierung, insbesondere eine Nickelbasislegierung und/oder eine Cobaltbasislegierung und/oder ein intermetallischer Werkstoff, insbesondere ein Titanaluminid, verwendet wird. Obwohl der Werkstoff grundsätzlich auch ein Kunststoff wie beispielsweise ABS, PLA, PETG, Nylon, PET, PTFE oder dergleichen sein kann, können mit Hilfe von metallischen oder intermetallischen Werkstoffen generell Wandbereiche mit höherer mechanischer, thermischer und chemischer Beständigkeit hergestellt werden. Beispielsweise kann der Werkstoff Elemente aus der Gruppe Eisen, Titan, Nickel, Chrom, Cobalt, Kupfer, Aluminium oder Titan enthalten. Der Werkstoff kann eine Legierung aus der Gruppe Stahl, Aluminiumlegierung, Titanlegierung, Kobaltlegierung, Chromlegierung, Nickelbasislegierung oder Kupferlegierungen sein. Ebenso können intermetallische Legierungen wie Mg2Si und Titanaluminide vorgesehen sein. Beispielsweise kann der Werkstoff eine hochtemperaturfeste Nickelbasislegierungen wie etwa Mar M-247, Inconel 718 (IN718), Inconel 738 (IN738), Waspaloy oder C263 sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in einer einzelnen Schicht ein Flächenverhältnis von erstem Schichtbereich zu zweitem Schichtbereich zwischen 1:10 und 10:1 eingestellt wird. Auch dies stellt eine einfache Möglichkeit dar, um die mechanischen Eigenschaften des Bauteils maßzuschneidern.
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, mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls zum schichtweisen und lokalen Verfestigen des Werkstoffs durch selektives Bestrahlen des Werkstoffs gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie und eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, die Pulverzuführung so zu steuern, dass diese mindestens eine Pulverschicht des Werkstoffs auf die Aufbau- und Fügezone der Bauplattform aufträgt, und die Bauplattform schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke abzusenken. Die Herstellung von Bauteilen mit verbesserten Rissfortschrittseigenschaften ist erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass die Steuereinrichtung zusätzlich dazu konfiguriert ist, wenigstens einen ersten Verfestigungsschritt durchzuführen, bei welchem der Werkstoff durch selektives Bestrahlen gemäß einem ersten Belichtungsparametersatz mit wenigstens einem Energiestrahl verfestigt wird, wodurch innerhalb einer einzelnen Schicht ein erster Schichtbereich mit einer ersten Gefügestruktur gebildet wird, und wenigstens einen zweiten Verfestigungsschritt durchzuführen, bei welchem der Werkstoff durch selektives Bestrahlen gemäß einem zweiten Belichtungsparametersatz mit dem wenigstens einen Energiestrahl verfestigt wird, wodurch innerhalb der einzelnen Schicht ein zweiter Schichtbereich mit einer zweiten Gefügestruktur gebildet wird. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass anstelle einer Vergleichmäßigung der Gefügeeigenschaft innerhalb einer Schicht mindestens zwei Schichtbereiche mit unterschiedlichen Gefügestrukturen innerhalb ein und derselben Schicht erzeugbar sind, indem die Steuereinrichtung zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Belichtungsparametersätzen wechseln kann. Hierdurch kann trotz Verwendung eines einzigen pulverförmigen Werkstoffs eine Art „Verbundmaterial“ erzeugt werden, bei dem mindestens zwei Schichtbereiche einer einzelnen Schicht mit unterschiedlichen Gefügestrukturen innig miteinander verbunden sind, wobei die Geometrien der beiden Schichtbereich aufgrund der additiven Fertigung frei innerhalb der betreffenden Schichtgeometrie eingestellt werden können. Hierdurch können die mechanischen Eigenschaften des hergestellten Bauteils und insbesondere sein Rissverhalten erheblich verbessert werden. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts anzusehen sind. Umgekehrt sind vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts anzusehen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung als selektive Lasersinter- und/oder -schmelzvorrichtung ausgebildet ist. Hierdurch können Wandbereiche und komplette 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 Elektronen- und/oder Laserstrahlen verwendet werden, deren Belichtungs- bzw. Verfestigungsparameter in der vorstehend beschriebenen Weise angepasst bzw. eingestellt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch eine Steuereinrichtung einer Schichtbauvorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt die Schichtbauvorrichtung veranlassen, das Schichtbauverfahren nach dem ersten Erfindungsaspekt auszuführen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch eine Steuereinrichtung einer Schichtbauvorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt die Schichtbauvorrichtung veranlassen, das Schichtbauverfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt auszuführen.
Die vorliegende Erfindung kann mit Hilfe eines Computerprogrammprodukts realisiert werden, das Programmmodule umfasst, die von einem computerverwendbaren oder computerlesbaren Medium aus zugänglich sind und Programmcode speichern, der von oder in Verbindung mit einem oder mehreren Computern, Prozessoren oder Befehlsausführungssystemen einer Schichtbauvorrichtung verwendet wird. Für die Zwecke dieser Beschreibung kann ein computerverwendbares oder computerlesbares Medium jede Vorrichtung sein, die das Computerprogrammprodukts zur Verwendung durch oder in Verbindung mit dem Befehlsausführungssystem, der Vorrichtung oder der Vorrichtung enthalten, speichern, kommunizieren, verbreiten oder transportieren kann. Das Medium kann ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infrarot- oder Halbleitersystem oder ein Ausbreitungsmedium an sich sein, da Signalträger nicht in der Definition des physischen, computerlesbaren Mediums enthalten sind. Dazu gehören ein Halbleiter- oder Festkörperspeicher, Magnetband, eine austauschbare Computerdiskette, ein Direktzugriffsspeicher (RAM), ein Nur-Lese-Speicher (ROM), eine starre Magnetplatte und eine optische Platte wie ein Nur-Lese-Speicher (CD-ROM, DVD, Blue-Ray etc.), oder eine beschreibbare optische Platte (CD-R, DVD-R). Sowohl Prozessoren als auch Programmcode zur Implementierung der einzelnen Aspekte der Erfindung können zentralisiert oder verteilt werden (oder eine Kombination davon).
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere für eine Strömungsmaschine, umfassend zumindest einen Bauteilbereich, der mittels einer Schichtbauvorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt und/oder mittels eines Schichtbauverfahrens gemäß dem ersten Erfindungsaspekt hergestellt ist und in wenigstens einer Schicht einen ersten Schichtbereich mit einer ersten Gefügestruktur sowie einen zweiten Schichtbereich mit einer zweiten Gefügestruktur aufweist. Hierdurch besitzt das erfindungsgemäße Bauteil verbesserte mechanische Eigenschaften und insbesondere ein erheblich verbessertes Rissverhalten. Dabei kann es vorgesehen sein, dass mehrere, insbesondere mehrere unmittelbar aufeinander folgende, oder alle Schichten des Bauteils in der beschriebenen Weise ausgebildet sind.
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 Aufsicht eines erfindungsgemäßen Bauteils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Bauteils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Aufsicht des erfindungsgemäßen Bauteils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Bauteils gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
5 ein schematisches Schliffbild eines ersten Schichtbereichs mit einer ersten Gefügestruktur; und
6 ein schematisches Schliffbild eines zweiten Schichtbereichs mit einer zweiten Gefügestruktur.

1 zeigt eine schematische Aufsicht eines erfindungsgemäßen Bauteils 10 aus IN718 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Bauteil 10 wurde mit Hilfe eines Schichtbauverfahrens hergestellt, indem die Schritte a) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer bewegbaren Bauplattform, b) Durchführen wenigstens eines ersten Verfestigungsschritts, bei welchem der Werkstoff durch selektives Bestrahlen gemäß einem ersten Belichtungsparametersatz mit wenigstens einem Energiestrahl verfestigt wird, wodurch innerhalb einer einzelnen Schicht 12 ein erster Schichtbereich 14a mit einer ersten Gefügestruktur gebildet wird, c) Durchführen wenigstens eines zweiten Verfestigungsschritts, bei welchem der Werkstoff durch selektives Bestrahlen gemäß einem zweiten Belichtungsparametersatz mit dem wenigstens einen Energiestrahl verfestigt wird, wodurch innerhalb der einzelnen Schicht 12 ein zweiter Schichtbereich 14b mit einer zweiten Gefügestruktur gebildet wird, und d) schichtweises Absenken der Bauplattform um eine vordefinierte Schichtdicke durchgeführt und gemäß Schritt e) mehrfach bis zur Fertigstellung des Bauteils 10 wiederholt wurden. Der erste Belichtungsparametersatz wurde dabei derart gewählt, dass der erste Schichtbereich 14a bzw. die resultierende erste Gefügestruktur vornehmlich duktile Eigenschaften zur verbesserten Schadenstoleranz gegen Oberflächenkerben besitzt, während der zweite Belichtungsparametersatz derart gewählt wurde, dass der zweite Schichtbereich 14b bzw. die resultierende zweite Gefügestruktur vornehmlich hochfeste Eigenschaften zur Erhöhung des E-Modul sowie zum Erreichen einer gewünschten Gesamtfestigkeit des Bauteils 10 besitzt. Wie man in 1 erkennt, sind in derselben Schicht 12 mehrere erste und zweite Schichtbereiche 14a, 14b ringförmig ausgebildet und in alternierender Weise konzentrisch angeordnet. Diese Anordnung kann in den darunterliegenden Schichten 12 wiederholt oder verändert, insbesondere vertauscht werden.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Bauteils 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Man erkennt, dass der erste Schichtbereich 14a und der zweite Schichtbereich 14b schichtweise abgewechselt werden, wobei die einzelnen Schichten 12 jeweils einen einheitlichen Schichtbereich 14a bzw. 14b besitzen. Hierdurch ergibt sich ein stetiger Wechsel von (höher)-festen und (höher)-duktilen Werkstoffbereichen über die Aufbauhöhe des Bauteils 10, der durch jeweils unterschiedlich gewählte Parameter wie zum Beispiel die Variation des Hatchabstandes realisierbar ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Wechsel zwischen erstem Schichtbereich 14a und zweitem Schichtbereich 14b erst nach zwei oder mehr, beispielsweise 10 Schichten 12 vorgenommen wird. Ebenso kann vorgesehen sein, dass der Wechsel nicht nach einer konstanten Anzahl an Schichten 12 vorgenommen, sondern über die Höhe des Bauteils variiert wird. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass auch innerhalb einer einzelnen Schicht 12 unterschiedliche Schichtbereiche 14a, 14b erzeugt werden.
3 zeigt eine schematische Aufsicht des erfindungsgemäßen Bauteils 10 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel sind die jeweiligen Bereichsgrößen sowie die Anzahl und Anordnung der ersten und zweiten Schichtbereiche 14a, 14b innerhalb einzelner Schichten 12 unterschiedlich gewählt. Man erkennt in 3, dass der zweite Schichtbereich 14b einen größeren Flächenanteil als im ersten Ausführungsbeispiel besitzt.
4 zeigt eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Bauteils 10 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Man erkennt, dass sich der erste und zweite Schichtbereich 14a, 14b in Aufbaurichtung abwechseln, wobei die Schichtbereiche 14a, 14b unterschiedliche Dicken besitzen, das heißt aus unterschiedlich vielen Schichten aufgebaut sind. Zudem erstreckt sich der zweite Schichtbereich 14b an einer Seite des Bauteils 10 über die gesamte Aufbauhöhe. Generell sind aber zahlreiche Variationen möglich.
5 zeigt ein schematisches Schliffbild des ersten Schichtbereichs 14a mit der ersten Gefügestruktur, wobei der Maßstab eine Länge von 500 µm kennzeichnet. Man erkennt deutlich die Unterschiede gegenüber dem in 6 gezeigten schematischen Schliffbild des zweiten Schichtbereichs 14b mit seiner zweiten, im Vergleich wesentlich feinkörnigeren Gefügestruktur, wodurch sich die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften der beiden Schichtbereiche 14a, 14b in der Art eines Verbundwerkstoffs realisieren lassen. Der erste Schichtbereich 14a besitzt im gezeigten Beispiel eine Bruchdehnung A von 30% und eine Elastizitätsgrenze Rp0,2 von ca. 840MPa, während der zweite Schichtbereich 14b eine Bruchdehnung A von 14% und eine Elastizitätsgrenze Rp0,2 von 940MPa aufweist.
Die Eigenschaft „Festigkeit“ (Zugfestigkeit, Streckgrenze, Lebensdauer bei zyklischer Last) ist generell gegensätzlich zur Eigenschaft „Verformbarkeit“ bzw. „Duktilität“ (Bruchdehnung, Brucheinschnürung). Da aber bei höherer Festigkeit eine gewisse Schadenstoleranz vorhanden sein muss, kann man diese über eine geeignete Kombination von erstem und zweiten Schichtbereich 14a, 14b einstellen. Eine hohe Festigkeitsanforderung wird generell durch einen höheren Anteil (Volumenanteil) an festigkeitsoptimierten Bereichen durch vergleichsweise geringeren Energieeintrag pro Fläche bzw. Volumen erzielt. Eine hohe Duktilitätsanforderung kann umgekehrt durch einen vergleichsweise höheren Energieeintrag pro Fläche bzw. Volumen erzeugt werden (6).
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, DIN-Toleranzen und dergleichen - als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.
Bezugszeichenliste

10: Bauteil
12: Schicht
14a: erster Schichtbereich
14b: zweiter Schichtbereich

Claims

Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils (10), umfassend zumindest folgende Schritte: a) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer bewegbaren Bauplattform; b) Durchführen wenigstens eines ersten Verfestigungsschritts, bei welchem der Werkstoff durch selektives Bestrahlen gemäß einem ersten Belichtungsparametersatz mit wenigstens einem Energiestrahl verfestigt wird, wodurch innerhalb einer einzelnen Schicht (12) ein erster Schichtbereich (14a) mit einer ersten Gefügestruktur gebildet wird; c) Durchführen wenigstens eines zweiten Verfestigungsschritts, bei welchem der Werkstoff durch selektives Bestrahlen gemäß einem zweiten Belichtungsparametersatz mit dem wenigstens einen Energiestrahl verfestigt wird, wodurch innerhalb der einzelnen Schicht (12) ein zweiter Schichtbereich (14b) mit einer zweiten Gefügestruktur gebildet wird; d) schichtweises Absenken der Bauplattform (24) um eine vordefinierte Schichtdicke; und e) ein- oder mehrmaliges Wiederholen der Schritte a) bis d).
Schichtbauverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dass der erste und/oder der zweite Verfestigungsschritt innerhalb einer einzelnen Schicht (12) mehrmals durchgeführt werden.
Schichtbauverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schichtbereich (14a) mit wenigstens einem gegenüber dem zweiten Schichtbereich (14b) abweichenden Parameter aus der Gruppe Festigkeit, Duktilität, Dehngrenze, Elastizitätsgrenze, Streckgrenze und Bruchdehnung hergestellt wird.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schichtbereich (14a) und/oder der zweite Schichtbereich (14b) innerhalb einer einzelnen Schicht (12) ringförmig erzeugt wird.
Schichtbauverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer einzelnen Schicht (12) abwechselnd wenigstens ein ringförmiger erster Schichtbereich (14a) und wenigstens ein ringförmiger zweiter Schichtbereich (14b) erzeugt werden, die konzentrisch angeordnet werden.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Schichten (12) eine Anordnung des ersten Schichtbereichs (14a) und des zweiten Schichtbereichs (14b) zumindest bereichsweise verändert, insbesondere vertauscht, wird und/oder dass in wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Schichten (12) eine Anordnung des ersten Schichtbereichs (14a) und/oder des zweiten Schichtbereichs (14b) zumindest bereichsweise konstant gehalten wird.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Schichtbereich (14a, 14b) innerhalb einer einzelnen Schicht (12) mit unterschiedlichen Scanstrategien und/oder mit unterschiedlichen Hatchabständen und/oder mit unterschiedlichen Fokusdurchmessern des Energiestrahls und/oder mit unterschiedlichen Energieeinträgen pro Flächeneinheit und/oder mit unterschiedlichen Energieeinträgen pro Zeiteinheit hergestellt werden.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Belichtungsparametersatz derart eingestellt wird, dass ein Volumenenergieeintrag zwischen 95 J/mm³ und 115 J/mm³ bei einer Überlagerung der Schmelzbäder der Hatchbelichtung zwischen 50 % und 80 % erfolgt und/oder dass der zweite Belichtungsparametersatz derart eingestellt wird, dass ein Volumenenergieeintrag zwischen 50 J/mm³ und 70 J/mm³ bei einer Überlagerung der Schmelzbäder der Hatchbelichtung zwischen 10 % und 0 % erfolgt.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer einzelnen Schicht (12) wenigstens ein weiterer Verfestigungsschritt durchgeführt wird, bei welchem der Werkstoff durch selektives Bestrahlen des Werkstoffs gemäß einem weiteren Belichtungsparametersatz mit dem wenigstens einen Energiestrahl verfestigt wird, wodurch innerhalb der einzelnen Schicht (12) ein weiterer Schichtbereich mit einer weiteren Gefügestruktur gebildet wird.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Schichtbereich (14a) und/oder der zweite Schichtbereich (14b) über mehrere Schichten, insbesondere über alle Schichten erstreckt.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einer einzelnen Schicht (12) ein Flächenverhältnis von erstem Schichtbereich (14a) zu zweitem Schichtbereich (14b) zwischen 1:10 und 10:1 eingestellt wird.
Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils (10) durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend: - mindestens eine Pulverzuführung zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf eine Aufbau- und Fügezone einer bewegbaren Bauplattform; - mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls zum schichtweisen und lokalen Verfestigen des Werkstoffs durch selektives Bestrahlen des Werkstoffs gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie; und - eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist: - die Pulverzuführung so zu steuern, dass diese mindestens eine Pulverschicht des Werkstoffs auf die Aufbau- und Fügezone der Bauplattform aufträgt; und - die Bauplattform schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke abzusenken, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (30) dazu konfiguriert ist: - wenigstens einen ersten Verfestigungsschritt durchzuführen, bei welchem der Werkstoff durch selektives Bestrahlen gemäß einem ersten Belichtungsparametersatz mit wenigstens einem Energiestrahl verfestigt wird, wodurch innerhalb einer einzelnen Schicht (12) ein erster Schichtbereich (14a) mit einer ersten Gefügestruktur gebildet wird; und - wenigstens einen zweiten Verfestigungsschritt durchzuführen, bei welchem der Werkstoff durch selektives Bestrahlen gemäß einem zweiten Belichtungsparametersatz mit dem wenigstens einen Energiestrahl verfestigt wird, wodurch innerhalb der einzelnen Schicht (12) ein zweiter Schichtbereich (14b) mit einer zweiten Gefügestruktur gebildet wird.
Schichtbauvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese als selektive Lasersinter- und/oder -schmelzvorrichtung ausgebildet ist.
Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch eine Steuereinrichtung einer Schichtbauvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13 die Schichtbauvorrichtung veranlassen, das Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.
Bauteil (10), insbesondere für eine Strömungsmaschine, umfassend zumindest einen Bauteilbereich, der mittels einer Schichtbauvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13 und/oder mittels eines Schichtbauverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt ist und in wenigstens einer Schicht (12) einen ersten Schichtbereich (14a) mit einer ersten Gefügestruktur sowie einen zweiten Schichtbereich (14b) mit einer zweiten Gefügestruktur aufweist.