DE102019211549A1 - Method and layer construction device for the additive production of at least one component segment of a component as well as computer program product and storage medium - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilsegments (12) eines Bauteils (10), insbesondere für eine Strömungsmaschine, umfassend zumindest folgende Schritte:a) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht (20) eines Werkstoffs (22) auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone (60) mindestens einer bewegbaren Bauplattform (70);b) Bestrahlen der Pulverschicht (20) mittels eines Energiestrahls (80) zur zumindest teilweisen Verfestigung der Pulverschicht (20) unter Ausbildung des zumindest einen Bauteilsegments (12), wobei eine vorbestimmte Soll-Oberflächenrauheit (Ra_1) zumindest einer Segmentoberfläche (14) des zumindest einen Bauteilsegments (12) erzeugt wird, indem ein der Soll-Oberflächenrauheit (Ra_1) zugeordneter Relativwinkel (ζ) zwischen dem Energiestrahl (80) und einer, einer Auftreffstelle (16) des Energiestrahls (80) auf den Werkstoff (22) zugeordneten Flächennormalen (17) der Segmentoberfläche (14) eingestellt wird.Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine Schichtbauvorrichtung (50) zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilsegments (12) eines Bauteils (10), ein Computerprogrammprodukt, ein computerlesbares Speichermedium (110) sowie ein Bauteil (10).The invention relates to a method for the additive manufacture of at least one component segment (12) of a component (10), in particular for a turbo machine, comprising at least the following steps: a) applying at least one powder layer (20) of a material (22) to at least one structural and joining zone (60) of at least one movable construction platform (70); b) irradiating the powder layer (20) by means of an energy beam (80) for at least partial solidification of the powder layer (20) while forming the at least one component segment (12), a predetermined target -Surface roughness (Ra_1) of at least one segment surface (14) of the at least one component segment (12) is generated by a relative angle (ζ) assigned to the target surface roughness (Ra_1) between the energy beam (80) and an impact point (16) of the Energy beam (80) is set on the material (22) associated surface normal (17) of the segment surface (14). Further aspects of the Erf Indications relate to a layer construction device (50) for the additive manufacture of at least one component segment (12) of a component (10), a computer program product, a computer-readable storage medium (110) and a component (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilsegments eines Bauteils. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Computerprogrammprodukt, ein computerlesbares Speichermedium und ein Bauteil.The invention relates to a method and a layer construction device for the additive manufacture of at least one component segment of a component. Further aspects of the invention relate to a computer program product, a computer-readable storage medium and a component.

Bei einem derartigen Verfahren wird in der Regel ein pulverförmiger Werkstoff schichtweise abgelagert und selektiv mittels wenigstens eines Energiestrahls verfestigt, um ein gewünschtes Bauteilsegment additiv aufzubauen. Damit unterscheidet sich ein solches Verfahren, welches auch als additives bzw. generatives Herstellungsverfahren bezeichnet werden kann, von konventionellen abtragenden oder urformenden Herstellungsmethoden. Beispiele für das Verfahren zur additiven Herstellung sind generative Lasersinter- bzw. Laserschmelzverfahren, die beispielsweise zur Herstellung von Bauteilen für Strömungsmaschinen wie Flugtriebwerke verwendet werden können. Beim selektiven Laserschmelzen können 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 werden. Anschließend kann die Bauplattform abgesenkt, eine weitere Pulverschicht aufgebracht und erneut lokal verfestigt werden. Dieser Zyklus kann solange wiederholt werden, bis das fertige Bauteil bzw. das fertige Bauteilsegment erhalten wird. Das Bauteil bzw. Bauteilsegment kann anschließend bei Bedarf weiterbearbeitet oder ohne weitere Bearbeitungsschritte verwendet werden. Beim selektiven Lasersintern wird das Bauteil oder Bauteilsegment 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.In such a method, a powdery material is usually deposited in layers and selectively solidified by means of at least one energy beam in order to additively build up a desired component segment. Such a process, which can also be referred to as an additive or generative manufacturing process, thus differs from conventional abrasive or primary forming manufacturing methods. Examples of the process for additive manufacturing are generative laser sintering or laser melting processes, which can be used, for example, to manufacture components for turbomachines such as aircraft engines. With selective laser melting, thin powder layers of the material or materials used can be applied to a building platform and melted and solidified locally in the area of a build-up and joining zone with the aid of one or more laser beams. Then the construction platform can be lowered, another layer of powder applied and locally solidified again. This cycle can be repeated until the finished component or the finished component segment is obtained. The component or component segment can then be processed further if necessary or used without further processing steps. With selective laser sintering, the component or component segment is produced in a similar manner by laser-assisted sintering of powdery materials. The energy is supplied here, for example, by laser beams from a CO 2 laser, Nd: YAG laser, Yb fiber laser, diode laser or the like. Electron beam processes in which the material is selectively solidified by one or more electron beams are also known.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Schichtbauvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche zumindest ein Bauteilsegment eines Bauteils aufwandsarm mit zumindest lokal verbesserter Qualität hergestellt werden kann. Weitere Aufgabenerfindung bestehen darin, ein Computerprogrammprodukt und ein computerlesbares Speichermedium anzugeben, welche eine Steuerung einer solchen Schichtbauvorrichtung ermöglichen. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil mit wenigstens einem, eine verbesserte Qualität aufweisenden Bauteilsegment anzugeben.The object of the present invention is to create a method and a layered construction device of the type mentioned at the outset, by means of which at least one component segment of a component can be manufactured with little effort with at least locally improved quality. Another object of the invention is to provide a computer program product and a computer-readable storage medium which enable such a layer construction device to be controlled. Finally, it is the object of the invention to specify a component with at least one component segment having an improved quality.

Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Schichtbauvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8, durch ein Computerprogrammprodukt gemäß Patentanspruch 10, durch ein computerlesbares Speichermedium gemäß Patentanspruch 11 sowie durch ein Bauteil gemäß Patentanspruch 12 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.The objects are achieved according to the invention by a method with the features of claim 1, by a layer construction device with the features of claim 8, by a computer program product according to claim 10, by a computer-readable storage medium according to claim 11 and by a component according to claim 12. Advantageous refinements with expedient refinements of the invention are specified in the respective subclaims, wherein advantageous refinements of each aspect of the invention are to be regarded as advantageous refinements of the respective other aspects of the invention.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilsegments eines Bauteils, insbesondere für eine Strömungsmaschine, umfassend zumindest folgende Schritte:

  1. a) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer bewegbaren Bauplattform;
  2. b) Bestrahlen der Pulverschicht mittels eines Energiestrahls zur zumindest teilweisen Verfestigung der Pulverschicht unter Ausbildung des zumindest einen Bauteilsegments, wobei eine vorbestimmte Soll-Oberflächenrauheit zumindest einer Segmentoberfläche des zumindest einen Bauteilsegments erzeugt wird, indem ein der Soll-Oberflächenrauheit zugeordneter Relativwinkel zwischen dem Energiestrahl und einer, einer Auftreffstelle des Energiestrahls auf den Werkstoff zugeordneten Flächennormalen der Segmentoberfläche eingestellt wird.
A first aspect of the invention relates to a method for the additive production of at least one component segment of a component, in particular for a turbo machine, comprising at least the following steps:
  1. a) applying at least one powder layer of a material to at least one build-up and joining zone of at least one movable building platform;
  2. b) Irradiating the powder layer by means of an energy beam for at least partial solidification of the powder layer with formation of the at least one component segment, a predetermined target surface roughness of at least one segment surface of the at least one component segment being generated by a relative angle assigned to the target surface roughness between the energy beam and a , a point of impact of the energy beam on the surface normal assigned to the material of the segment surface is set.

Dies ist von Vorteil, da durch das Erzeugen der vorbestimmten Soll-Oberflächenrauheit zumindest an dem Bauteilsegment des Bauteils eine verbesserte Qualität beispielsweise gegenüber von dem Bauteilsegment verschiedenen Bauteilbereichen des Bauteils erzeugt werden kann. Der Relativwinkel zwischen dem Energiestrahl und der Flächennormalen der Segmentoberfläche an der Auftreffstelle stellt eine besonders aufwandsarm kontrollierbare und einstellbare Einstellgröße dar, wodurch das Verfahren beispielsweise mit einer hohen Reproduzierbarkeit der Soll-Oberflächenrauheit beispielsweise bei einer Massenproduktion des Bauteils eingesetzt werden kann.This is advantageous because by generating the predetermined target surface roughness, at least on the component segment of the component, an improved quality can be generated, for example compared to component areas of the component that are different from the component segment. The relative angle between the energy beam and the surface normal of the segment surface at the point of impact represents a setting variable that can be controlled and set with little effort, so that the method can be used, for example, with a high degree of reproducibility of the target surface roughness, for example in mass production of the component.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Soll-Oberflächenrauheit direkt proportional zum Relativwinkel zwischen dem Energiestrahl und der Flächennormalen verhält, wodurch einem bestimmten Rauheitswert der Soll-Oberflächenrauheit ein bestimmter Winkelwert bzw. Winkelbetrag des Relativwinkels zugeordnet sein kann. Diese Erkenntnis ermöglicht es, die Soll-Oberflächenrauheit in Abhängigkeit von dem Relativwinkel gezielt zu erzeugen. Somit ist nicht nur eine Oberflächenrauheits-Prognose bei bekanntem Relativwinkel ermöglicht, sondern die Soll-Oberflächenrauheit kann auch ohne aufwändige Regelung einer Bestrahlungsdauer und zusätzlich oder alternativ einer Strahlungsintensität des Energiestrahls vorbestimmt erzeugt werden. Das Verfahren ermöglicht insbesondere die gezielte Erzeugung der Soll-Oberflächenrauheit ohne hierzu die Bestrahlungsdauer und zusätzlich oder alternativ die Strahlungsintensität des Energiestrahls zu variieren. Die vorbestimmte Soll-Oberflächenrauheit kann also mit anderen Worten in Abhängigkeit von der Einstellung des Relativwinkels unter Verzicht auf eine Änderung der Strahlungsintensität und/oder der Bestrahlungsdauer des Energiestrahls erzeugt werden.The invention is based on the knowledge that the nominal surface roughness is directly proportional to the relative angle between the energy beam and the surface normal, whereby a specific angular value or angular amount of the relative angle can be assigned to a specific roughness value of the nominal surface roughness. This This knowledge enables the target surface roughness to be generated in a targeted manner as a function of the relative angle. Thus, not only is a surface roughness prognosis possible with a known relative angle, but the target surface roughness can also be generated in a predetermined manner without complex regulation of an irradiation duration and additionally or alternatively a radiation intensity of the energy beam. In particular, the method enables the targeted generation of the target surface roughness without varying the duration of the irradiation and additionally or alternatively the radiation intensity of the energy beam. In other words, the predetermined target surface roughness can be generated as a function of the setting of the relative angle without changing the radiation intensity and / or the irradiation time of the energy beam.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in Schritt b) eine translatorische und/oder rotatorische Relativbewegung zwischen dem Energiestrahl und der wenigstens einen Bauplattform durchgeführt, um den Energiestrahl auf eine von der Auftreffstelle verschiedene, zweite Auftreffstelle zu richten, wobei eine von der vorbestimmten Soll-Oberflächenrauheit verschiedene, zweite vorbestimmte Soll-Oberflächenrauheit zumindest der Segmentoberfläche erzeugt wird, indem ein, der zweiten Oberflächenrauheit zugeordneter, zweiter Relativwinkel zwischen dem Energiestrahl und einer, der zweiten Auftreffstelle des Energiestrahls auf den Werkstoff zugeordneten zweiten Flächennormalen der Segmentoberfläche eingestellt wird. Dies ist von Vorteil, da hierdurch gezielt die von der Soll-Oberflächenrauheit verschiedene, zweite Soll-Oberflächenrauheit an der zweiten Auftreffstelle des Energiestrahls eingestellt werden kann. Mit der Soll-Oberflächenrauheit und der zweiten Soll-Oberflächenrauheit können zumindest zwei voneinander verschiedene Oberflächenbeschaffenheiten mit entsprechend verschiedenen Rauheitswerten an der Segmentoberfläche erzeugt werden. Dies ermöglicht eine besonders bedarfsgerechte Erzeugung verschiedener Flächenbereiche mit unterschiedlicher Oberflächenqualität. In an advantageous development of the invention, in step b) a translational and / or rotational relative movement is carried out between the energy beam and the at least one construction platform in order to direct the energy beam onto a second point of impact different from the point of impact, one of the predetermined target Surface roughness different, second predetermined target surface roughness at least of the segment surface is generated by setting a second relative angle, assigned to the second surface roughness, between the energy beam and a second surface normal of the segment surface assigned to the second point of impact of the energy beam on the material. This is advantageous because it enables the second target surface roughness, which differs from the target surface roughness, to be set in a targeted manner at the second point of impact of the energy beam. With the nominal surface roughness and the second nominal surface roughness, at least two mutually different surface textures with correspondingly different roughness values can be generated on the segment surface. This enables different surface areas with different surface quality to be generated in a particularly needs-based manner.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgen die weiteren Schritte: c) schichtweises Absenken der mindestens einen Bauplattform und d) Wiederholen der Schritte a) bis c). Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise ein sukzessives, schichtweises Aufbauen des Bauteilsegments bzw. des Bauteils, wobei die Soll-Oberflächenrauheit bereits während des Aufbauens und ohne aufwändige Nachbearbeitung des Bauteilsegments bzw. des Bauteils erzeugt werden kann. Dadurch kann eine Zeitersparnis beim Herstellen des Bauteils erzielt werden.In a further advantageous development of the invention, the further steps take place: c) lowering the at least one building platform layer by layer and d) repeating steps a) to c). This advantageously enables a successive, layered build-up of the component segment or the component, the target surface roughness being able to be generated already during the build-up and without complex post-processing of the component segment or the component. As a result, time can be saved when manufacturing the component.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als der Energiestrahl ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl herangezogen. Dadurch kann das Bauteilsegment oder das komplette Bauteil hergestellt werden, wobei deren mechanische Eigenschaften zumindest im Wesentlichen denen des Werkstoffs entsprechen können.In a further advantageous development of the invention, a laser beam or an electron beam is used as the energy beam. As a result, the component segment or the complete component can be produced, whereby their mechanical properties can at least essentially correspond to those of the material.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Relativwinkel eingestellt, indem eine den Energiestrahl emittierende Strahlungsquelle translatorisch und/oder rotatorisch relativ zu der mindestens einen Bauplattform bewegt wird. Dies ist von Vorteil, da hierdurch auf eine aufwändige Optik zur Umlenkung des Energiestrahls verzichtet werden kann und stattdessen eine Ausrichtung des Energiestrahls unmittelbar und exakt eingestellt werden kann, um dadurch den Relativwinkel einzustellen. Die Strahlungsquelle kann beispielsweise ein CO2-Laser, Nd:YAG-Laser, Yb-Faserlaser, Diodenlaser oder dergleichen sein.In a further advantageous development of the invention, the relative angle is set in that a radiation source emitting the energy beam is moved translationally and / or rotationally relative to the at least one building platform. This is advantageous because it makes it possible to dispense with complex optics for deflecting the energy beam and instead an alignment of the energy beam can be set directly and precisely in order to thereby set the relative angle. The radiation source can for example be a CO 2 laser, Nd: YAG laser, Yb fiber laser, diode laser or the like.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Relativwinkel eingestellt, indem die mindestens eine Bauplattform translatorisch und/oder rotatorisch relativ zu dem Energiestrahl bewegt wird. Dies ist von Vorteil, da hierdurch eine erhöhte Flexibilität bei der Einstellung des Relativwinkels gegeben ist. Die Bauplattform kann beispielsweise geneigt werden, um den Relativwinkel einzustellen. Durch Neigen der Bauplattform kann eine Einstellung eines Neigungswinkels des Bauteils relativ zum Energiestrahl und zusätzlich oder alternativ relativ zu einer den Energiestrahl emittierenden Strahlungsquelle erfolgen.In a further advantageous development of the invention, the relative angle is set in that the at least one building platform is moved translationally and / or rotationally relative to the energy beam. This is advantageous because it gives increased flexibility when setting the relative angle. The building platform can be inclined, for example, in order to set the relative angle. By tilting the construction platform, an angle of inclination of the component can be set relative to the energy beam and, additionally or alternatively, relative to a radiation source emitting the energy beam.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Minimal-Rauheitswert der Soll-Oberflächenrauheit durch Minimieren des Relativwinkels erzeugt. Dies ist von Vorteil, da die Segmentoberfläche somit umso glatter ausgebildet werden kann, je kleiner der Relativwinkel zwischen dem Energiestrahl und der Flächennormalen eingestellt wird. Zudem kann die Soll-Oberflächenrauheit umso größer werden, je größer der Relativwinkel eingestellt wird.In a further advantageous development of the invention, a minimum roughness value of the target surface roughness is generated by minimizing the relative angle. This is advantageous because the segment surface can thus be made smoother the smaller the relative angle between the energy beam and the surface normal is set. In addition, the target surface roughness can become greater the greater the relative angle is set.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilsegments eines Bauteils, insbesondere für eine Strömungsmaschine, umfassend:

  • - mindestens eine bewegbare Bauplattform, welche eine Aufbau- und Fügezone aufweist, welche zum Halten mindestens einer, auf die Aufbau- und Fügezone auftragbaren Pulverschicht eines Werkstoffs ausgebildet ist;
  • - mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls zum zumindest teilweisen Verfestigen der Pulverschicht unter Ausbildung des zumindest einen Bauteilsegments;
  • -mindestens eine Bewegungsvorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, den Energiestrahl und/oder die Bauplattform zu bewegen; und
  • - mindestens eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die Bewegungsvorrichtung zum Bewegen des Energiestrahls und/oder der Bauplattform zu steuern,
A second aspect of the invention relates to a layer construction device for the additive production of at least one component segment of a component, in particular for a turbo machine, comprising:
  • - At least one movable construction platform which has a build-up and joining zone which is designed to hold at least one powder layer of a material that can be applied to the build-up and joining zone;
  • - At least one radiation source for generating at least one energy beam for at least partially solidifying the powder layer while forming the at least one component segment;
  • - at least one movement device which is set up to move the energy beam and / or the construction platform; and
  • - At least one control device which is designed to control the movement device for moving the energy beam and / or the construction platform,

Gemäß der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu konfiguriert, die Bewegungsvorrichtung derart zu steuern, dass ein Relativwinkel zwischen dem Energiestrahl und einer, einer Auftreffstelle des Energiestrahls auf den Werkstoff zugeordneten Flächennormalen einer Segmentoberfläche des Bauteilsegments eingestellt wird, um eine vorbestimmte Soll-Oberflächenrauheit der zumindest einen Segmentoberfläche des zumindest einen Bauteilsegments zu erzeugen, wobei der Relativwinkel der Soll-Oberflächenrauheit zugeordnet ist. Die Schichtbauvorrichtung kann insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung eingerichtet sein.According to the invention, the control device is configured to control the movement device in such a way that a relative angle between the energy beam and a surface normal of a segment surface of the component segment associated with a point of impact of the energy beam on the material is set to a predetermined target surface roughness of the at least one segment surface to generate the at least one component segment, the relative angle being assigned to the nominal surface roughness. The layer construction device can in particular be set up to carry out a method according to the first aspect of the invention.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Schichtbauvorrichtung als selektive Lasersinter- und/oder -schmelzvorrichtung ausgebildet. Hierdurch können Bauteilsegmente und komplette Bauteile hergestellt werden, deren mechanischen Eigenschaften zumindest im Wesentlichen denen des Werkstoffs entsprechen. Zur Erzeugung eines Laserstrahls können beispielsweise CO2-Laser, Nd:YAG-Laser, Yb-Faserlaser, Diodenlaser oder dergleichen als Strahlenquelle vorgesehen sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Elektronen- und/oder Laserstrahlen verwendet werden, deren Belichtungs- bzw. Verfestigungsparameter variiert werden können.In an advantageous development of the invention, the layer construction device is designed as a selective laser sintering and / or melting device. As a result, component segments and complete components can be produced whose mechanical properties at least essentially correspond to those of the material. For example, CO2 lasers, Nd: YAG lasers, Yb fiber lasers, diode lasers or the like can be provided as the radiation source to generate a laser beam. It can also be provided that two or more electron and / or laser beams are used, the exposure or solidification parameters of which can be varied.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch eine Steuereinrichtung einer Schichtbauvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung die Schichtbauvorrichtung veranlassen, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auszuführen. Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch eine Steuereinrichtung einer Schichtbauvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung die Schichtbauvorrichtung veranlassen, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auszuführen.A third aspect of the invention relates to a computer program product, comprising instructions which, when the computer program product is executed by a control device of a layer construction device according to the second aspect of the invention, cause the layer construction device to carry out the method according to the first aspect of the invention. A fourth aspect of the invention relates to a computer-readable storage medium comprising instructions which, when executed by a control device of a layer construction device according to the second aspect of the invention, cause the layer construction device to carry out the method according to the first aspect of the invention.

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 Computerprogrammprodukt 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).The present invention may be implemented using a computer program product comprising program modules accessible from a computer usable or computer readable medium and storing program code used by or in connection with one or more computers, processors, or instruction execution systems of a layering device. For purposes of this description, a computer usable or computer readable medium can be any device that can contain, store, communicate, distribute, or transport the computer program product for use by or in connection with the instruction execution system, device, or device. The medium can be an electronic, magnetic, optical, electromagnetic, infrared or semiconductor system or a propagation medium per se, since signal carriers are not included in the definition of the physical, computer-readable medium. These include semiconductor or solid-state memory, magnetic tape, removable computer diskette, random access memory (RAM), read-only memory (ROM), rigid magnetic disk, and an optical disk such as read-only memory (CD-ROM, DVD , Blue-Ray etc.), or a writable optical disc (CD-R, DVD-R). Processors as well as program code for implementing the various aspects of the invention can be centralized or distributed (or a combination thereof).

Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere für eine Strömungsmaschine, umfassend zumindest ein Bauteilsegment, welches mittels einer Schichtbauvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und/oder mittels eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellt ist. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.A fifth aspect of the invention relates to a component, in particular for a turbomachine, comprising at least one component segment which is produced by means of a layer construction device according to the second aspect of the invention and / or by means of a method according to the first aspect of the invention. The features resulting therefrom and their advantages can be found in the descriptions of the first and second aspects of the invention, with advantageous configurations of each aspect of the invention being regarded as advantageous configurations of the other aspects of the invention.

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 Perspektivansicht einer Schichtbauvorrichtung, mittels welcher ein Bauteil durch ein Verfahren zur additiven Herstellung hergestellt wird, wobei ein Energiestrahl auf eine Auftreffstelle auftrifft;
  • 2 eine schematische Seitenansicht der Schichtbauvorrichtung, wobei der Energiestrahl parallel zu einer x-z-Ebene auf die Auftreffstelle auftrifft; und
  • 3 eine weitere schematische Seitenansicht der Schichtbauvorrichtung, wobei der Energiestrahl in parallel zu der x-z-Ebene auf eine zweite Auftreffstelle auftrifft.
Further features of the invention emerge from the claims, the figures and the description of the figures. The features and combinations of features mentioned above in the description, as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures, can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations, without falling within the scope of the invention leave. There are thus also embodiments of the invention to be considered as encompassed and disclosed, which are not explicitly shown and explained in the figures, but emerge from the explained embodiments and can be generated by separate combinations of features. Designs and combinations of features are also to be regarded as disclosed, which therefore do not have all the features of an originally formulated independent claim. In addition, designs and combinations of features, in particular through the statements set out above, are to be regarded as disclosed that go beyond the in The combinations of features set out in the claims go beyond or differ from these. It shows:
  • 1 a schematic perspective view of a layer construction device by means of which a component is manufactured by an additive manufacturing method, an energy beam impinging on an impact point;
  • 2 a schematic side view of the layer construction device, the energy beam impinging on the point of impact parallel to an xz plane; and
  • 3 a further schematic side view of the layer construction device, the energy beam impinging on a second point of impact in parallel to the xz plane.

1, 2 und 3 zeigen jeweils in schematischer Darstellung eine Schichtbauvorrichtung 50 zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilsegments 12 eines Bauteils 10. Das Bauteil 10 kann für eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Strahltriebwerk, verwendet werden. Die Schichtbauvorrichtung 50 ist vorliegend als selektive Lasersinter- und/oder - schmelzvorrichtung ausgebildet. 1 , 2 and 3 each show a schematic representation of a layer construction device 50 for the additive manufacturing of at least one component segment 12 of a component 10 . The component 10 can be used for a turbomachine, in particular a jet engine. The layer building device 50 is presently designed as a selective laser sintering and / or melting device.

In 1, 2 und 3 sind jeweils auf das Bauteil 10 bezogene Koordinatensysteme angegeben, welche durch eine Achse x, durch eine Achse y sowie durch eine Achse z des Bauteils 10 definiert sind.In 1 , 2 and 3 are each on the component 10 related coordinate systems indicated by an axis x , through an axis y as well as through an axis z of the component 10 are defined.

Die Schichtbauvorrichtung 50 umfasst eine bewegbare Bauplattform 70, welche eine Aufbau-und Fügezone 60 aufweist. Die Aufbau-und Fügezone 60 ist zum Halten einer, auf die Aufbau-und Fügezone 60 aufgetragenen Pulverschicht 20 eines Werkstoffs 22 ausgebildet.The layer building device 50 includes a moveable build platform 70 , which is a build-up and joining zone 60 having. The build-up and joining zone 60 is for holding one, on the build-up and joining zone 60 applied powder layer 20th of a material 22nd educated.

Als der pulverförmige Werkstoff 22 kann beispielsweise eine Nickelbasis Legierung mit dem Kurznamen NiCr19NbMo verwendet werden, welche die folgende Zusammensetzung aufweisen kann:

  • Cr: 19 Ma%, Fe: 18 Ma%, Mo: 3 Ma%, Al: 0,5 Ma%, Nb+Ta: 5,1 Ma%, Ti: 0,95 Ma%, C: 0,05 Ma%, Ni: Rest. Einzelne, aus diesem Werkstoff 22 gebildete Partikel können eine sphärische Grundform und einen Durchmesser zwischen 15 µm und 45 µm aufweisen.
As the powdery material 22nd For example, a nickel-based alloy with the short name NiCr19NbMo can be used, which can have the following composition:
  • Cr: 19% by mass, Fe: 18% by mass, Mo: 3% by mass, Al: 0.5% by mass, Nb + Ta: 5.1% by mass, Ti: 0.95% by mass, C: 0.05% by mass %, Ni: remainder. Individual, made of this material 22nd Particles formed can have a spherical basic shape and a diameter between 15 μm and 45 μm.

Die Schichtbauvorrichtung 50 umfasst zudem eine Strahlungsquelle SQ zum Erzeugen eines Energiestrahls 80 zum zumindest teilweisen Verfestigen der Pulverschicht 20 unter Ausbildung des Bauteilsegments 12. Als der Energiestrahl 80 wird ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl herangezogen, welcher mittels der Strahlungsquelle SQ emittiert wird.The layer building device 50 also includes a radiation source SQ to generate an energy beam 80 for at least partially solidifying the powder layer 20th with formation of the component segment 12 . As the energy beam 80 a laser beam or an electron beam is used, which by means of the radiation source SQ is emitted.

Des Weiteren umfasst die Schichtbauvorrichtung 50 eine Bewegungsvorrichtung 90, welche dazu eingerichtet ist, den Energiestrahl 80 und die Bauplattform 70 zu bewegen. Die Bewegungsvorrichtung 90 kann beispielsweise eine Mehrzahl an Aktuatoren umfassen, anhand welcher eine jeweilige Relativbewegung RB der Strahlungsquelle SQ und der Bauplattform 70 bewirkt werden kann.The layer building device also includes 50 a movement device 90 , which is set up to do this, the energy beam 80 and the build platform 70 to move. The movement device 90 can for example comprise a plurality of actuators, on the basis of which a respective relative movement RB the radiation source SQ and the build platform 70 can be effected.

Zudem umfasst die Schichtbauvorrichtung 50 eine Steuereinrichtung 100, welche dazu ausgebildet ist, die Bewegungsvorrichtung 90 zum Bewegen des Energiestrahls 80 und der Bauplattform 70 zu steuern.In addition, the layer construction device includes 50 a control device 100 , which is designed to be the movement device 90 to move the energy beam 80 and the build platform 70 to control.

Die Steuereinrichtung 100 ist dazu konfiguriert, die Bewegungsvorrichtung 90 derart zu steuern, dass ein Relativwinkel ζ zwischen dem Energiestrahl 80 und einer, einer Auftreffstelle 16 des Energiestrahls 80 auf den Werkstoff 22 zugeordneten Flächennormalen 17 einer Segmentoberfläche 14 des Bauteilsegments 12 eingestellt wird, um eine vorbestimmte Soll-Oberflächenrauheit Ra_1 der zumindest einen Segmentoberfläche 14 des zumindest einen Bauteilsegments 12 zu erzeugen, wobei der Relativwinkel ζ der Soll-Oberflächenrauheit Ra_1 zugeordnet ist.The control device 100 is configured to use the movement device 90 to control such that a relative angle ζ between the energy beam 80 and one, a point of impact 16 of the energy beam 80 on the material 22nd assigned surface normals 17th a segment surface 14th of the component segment 12 is set to a predetermined target surface roughness Ra_1 the at least one segment surface 14th of the at least one component segment 12 to generate, where the relative angle ζ the target surface roughness Ra_1 assigned.

Die Steuereinrichtung 100 kann ein Modell des Bauteils 10 umfassen. Das Modell des Bauteils 10 kann das Bauteil 10 charakterisierende Geometriedaten umfassen. Die Steuereinrichtung 100 kann nun dazu eingerichtet sein, während der Herstellung des Bauteilsegments 12 bzw. des Bauteils 10 den Relativwinkel ζ zwischen dem Energiestrahl 80 und der Flächennormalen 17 anhand der Bewegungsvorrichtung 90 derart durch die Relativbewegung RB der Strahlungsquelle SQ und zusätzlich oder alternativ der Bauplattform 70 einzustellen, dass der Relativwinkel ζ während der additiven Herstellung des Bauteilsegments 12 bzw. des Bauteils 10 in Abhängigkeit von einer sich ändernden Orientierung der Flächennormalen 17 kleinstmöglich gehalten wird. Dadurch kann die Soll-Oberflächenrauheit Ra_1 ebenfalls einen kleinstmöglichen Betrag aufweisen. Sofern beispielsweise die Flächennormalen 17 in ein, aus dem Werkstoff 22 gebildetes Pulverbett 24 ragt, so kann die Strahlungsquelle SQ und zusätzlich oder alternativ die Bauplattform 70 anhand der Bewegungsvorrichtung 90 derart entsprechend der Relativbewegung RB bewegt, insbesondere verschwenkt, werden, dass der Energiestrahl 80, bei welchem es sich vorliegend um einen Laserstrahl handelt, nahezu parallel zu einer, durch die Achse y und die Achse y aufgespannten x-y-Ebene auf die Auftreffstelle 16 auftrifft. Der Energiestrahl 80 kann dann mit der x-y-Ebene beispielsweise einen Winkel von weniger als 10°, bevorzugt 5° einschließen und dadurch nahezu parallel zur x-y-Ebene orientiert sein. Mit anderen Worten kann also ein Minimal-Rauheitswert der Soll-Oberflächenrauheit Ra_1 durch Minimieren des Relativwinkels ζ erzeugt werden.The control device 100 can be a model of the component 10 include. The model of the part 10 can the component 10 include characterizing geometry data. The control device 100 can now be set up during the production of the component segment 12 or the component 10 the relative angle ζ between the energy beam 80 and the surface normal 17th using the movement device 90 such by the relative movement RB the radiation source SQ and additionally or alternatively the building platform 70 adjust that the relative angle ζ during the additive manufacturing of the component segment 12 or the component 10 depending on a changing orientation of the surface normals 17th is kept as small as possible. This allows the target surface roughness Ra_1 also have the smallest possible amount. If, for example, the surface normals 17th in, out of the material 22nd formed powder bed 24 protrudes, so can the radiation source SQ and additionally or alternatively the building platform 70 using the movement device 90 such according to the relative movement RB moved, in particular pivoted, that the energy beam 80 , which in the present case is a laser beam, almost parallel to one, through the axis y and the axis y spanned xy plane on the point of impact 16 hits. The energy beam 80 can then, for example, enclose an angle of less than 10 °, preferably 5 °, with the xy plane and thus be oriented almost parallel to the xy plane. In other words, a minimum roughness value of the target Surface roughness Ra_1 by minimizing the relative angle ζ be generated.

In die Steuereinrichtung 100 ist vorliegend ein computerlesbares Speichermedium 110 integriert, welches ein Computerprogrammprodukt mit Befehlen zum entsprechenden Ansteuern der Schichtbauvorrichtung 50 umfasst.In the control device 100 is in the present case a computer-readable storage medium 110 integrated, which is a computer program product with commands for the corresponding control of the layer construction device 50 includes.

Zusammenfassend kann der Relativwinkel ζ eingestellt werden, indem die den Energiestrahl 80 emittierende Strahlungsquelle SQ relativ zu der Bauplattform 70 bewegt, insbesondere verschwenkt, wird. Zusätzlich oder alternativ kann der Relativwinkel ζ eingestellt werden, indem die Bauplattform 70 relativ zu dem Energiestrahl 80 bewegt, insbesondere verschwenkt, wird.In summary, the relative angle ζ be adjusted by showing the energy beam 80 emitting radiation source SQ relative to the build platform 70 moved, in particular pivoted, is. Additionally or alternatively, the relative angle ζ can be adjusted by the build platform 70 relative to the energy beam 80 moved, in particular pivoted, is.

Um zumindest das Bauteilsegment 12 des Bauteils 10 additiv herzustellen erfolgt in einem Schritt a) zunächst ein Auftragen der mindestens einen Pulverschicht 20 des Werkstoffs 22 auf die Aufbau- und Fügezone 60 der mittels der Bewegungsvorrichtung 90 bewegbaren, insbesondere schwenkbaren, Bauplattform 70. Anschließend erfolgt, wie in 2 exemplarisch gezeigt ist, in einem Schritt b) ein Bestrahlen der Pulverschicht 20 mittels des Energiestrahls 80 zur teilweisen Verfestigung der Pulverschicht 20 unter Ausbildung des Bauteilsegments 12, wobei die vorbestimmte Soll-Oberflächenrauheit Ra_1 der Segmentoberfläche 14 des Bauteilsegments 12 erzeugt wird, indem der der Soll-Oberflächenrauheit Ra_1 zugeordnete Relativwinkel ζ zwischen dem Energiestrahl 80 und der, der Auftreffstelle 16 des Energiestrahls 80 auf den Werkstoff 22 zugeordneten Flächennormalen 17 der Segmentoberfläche 14 eingestellt wird. Darüber hinaus wird in Schritt b) die Relativbewegung RB zwischen dem Energiestrahl 80 und der Bauplattform 70 durchgeführt, um den Energiestrahl 80 auf eine von der Auftreffstelle 16 verschiedene, zweite Auftreffstelle 18 zu richten, wie exemplarisch in 3 gezeigt ist. Dabei wird eine von der vorbestimmten Soll-Oberflächenrauheit Ra_1 verschiedene, zweite vorbestimmte Soll-Oberflächenrauheit Ra_2 der Segmentoberfläche 14 erzeugt, indem ein, der zweiten Oberflächenrauheit Ra_2 zugeordneter, zweiter Relativwinkel ζ_2 zwischen dem Energiestrahl 80 und einer, der zweiten Auftreffstelle 18 des Energiestrahls 80 auf den Werkstoff 22 zugeordneten zweiten Flächennormalen 19 der Segmentoberfläche 14 eingestellt wird. In einem weiteren Schritt c) erfolgt ein schichtweises Absenken der Bauplattform 70. Anschließend erfolgt in einem weiteren Schritt d) ein Wiederholen der Schritte a) bis c) bis das Bauteil 10 vollständig additiv hergestellt ist.To at least the component segment 12 of the component 10 To be manufactured additively, the at least one powder layer is first applied in a step a) 20th of the material 22nd on the build-up and joining zone 60 by means of the movement device 90 movable, in particular pivotable, building platform 70 . Then, as in 2 is shown by way of example, irradiation of the powder layer in a step b) 20th by means of the energy beam 80 for partial solidification of the powder layer 20th with formation of the component segment 12 , wherein the predetermined target surface roughness Ra_1 the segment surface 14th of the component segment 12 is generated by that of the target surface roughness Ra_1 assigned relative angle ζ between the energy beam 80 and the one, the point of impact 16 of the energy beam 80 on the material 22nd assigned surface normals 17th the segment surface 14th is set. In addition, in step b) the relative movement RB between the energy beam 80 and the build platform 70 performed to the energy beam 80 on one of the point of impact 16 different, second point of impact 18th as exemplified in 3 is shown. Thereby, one of the predetermined target surface roughness becomes Ra_1 different, second predetermined target surface roughness Ra_2 the segment surface 14th generated by one, the second surface roughness Ra_2 assigned, second relative angle ζ_2 between the energy beam 80 and one, the second impact point 18th of the energy beam 80 on the material 22nd associated second surface normals 19th the segment surface 14th is set. In a further step c), the building platform is lowered in layers 70 . Then, in a further step d), steps a) to c) are repeated until the component 10 is manufactured entirely additively.

Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Relativwinkel ζ der Gleichung (1) ζ = arccos [ sin ( α ) sin ( ε ) + cos ( α ) cos ( ε ) cos ( ξ χ ) ]

Figure DE102019211549A1_0001
genügt, in welcher
α Aufbauwinkel, welcher einem Polarwinkel der Flächennormalen 17 entsprechen kann,
ε Einstrahlwinkel, welcher einem Polarwinkel des Energiestrahls 80 entsprechen kann,
ξ Azimuthalwinkel der Flächennormalen 17
X Azimuthalwinkel des Energiestrahls 80
bedeuten. Die Winkel α, ε, ξ, X stellen besonders genau einstellbare Größen dar, sodass anhand dieser Größen auch eine besonders genaue Einstellung des Relativwinkels ζ erfolgen kann. Die Gleichung (1) gilt auch für den in 3 gezeigten Relativwinkel ζ_2, sodass mit Bezug auf 3 die Gleichung (1) auch folgendermaßen ausgedrückt werden kann: ζ_2 = arccos [ sin ( α ) sin ( ε ) + cos ( α ) cos ( ε ) cos ( ξ χ ) ]
Figure DE102019211549A1_0002
It has been shown to be particularly advantageous if the relative angle ζ of equation (1) ζ = arccos [ sin ( α ) sin ( ε ) + cos ( α ) cos ( ε ) cos ( ξ - χ ) ]
Figure DE102019211549A1_0001
suffices in which
α construction angle, which is a polar angle of the surface normal 17th can correspond
ε Angle of incidence, which is a polar angle of the energy beam 80 can correspond
ξ Azimuthal angle of the surface normal 17th
X Azimuthal angle of the energy beam 80
mean. The angles α , ε , ξ , X represent variables that can be set particularly precisely, so that a particularly precise setting of the relative angle is also possible using these variables ζ can be done. Equation (1) also applies to the in 3 shown relative angle ζ_2 so with reference to 3 Equation (1) can also be expressed as follows: ζ_2 = arccos [ sin ( α ) sin ( ε ) + cos ( α ) cos ( ε ) cos ( ξ - χ ) ]
Figure DE102019211549A1_0002

Durch die Verwendung der beiden Azimuthalwinkel ξ, X für die Darstellung des Einstrahlwinkels ε des Energiestrahl 80 und der Flächennormalen 17, welche auch als Oberflächennormale bezeichnet werden kann, in Kugelkoordinaten kann eine relative Verkippung zwischen dem Bauteil 10 und der Strahlungsquelle SQ in der Gleichung (1) berücksichtigt werden.By using the two azimuthal angles ξ , X for displaying the angle of incidence ε of the energy beam 80 and the surface normal 17th , which can also be referred to as surface normal, in spherical coordinates a relative tilt between the component 10 and the radiation source SQ can be taken into account in equation (1).

Der Term cos (ξ - X) nimmt den Wert „1“ an, wenn der Ausdruck (ξ - X) dem Wert „0“ entspricht, also beispielsweise die Winkel ξ und X jeweils 0° betragen. Dies ist in 2 und 3 gezeigt. In diesem Fall kann der Relativwinkel ζ durch eine Gleichung (2) ζ = | ( α ε ) |

Figure DE102019211549A1_0003
beschrieben werden.The term cos ( ξ - X) takes on the value “1” if the expression (ξ - X) corresponds to the value “0”, for example the angles ξ and X each be 0 °. This is in 2 and 3 shown. In this case, the relative angle ζ by an equation (2) ζ = | ( α - ε ) |
Figure DE102019211549A1_0003
to be discribed.

Die Gleichung (2) stellt eine zweidimensionaler Betrachtung dar, und ist unter der Voraussetzung gültig, dass der Einstrahlwinkel ε des Energiestrahls 80 und die Flächennormalen 17 (Oberflächennormale) in der x-y-Ebene und damit parallel zur Achse z liegen. In diesem Fall ist der Term mit den beiden Azimuthalwinkeln ξ, X „cos (ξ - X)“ gleich „1“, da die Differenz der beiden Azimuthalwinkel ξ, X den Wert „0“ ergibt oder beide Azimuthalwinkel ξ, X den Wert „0“ aufweisen. Dadurch kann die Gleichung (1) auf die Gleichung (2) vereinfacht werden. Gleichung (2) kann in diesem Fall einen Sonderfall von Gleichung (1) darstellen.Equation (2) represents a two-dimensional view, and is valid provided that the angle of incidence ε of the energy beam 80 and the surface normals 17th (Surface normal) in the xy plane and thus parallel to the axis z lie. In this case the term is with the two azimuthal angles ξ , X "Cos ( ξ - X) ”equals“ 1 ”, since the difference between the two azimuthal angles ξ , X results in the value "0" or both azimuthal angles ξ , X have the value "0". Thereby, the equation (1) can be simplified to the equation (2). In this case, equation (2) can represent a special case of equation (1).

Durch den formeltechnischen Zusammenhang über die Gleichung (1) bei dreidimensionaler Betrachtung, bzw. Gleichung (2) bei zweidimensionaler Betrachtung kann je nach Bauraumposition und Geometrie des Bauteils 10 dessen Soll-Oberflächenrauheit Ra_1, Ra_2 vorherbestimmt und gegebenenfalls bedarfsgerecht reduziert werden. Die Möglichkeit einer Reduzierung der Soll-Oberflächenrauheit Ra_1, Ra 2 ist hierbei um ein Vielfaches höher als durch Veränderung von den Energiestrahl 80 betreffenden Belichtungsparametern.Due to the formula-related relationship via equation (1) for a three-dimensional view or equation (2) for a two-dimensional view, depending on the installation space position and Geometry of the component 10 its target surface roughness Ra_1 , Ra_2 predetermined and, if necessary, reduced as required. The possibility of reducing the target surface roughness Ra_1 , Ra 2 is here many times higher than by changing the energy beam 80 relevant exposure parameters.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die jeweilige Soll-Oberflächenrauheit Ra_1, Ra 2 direkt proportional zum Relativwinkel ζ verhält. Bei Verwendung des jeweiligen formeltechnischen Zusammenhangs nach Gleichung (1) oder (2) kann die Soll-Oberflächenrauheit Ra_1, Ra_2 je nach Bauraumposition und Geometrie des Bauteils 10 vorhergesagt und gegebenenfalls minimiert oder zumindest reduziert werden.The invention is based on the knowledge that the respective target surface roughness Ra_1 , Ra 2 directly proportional to the relative angle ζ behaves. When using the respective formula-related relationship according to equation (1) or (2), the target surface roughness Ra_1 , Ra_2 depending on the installation space position and geometry of the component 10 can be predicted and, if necessary, minimized or at least reduced.

Beispielsweise kann ein Ra-Wert von 5 µm für die Soll-Oberflächenrauheit Ra_1, Ra_2 erreicht werden, wenn der Relativwinkel ζ einen Wert von 0° aufweist. Bei einem Anstieg des Relativwinkels ζ je 1° kann ein Rauheitsanstieg der jeweiligen Soll-Oberflächenrauheit Ra_1, Ra_2 um 0,65 µm erzielt werden. Bei einem Wert des Relativwinkels ζ von 45° kann der zugehörige Ra-Wert etwa 35 µm entsprechen. Im Gegensatz zu einer Rauheitsreduzierung durch Anpassung von den Energiestrahl 80 betreffenden Parametern (Belichtungsparameter), wodurch beispielsweise eine Belichtungsstrategie geändert werden kann und wodurch die Rauheitsreduzierung einen Maximalwert von 10 µm gestattet, können also durch die Einstellung des Relativwinkels ζ deutlich glattere Oberflächen, wie beispielsweise die Segmentoberfläche 14, gebildet werden. Um eine Nutzung des Relativwinkels ζ und infolgedessen eine Rauheitsreduzierung beispielsweise an der Segmentoberfläche 14 zu erreichen, bestehen verschiedene Möglichkeiten:

  • Von besonderem Vorteil ist eine Anpassung eines Neigungswinkels des Bauteils 10, beispielsweise durch die Relativbewegung RB der Bauplattform 70 relativ zur Strahlungsquelle SQ. Der Neigungswinkel kann je Bauraumposition angepasst werden, sodass ein Maximalwert der Soll-Oberflächenrauheit Ra_1, Ra 2 unter einer Hypothese, dass bei dem Maximalwert der Soll-Oberflächenrauheit Ra_1, Ra_2 ein Versagen des Bauteils 10 bei dessen bestimmungsgemäßem Gebrauch auftreten kann, verringert werden kann. Eine dadurch bewirkte, etwaige Rauheitswerterhöhung an weiteren Oberflächen des Bauteils 10 kann dann in Kauf genommen werden.
For example, an Ra value of 5 µm can be used for the target surface roughness Ra_1 , Ra_2 can be achieved when the relative angle ζ has a value of 0 °. With an increase in the relative angle ζ Every 1 ° can increase the roughness of the respective target surface roughness Ra_1 , Ra_2 around 0.65 µm can be achieved. At a value of the relative angle ζ of 45 ° the associated Ra value can correspond to about 35 µm. In contrast to a roughness reduction by adjusting the energy beam 80 relevant parameters (exposure parameters), whereby, for example, an exposure strategy can be changed and as a result of which the roughness reduction permits a maximum value of 10 μm, can thus be achieved by setting the relative angle ζ significantly smoother surfaces, such as the segment surface 14th , are formed. To use the relative angle ζ and consequently a roughness reduction, for example on the segment surface 14th There are several ways to achieve this:
  • It is particularly advantageous to adapt the angle of inclination of the component 10 , for example by the relative movement RB the build platform 70 relative to the radiation source SQ . The angle of inclination can be adjusted for each installation space position, so that a maximum value of the target surface roughness Ra_1 , Ra 2 under a hypothesis that at the maximum value the target surface roughness Ra_1 , Ra_2 failure of the component 10 can occur when used as intended, can be reduced. Any increase in the roughness value caused by this on other surfaces of the component 10 can then be accepted.

Je nach Winkelbetrag oder Relativwinkelbereich des Relativwinkels ζ kann bevorzugt ein voreingestelltes, dem Modell des Bauteils 10 zugeordnetes Parametersetup für das Bestrahlen der Pulverschicht 20 mittels des Energiestrahls 80 verwendet werden. Anhand der Gleichungen (1), (2) können allgemein verschiedene Winkelbeträge des Relativwinkels ζ ermittelt werden, wobei jedem der Winkelbeträge jeweils ein Rauheitswert zugeordnet sein kann. Eine daraus ermittelte Relativwinkel-Rauheitswert-Funktion, also mit anderen Worten eine Funktion, welche die Rauheitswerte als Funktion verschiedener Relativwinkel ζ ausdrückt, kann im Speichermedium 110 und zusätzlich oder alternativ in der Steuereinrichtung 100 hinterlegt sein. Dadurch kann die Bestimmung der verschiedenen, beim additiven Herstellen zu erwartenden Rauheitswerts zunächst anhand des Modells des Bauteils 10 erfolgen. Anschließend können die verschiedenen Rauheitswerte der Soll-Oberflächenrauheit Ra_1, Ra 2 unter Verwendung der Gleichungen (1) oder (2) und zusätzlich oder alternativ der Relativwinkel-Rauheitswert-Funktion beim additiven Herstellen des Bauteilsegments 12 bzw. des Bauteils 10 erzeugt werden. Die Verwendung der Relativwinkel-Rauheitswert-Funktion beim additiven Herstellen ermöglicht eine besonders bedarfsgerechte und schnelle Erzeugung der Soll-Oberflächenrauheit Ra_1, Ra 2.Depending on the angular amount or the relative angle range of the relative angle ζ can preferably be a preset, the model of the component 10 assigned parameter setup for irradiating the powder layer 20th by means of the energy beam 80 be used. On the basis of equations (1), (2), different angular values of the relative angle can generally be determined ζ can be determined, each of the angular amounts being able to be assigned a roughness value. A relative angle roughness value function determined therefrom, that is to say, in other words, a function which the roughness values as a function of various relative angles ζ expresses can in the storage medium 110 and additionally or alternatively in the control device 100 be deposited. As a result, the different roughness values to be expected in additive manufacturing can initially be determined using the model of the component 10 respectively. Then the different roughness values of the target surface roughness Ra_1 , Ra 2 using equations (1) or (2) and additionally or alternatively the relative angle-roughness value function in the additive manufacturing of the component segment 12 or the component 10 be generated. The use of the relative angle roughness value function in additive manufacturing enables the target surface roughness to be generated quickly and in line with requirements Ra_1 , Ra 2 .

Zum bedarfsgerechten Bestrahlen kann die Strahlungsquelle SQ, welche auch als Belichtungseinheit bezeichnet werden kann, anhand der Bewegungsvorrichtung 90 verfahrbar und neigbar sein, wodurch eine Minimierung des Relativwinkels ζ ermöglicht werden kann.For needs-based irradiation, the radiation source can SQ , which can also be referred to as an exposure unit, based on the movement device 90 be movable and inclinable, thereby minimizing the relative angle ζ can be made possible.

Durch das Einstellen des Relativwinkels ζ bzw. des zweiten Relativwinkels ζ_2 kann die Soll-Oberflächenrauheit Ra_1 bzw. die zweiten Oberflächenrauheit Ra_2 erzeugt und damit eine vorbestimmte Oberflächenqualität der Segmentoberfläche 14 eingestellt werden.By setting the relative angle ζ or the second relative angle ζ_2 can be the target surface roughness Ra_1 or the second surface roughness Ra_2 generated and thus a predetermined surface quality of the segment surface 14th can be set.

Das vorliegende Verfahren stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber konventionellen Herstellungsmethoden dar. Bei diesen konventionellen Herstellungsmethoden können je nach Parameter, Bauraumposition und Geometrie eines zu erzeugenden Werkstücks Oberflächenrauheiten Ra von bis zu 45 µm entstehen. Gerade bei der Auslegung von Zielbauteilen auf Dauerfestigkeit müssen bei konventionellen Herstellungsmethoden durch diese verhältnismäßig schlechten Oberflächenrauheiten hohe Abschläge auf jeweilige Materialeigenschaften in Kauf genommen werden. Viele durch diese konventionellen Herstellungsmethoden additiv hergestellten Werkstücke müssen daher für die Verwendung in der Luftfahrt entweder nachbearbeitet oder überdimensioniert werden. Im Gegensatz dazu ermöglicht das vorliegende Verfahren bzw. die vorliegende Schichtbauvorrichtung 50 eine gezielte formeltechnische Einstellung der für das Bauteil 10 erzielbaren Soll-Oberflächenrauheiten Ra_1, Ra_2 des Bauteils, wobei die Soll-Oberflächenrauheiten Ra_1, Ra 2 in Abhängigkeit von der Bauraumposition und der Geometrie des Bauteils 10 durch dessen Modell vorhergesagt und gegebenenfalls reduziert werden können.The present method represents a significant advantage over conventional manufacturing methods. With these conventional manufacturing methods, surface roughness Ra of up to 45 µm can arise, depending on the parameters, installation space position and geometry of a workpiece to be produced. Especially when designing target components for fatigue strength, with conventional manufacturing methods, due to this relatively poor surface roughness, high reductions in the respective material properties have to be accepted. Many workpieces that are additively manufactured using these conventional manufacturing methods must therefore either be reworked or oversized for use in aviation. In contrast to this, the present method and the present layer construction device enable 50 a specific formula setting for the component 10 achievable target surface roughness Ra_1 , Ra_2 of the component, the target surface roughness Ra_1 , Ra 2 depending on the installation space position and the geometry of the component 10 can be predicted and possibly reduced by its model.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
BauteilComponent
1212
BauteilsegmentComponent segment
1414th
SegmentoberflächeSegment surface
1616
AuftreffstellePoint of impact
1717th
FlächennormaleSurface normals
1818th
zweite Auftreffstellesecond point of impact
1919th
zweite Flächennormalesecond surface normal
2020th
PulverschichtPowder layer
2222nd
Werkstoffmaterial
2424
PulverbettPowder bed
5050
SchichtbauvorrichtungLayer building device
6060
Aufbau- und FügezoneBuild-up and joining zone
7070
BauplattformBuild platform
8080
EnergiestrahlEnergy beam
9090
BewegungsvorrichtungMovement device
100100
SteuereinrichtungControl device
110110
SpeichermediumStorage medium
Ra_1Ra_1
Soll-OberflächenrauheitTarget surface roughness
Ra_2Ra_2
zweite Soll-Oberflächenrauheitsecond target surface roughness
RBRB
RelativbewegungRelative movement
SQSQ
StrahlungsquelleRadiation source
xx
Achseaxis
yy
Achseaxis
zz
Achseaxis
αα
AufbauwinkelConstruction angle
XX
AzimuthalwinkelAzimuthal angle
εε
EinstrahlwinkelAngle of incidence
ξξ
AzimuthalwinkelAzimuthal angle
ζζ
RelativwinkelRelative angle
ζ_2ζ_2
RelativwinkelRelative angle

Claims (12)

Verfahren zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilsegments (12) eines Bauteils (10), insbesondere für eine Strömungsmaschine, umfassend zumindest folgende Schritte: a) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht (20) eines Werkstoffs (22) auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone (60) mindestens einer bewegbaren Bauplattform (70); b) Bestrahlen der Pulverschicht (20) mittels eines Energiestrahls (80) zur zumindest teilweisen Verfestigung der Pulverschicht (20) unter Ausbildung des zumindest einen Bauteilsegments (12), wobei eine vorbestimmte Soll-Oberflächenrauheit (Ra_1) zumindest einer Segmentoberfläche (14) des zumindest einen Bauteilsegments (12) erzeugt wird, indem ein der Soll-Oberflächenrauheit (Ra_1) zugeordneter Relativwinkel (ζ) zwischen dem Energiestrahl (80) und einer, einer Auftreffstelle (16) des Energiestrahls (80) auf den Werkstoff (22) zugeordneten Flächennormalen (17) der Segmentoberfläche (14) eingestellt wird.A method for the additive production of at least one component segment (12) of a component (10), in particular for a turbo machine, comprising at least the following steps: a) applying at least one powder layer (20) of a material (22) to at least one build-up and joining zone (60) of at least one movable building platform (70); b) irradiating the powder layer (20) by means of an energy beam (80) for at least partial solidification of the powder layer (20) with the formation of the at least one component segment (12), with a predetermined target surface roughness (Ra_1) of at least one segment surface (14) of the at least a component segment (12) is generated by a relative angle (ζ) assigned to the target surface roughness (Ra_1) between the energy beam (80) and a surface normal assigned to a point of impact (16) of the energy beam (80) on the material (22). 17) of the segment surface (14) is set. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) eine translatorische und/oder rotatorische Relativbewegung (RB) zwischen dem Energiestrahl (80) und der wenigstens einen Bauplattform (70) durchgeführt wird, um den Energiestrahl (80) auf eine von der Auftreffstelle (16) verschiedene, zweite Auftreffstelle (18) zu richten, wobei eine von der vorbestimmten Soll-Oberflächenrauheit (Ra_1) verschiedene, zweite vorbestimmte Soll-Oberflächenrauheit (Ra_2) zumindest der Segmentoberfläche (14) erzeugt wird, indem ein, der zweiten Oberflächenrauheit (Ra_2) zugeordneter, zweiter Relativwinkel (ζ_2) zwischen dem Energiestrahl (80) und einer, der zweiten Auftreffstelle (18) des Energiestrahls (80) auf den Werkstoff (22) zugeordneten zweiten Flächennormalen (19) der Segmentoberfläche (14) eingestellt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that in step b) a translational and / or rotary relative movement (RB) between the energy beam (80) and the at least one construction platform (70) is carried out in order to transfer the energy beam (80) to one of the point of impact (16) to direct different, second impact point (18), a second predetermined target surface roughness (Ra_2) different from the predetermined target surface roughness (Ra_1) being generated at least for the segment surface (14) by one associated with the second surface roughness (Ra_2) , the second relative angle (ζ_2) between the energy beam (80) and a second surface normal (19) of the segment surface (14) assigned to the second point of impact (18) of the energy beam (80) on the material (22). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: c) schichtweises Absenken der mindestens einen Bauplattform (70); d) Wiederholen der Schritte a) bis c).Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized by the further steps: c) lowering the at least one building platform (70) in layers; d) repeating steps a) to c). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der Energiestrahl (80) ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl herangezogen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a laser beam or an electron beam is used as the energy beam (80). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Relativwinkel (ζ) eingestellt wird, indem eine den Energiestrahl (80) emittierende Strahlungsquelle (SQ) translatorisch und/oder rotatorisch relativ zu der mindestens einen Bauplattform (70) bewegt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the relative angle (ζ) is set by moving a radiation source (SQ) emitting the energy beam (80) translationally and / or rotationally relative to the at least one construction platform (70). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Relativwinkel (ζ) eingestellt wird, indem die mindestens eine Bauplattform (70) translatorisch und/oder rotatorisch relativ zu dem Energiestrahl (80) bewegt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the relative angle (ζ) is set by moving the at least one construction platform (70) translationally and / or rotationally relative to the energy beam (80). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Minimal-Rauheitswert der Soll-Oberflächenrauheit (Ra_1) durch Minimieren des Relativwinkels (ζ) erzeugt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a minimum roughness value of the target surface roughness (Ra_1) is generated by minimizing the relative angle (ζ). Schichtbauvorrichtung (50) zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilsegments (12) eines Bauteils (10), insbesondere für eine Strömungsmaschine, umfassend: - mindestens eine bewegbare Bauplattform (70), welche eine Aufbau- und Fügezone (60) aufweist, welche zum Halten mindestens einer, auf die Aufbau- und Fügezone (60) auftragbaren Pulverschicht (20) eines Werkstoffs (22) ausgebildet ist; - mindestens eine Strahlungsquelle (SQ) zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls (80) zum zumindest teilweisen Verfestigen der Pulverschicht (20) unter Ausbildung des zumindest einen Bauteilsegments (12); -mindestens eine Bewegungsvorrichtung (90), welche dazu eingerichtet ist, den Energiestrahl (80) und/oder die Bauplattform (70) zu bewegen; und - mindestens eine Steuereinrichtung (100), welche dazu ausgebildet ist, die Bewegungsvorrichtung (90) zum Bewegen des Energiestrahls (80) und/oder der Bauplattform (70) zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (100) dazu konfiguriert ist, die Bewegungsvorrichtung (90) derart zu steuern, dass ein Relativwinkel (ζ) zwischen dem Energiestrahl (80) und einer, einer Auftreffstelle (16) des Energiestrahls (80) auf den Werkstoff (22) zugeordneten Flächennormalen (17) einer Segmentoberfläche (14) des Bauteilsegments (12) eingestellt wird, um eine vorbestimmte Soll-Oberflächenrauheit (Ra_1) der zumindest einen Segmentoberfläche (14) des zumindest einen Bauteilsegments (12) zu erzeugen, wobei der Relativwinkel (ζ) der Soll-Oberflächenrauheit (Ra_1) zugeordnet ist.Layered construction device (50) for the additive production of at least one component segment (12) of a component (10), in particular for a turbo-engine, comprising: - at least one movable construction platform (70) which has a construction and joining zone (60) which for holding at least a powder layer (20) of a material (22) which can be applied to the build-up and joining zone (60) is formed; - At least one radiation source (SQ) for generating at least one energy beam (80) for at least partially solidifying the powder layer (20) while forming the at least one component segment (12); - At least one movement device (90) which is set up to move the energy beam (80) and / or the construction platform (70); and - at least one control device (100) which is designed to control the movement device (90) for moving the energy beam (80) and / or the construction platform (70), characterized in that the control device (100) is configured to to control the movement device (90) in such a way that a relative angle (ζ) between the energy beam (80) and a surface normal (17) of a segment surface (14) assigned to a point of impact (16) of the energy beam (80) on the material (22) of the component segment (12) is set in order to generate a predetermined target surface roughness (Ra_1) of the at least one segment surface (14) of the at least one component segment (12), the relative angle (ζ) being assigned to the target surface roughness (Ra_1). Schichtbauvorrichtung (50) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese als selektive Lasersinter- und/oder -schmelzvorrichtung ausgebildet ist.Layer building device (50) after Claim 8 , characterized in that it is designed as a selective laser sintering and / or melting device. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch eine Steuereinrichtung (100) einer Schichtbauvorrichtung (50) nach Anspruch 8 oder 9 die Schichtbauvorrichtung (50) veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.A computer program product, comprising instructions which, when the computer program product is executed by a control device (100), of a layer construction device (50) Claim 8 or 9 cause the layer building device (50) to perform the method according to one of the Claims 1 to 7th execute. Computerlesbares Speichermedium (110), umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch eine Steuereinrichtung (100) einer Schichtbauvorrichtung (50) nach Anspruch 8 oder 9 die Schichtbauvorrichtung (50) veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.A computer-readable storage medium (110), comprising instructions which, when executed by a control device (100), follow a layered construction device (50) Claim 8 or 9 cause the layer building device (50) to perform the method according to one of the Claims 1 to 7th execute. Bauteil (10), insbesondere für eine Strömungsmaschine, umfassend zumindest ein Bauteilsegment (12), welches mittels einer Schichtbauvorrichtung (50) nach Anspruch 8 oder 9 und/oder mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist.Component (10), in particular for a turbomachine, comprising at least one component segment (12), which by means of a layer construction device (50) according to Claim 8 or 9 and / or by means of a method according to one of the Claims 1 to 7th is made.
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