DE102019219327A1 - Layer construction method and layer construction device for the additive manufacture of at least one component area of a component as well as computer program product and storage medium - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs (12) eines Bauteils (14), insbesondere eines Bauteils (14) einer Strömungsmaschine. Das Schichtbauverfahren umfasst zumindest die Schritte a) Bereitstellen zumindest eines Referenz-Überwachungsdatensatzes (50), welcher auf durch optische Tomographie zumindest eines Referenz-Bauteilbereichs (60) eines Referenz-Bauteils (62) während dessen additiver Herstellung erfassten Referenz-Falschfarbwerten (64) basiert und lokale Intensitätsmaxima (66) der Referenz-Falschfarbwerte (64) charakterisiert, b) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs (22) auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone (II) mindestens einer bewegbaren Bauplattform(24), c) lokales Verfestigen des Werkstoffs(22) zum Ausbilden einer Bauteilschicht, indem der Werkstoff (22) mit wenigstens einem Energiestrahl (28) entlang von Scanlinien (40) selektiv abgetastet und aufgeschmolzen wird, wobei wenigstens ein Belichtungsparameterwert des Energiestrahls (28) in Abhängigkeit von dem zumindest einen Referenz-Überwachungsdatensatz (50) und dadurch in Abhängigkeit von zumindest einem der lokalen Intentsitätsmaxima (66) eingestellt wird, d) Schichtweises Absenken der Bauplattform (24) um eine vordefinierte Schichtdicke, und e) Wiederholen der Schritte b) bis d) bis zur Fertigstellung des Bauteilbereichs (12). Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schichtbauvorrichtung (10) zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs (12) eines Bauteils (14), ein Computerprogrammprodukt, ein computerlesbares Speichermedium sowie ein Bauteil (14) mit wenigstens einem additiv hergestellten Bauteilbereich (12).The invention relates to a layered construction method for the additive manufacture of at least one component region (12) of a component (14), in particular a component (14) of a turbo machine. The layer construction method comprises at least the steps of a) providing at least one reference monitoring data set (50) based on reference false color values (64) recorded by optical tomography of at least one reference component area (60) of a reference component (62) during its additive manufacture and characterizes local intensity maxima (66) of the reference false color values (64), b) applying at least one powder layer of a material (22) to at least one build-up and joining zone (II) of at least one movable building platform (24), c) local solidification of the Material (22) for forming a component layer in that the material (22) is selectively scanned and melted with at least one energy beam (28) along scan lines (40), at least one exposure parameter value of the energy beam (28) depending on the at least one reference Monitoring data set (50) and thereby dependent on at least one of the local Internet Intensity maxima (66) is set, d) lowering the construction platform (24) layer by layer by a predefined layer thickness, and e) repeating steps b) to d) until the component area (12) is completed. The invention further relates to a layer construction device (10) for the additive manufacture of at least one component area (12) of a component (14), a computer program product, a computer-readable storage medium and a component (14) with at least one additively manufactured component area (12).
Description
Die Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren und eine Schichtbauvorrichtung zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogrammprodukt, ein computerlesbares Speichermedium und ein Bauteil mit wenigstens einem additiv hergestellten Bauteilbereich.The invention relates to a layer construction method and a layer construction device for the additive production of at least one component region of a component. The invention further relates to a computer program product, a computer-readable storage medium and a component with at least one additively manufactured component area.
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. Beim Schichtbauverfahren wird dann der gewünschte Werkstoff schichtweise abgelagert und selektiv mittels des wenigstens einen Energiestrahls abgetastet und verfestigt, um den gewünschten Bauteilbereich additiv aufzubauen. Verschiedene Bestrahlungsparameter wie beispielsweise die Energiestrahlleistung und die Belichtungsgeschwindigkeit eines zum Verfestigen zu verwendenden Energiestrahls sind für die entstehende Gefügestruktur von Bedeutung. Zusätzlich ist auch die Anordnung von sogenannten Scanlinien von Bedeutung. Die Scanlinien, welche auch als Schmelzspuren oder als Belichtungsvektoren bezeichnet werden können, definieren die Strecken, entlang welchen der wenigstens eine Energiestrahl den Werkstoff abtastet und aufschmilzt und können generell linear oder nicht-linear verlaufen. 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 Werkstoffs 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 abgetastet und verfestigt wird.Additive layer construction processes describe processes in which geometric data are determined based on a virtual model of a component or component area to be manufactured, which is broken down into layer data (so-called "slicing"). Depending on the geometry of the model, an exposure or irradiation strategy is determined according to which the selective solidification of a material is to take place. In the layer construction process, the desired material is then deposited in layers and selectively scanned and solidified by means of the at least one energy beam in order to additively build up the desired component area. Different irradiation parameters such as the energy beam power and the exposure speed of an energy beam to be used for solidification are important for the resulting microstructure. The arrangement of so-called scan lines is also important. The scan lines, which can also be referred to as melting traces or exposure vectors, define the paths along which the at least one energy beam scans and melts the material and can generally run linearly or non-linearly. This means that additive or generative manufacturing processes differ from conventional abrasive or primary forming manufacturing methods. Examples of additive manufacturing processes are generative laser sintering or laser melting processes, which can be used, for example, to manufacture components for turbomachines such as aircraft engines. In selective laser melting, thin powder layers of the material or the materials used are applied to a building platform and melted and solidified locally with the aid of one or more laser beams in the area of a build-up and joining zone. Then the building platform is lowered, another layer of powder is applied and locally solidified again. This cycle is repeated until the finished component or the finished component area is obtained. The component can then be further processed if necessary or used without further processing steps. In the case of selective laser sintering, the component is produced in a similar way 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 methods are also known in which the material is selectively scanned and solidified by one or more electron beams.
Als nachteilig an den bekannten Schichtbauverfahren ist der Umstand anzusehen, dass damit hergestellte Bauteile häufig eine vergleichsweise hohe Gefügeanisotropie aufweisen, die zu richtungsabhängig unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften führen kann. Dies kann wiederum zu verringerten Festigkeiten und Steifigkeiten führen, die bei der Bauteilauslegung zu berücksichtigen und zu kompensieren sind.A disadvantage of the known layered construction method is the fact that components manufactured with them often have a comparatively high structural anisotropy, which can lead to different mechanical properties depending on the direction. This in turn can lead to reduced strengths and stiffnesses, which have to be taken into account and compensated for in the component design.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schichtbauverfahren und eine Schichtbauvorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass eine Herstellung von Bauteilen oder Bauteilbereichen mit gleichmäßigeren mechanischen Eigenschaften in unterschiedlichen Raumrichtungen 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 gleichmäßigeren mechanischen Eigenschaften in unterschiedlichen Raumrichtungen anzugeben.The object of the present invention is to improve a layer construction method and a layer construction device of the type mentioned at the beginning in such a way that it is possible to produce components or component areas with more uniform mechanical properties in different spatial directions. Further objects of the invention consist in specifying a computer program product and a computer-readable storage medium which enable a corresponding control of such a layer construction device. Finally, it is the object of the invention to specify a component with at least one additively manufactured component area with more uniform mechanical properties in different spatial directions.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Schichtbauverfahren 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 layer construction 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
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine, umfassend zumindest folgende Schritte:
- a) Bereitstellen zumindest eines Referenz-Überwachungsdatensatzes, welcher auf durch optische Tomographie zumindest eines Referenz-Bauteilbereichs eines Referenz-Bauteils während dessen additiver Herstellung erfassten Referenz-Falschfarbwerten basiert und lokale Intensitätsmaxima der Referenz-Falschfarbwerte charakterisiert;
- b) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer bewegbaren Bauplattform;
- c) lokales Verfestigen des Werkstoffs zum Ausbilden einer Bauteilschicht, indem der Werkstoff mit wenigstens einem Energiestrahl entlang von Scanlinien selektiv abgetastet und aufgeschmolzen wird, wobei wenigstens ein Belichtungsparameterwert des Energiestrahls in Abhängigkeit von dem zumindest einen Referenz-Überwachungsdatensatz und dadurch in Abhängigkeit von zumindest einem der lokalen Intentsitätsmaxima eingestellt wird;
- d) Schichtweises Absenken der Bauplattform um eine vordefinierte Schichtdicke; und
- e) Wiederholen der Schritte b) bis d) bis zur Fertigstellung des Bauteilbereichs.
Dies ist von Vorteil, da somit der wenigstens eine Belichtungsparameterwert in Abhängigkeit von den Referenz-Falschfarbwerten eingestellt werden kann, wodurch Informationen aus der optischen Tomographie des Referenz-Bauteilbereichs und zusätzlich oder alternativ des Referenz-Bauteils herangezogen werden können, um anhand dieser Informationen den wenigstens einen Belichtungsparameterwert einzustellen. Anhand der Referenz-Falschfarbwerte können während der additiven Herstellung entstehende, unterschiedlich stark erwärmte Zonen des Referenz-Bauteilbereichs bzw. des Referenz-Bauteils detektiert werden. Die optische Tomographie gestattet es beispielsweise warme von kalten Zonen der unterschiedlich stark erwärmten Zonen zu unterscheiden. Die Intensitätsmaxima können dabei jeweils die wärmsten Zonen charakterisieren. So kann dementsprechend ein oberstes Intensitätsmaximum der Intensitätsmaxima die wärmste Zone charakterisieren. Zudem liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass den warmen und kalten Zonen auch jeweils unterschiedliche Referenz-Gefügestrukturen, also Gefügestrukturen des Referenz-Bauteilbereichs und zusätzlich oder alternativ des Referenz-Bauteils, zugeordnet sein können. Eine warme Zone kann beispielsweise durch längere Energiestrahlbeaufschlagung, welche beispielsweise durch Laserbestrahlung erfolgen kann, entstehen, wohingegen eine im Vergleich dazu kalte Zone durch entsprechend kürzere Energiestrahlbeaufschlagung entstehen kann. Die Dauer der Energiestrahlbeaufschlagung kann jedoch die Referenz-Gefügestruktur maßgeblich beeinflussen, sodass bei längerer Energiestrahlbeaufschlagung (und entsprechend warmer Zone) größere Werkstoffkörner sowie eine größere Gefügeanisotropie auftreten können, als bei kürzerer Energiestrahlbeaufschlagung (kalte Zone). Dementsprechend können über die Referenz-Falschfarbwerte auch Informationen über die jeweilige, von den entsprechenden Zonen abhängige Referenz-Gefügestruktur in die Einstellung des wenigstens einen Belichtungsparameterwertes des Energiestrahls einfließen. Dies ermöglicht es beispielsweise größere, durch den Energiestrahl bewirkte Temperaturunterschiede an voneinander verschiedenen Stellen des Bauteilbereichs zu vermeiden, wodurch dementsprechend beispielsweise Gefügeanisotropieunterschiede zwischen den verschiedenen Stellen gering gehalten werden können und der Bauteilbereich dementsprechend mit gleichmäßigeren mechanischen Eigenschaften in unterschiedlichen Raumrichtungen erstellt werden kann, als beispielsweise der Referenz-Bauteilbereich. Die Referenz-Falschfarbwerte können beispielsweise als Referenz-Grauwerte ausgebildet sein.A first aspect of the invention relates to a layered construction method for the additive manufacture of at least one component region of a component, in particular a component of a turbo machine, comprising at least the following steps:
- a) providing at least one reference monitoring data set which is based on reference false color values detected by optical tomography of at least one reference component region of a reference component during its additive manufacture and characterizes local intensity maxima of the reference false color values;
- b) 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;
- c) local solidification of the material to form a component layer by the material is selectively scanned and melted with at least one energy beam along scan lines, at least one exposure parameter value of the energy beam depending on the at least one reference monitoring data set and thereby depending on at least one of the local intensity maxima is set;
- d) Lowering the construction platform layer by layer by a predefined layer thickness; and
- e) Repeating steps b) to d) until the component area is completed.
This is advantageous because the at least one exposure parameter value can thus be set as a function of the reference false color values, whereby information from the optical tomography of the reference component area and additionally or alternatively the reference component can be used to determine the at least set an exposure parameter value. On the basis of the reference false color values, zones of the reference component area or the reference component that are produced during the additive manufacturing and heated to different degrees can be detected. Optical tomography makes it possible, for example, to distinguish between warm and cold zones in the zones that are heated to different degrees. The intensity maxima can characterize the warmest zones. Accordingly, an uppermost intensity maximum of the intensity maxima can characterize the warmest zone. In addition, the invention is based on the knowledge that the warm and cold zones can also each be assigned different reference microstructures, that is to say microstructures of the reference component area and additionally or alternatively of the reference component. A warm zone can arise, for example, through longer exposure to energy beams, which can be effected, for example, by laser irradiation, whereas a zone that is cold in comparison thereto can arise through correspondingly shorter exposure to energy beams. The duration of the application of the energy beam can, however, have a decisive influence on the reference microstructure, so that larger material grains and a greater structural anisotropy can occur with longer exposure to the energy beam (and correspondingly warm zone) than with shorter exposure to the energy beam (cold zone). Correspondingly, information about the respective reference microstructure dependent on the corresponding zones can also flow into the setting of the at least one exposure parameter value of the energy beam via the reference false color values. This makes it possible, for example, to avoid greater temperature differences caused by the energy beam at different points in the component area, which means that, for example, structural anisotropy differences between the various points can be kept low and the component area can accordingly be created with more uniform mechanical properties in different spatial directions than, for example Reference part area. The reference false color values can for example be designed as reference gray values.
Darüber hinaus können anhand der Referenz-Falschfarbwerte beispielsweise jeweilige Defekte und damit defektbehaftete Gefügebereiche des Referenz-Bauteilbereichs und zusätzlich oder alternativ des Referenz-Bauteils erkannt werden. Diese Defekte (defektbehaftete Gefügebereiche) können in mehreren Schichten des Referenz-Bauteilbereichs bzw. des Referenz-Bauteils vorliegen und anhand der Referenz-Falschfarbwerte detektiert werden. Bei dem vorliegenden Schichtbauverfahren kann durch das Einstellen des wenigstens einen Belichtungsparameterwertes in Abhängigkeit von dem Referenz-Überwachungsdatensatz vermieden werden, dass die jeweiligen, in dem Referenz-Bauteilbereich bzw. Referenz-Bauteil auftretenden Defekte auch in dem Bauteilbereich bzw. dem Bauteil auftreten. Auch dies trägt in vorteilhafter Weise zur Ausgestaltung des Bauteilbereichs bzw. des Bauteils mit im Vergleich zu dem Referenz-Bauteilbereich bzw. dem Referenz-Bauteil gleichmäßigeren, mechanischen Eigenschaften in unterschiedlichen Raumrichtungen bei.In addition, the reference false color values can be used to identify, for example, respective defects and thus defective structural areas of the reference component area and additionally or alternatively of the reference component. These defects (defective structural areas) can be present in several layers of the reference component area or the reference component and can be detected on the basis of the reference false color values. In the present layer construction method, by setting the at least one exposure parameter value as a function of the reference monitoring data set, it can be avoided that the respective defects occurring in the reference component area or reference component also occur in the component area or the component. This also contributes in an advantageous manner to the design of the component area or the component with more uniform mechanical properties in different spatial directions compared to the reference component area or the reference component.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung charakterisiert der zumindest eine Referenz-Überwachungsdatensatz eine Referenz-Gefügestrukturverteilung zumindest in dem Referenz-Bauteilbereich sowie zumindest einen, der Referenz-Gefügestrukturverteilung zugeordneten Referenz-Belichtungsparameterwert. Unter der Referenz-Gefügestrukturverteilung kann eine Verteilung von unterschiedlichen Gefügestrukturen im Referenz-Bauteilbereich und zusätzlich oder alternativ im Referenzbauteil verstanden werden. Durch die Zuordnung des zumindest einen Referenz-Belichtungsparameterwertes zu der Referenz-Gefügestrukturverteilung kann in vorteilhafter Weise ein direkter Zusammenhang zwischen dem Referenz-Belichtungsparameterwert und der Referenz-Gefügestrukturverteilung geschaffen werden kann. Dies gestattet eine besonders gezielte Einstellung des Belichtungsparameterwertes um dadurch eine besonders wunschgemäße, insbesondere homogene, Gefügestrukturverteilung in dem Bauteilbereich zu erzielen.In an advantageous development of the invention, the at least one reference monitoring data set characterizes a reference structural structure distribution at least in the reference component area and at least one reference exposure parameter value assigned to the reference structural structure distribution. The reference structural structure distribution can be understood to mean a distribution of different structural structures in the reference component area and additionally or alternatively in the reference component. By assigning the at least one reference exposure parameter value to the reference microstructure distribution, it is advantageously possible to create a direct relationship between the reference exposure parameter value and the reference microstructure distribution. This allows a particularly targeted setting of the exposure parameter value in order to achieve a particularly desired, in particular homogeneous, structural distribution in the component area.
Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Referenz-Gefügestrukturverteilung von dem Referenz-Belichtungsparameterwert abhängt. Der Referenz-Belichtungsparameterwert kann beispielsweise einem Referenz-Energieeintrag in den Referenz-Bauteilbereich infolge von Energiestrahlbeaufschlagung oder einer Energiestrahlleistung, also einer Leistung des Energiestrahls, entsprechen. Es hat sich beispielsweise allgemein gezeigt, dass mit höherem Referenz-Energieeintrag anhand des Energiestrahls in Teilbereiche des Referenz-Bauteilbereichs auch eine größere Gefügeanisotropie und damit größere Werkstoffkörner in diesen Teilbereichen auftreten, wobei die Teilbereiche des Referenz-Bauteilbereichs mit höherem Referenz-Energieeintrag auch durch entsprechend höhere, durch optische Tomographie ermittelte Referenz-Falschfarbwerte, beispielsweise in Form von höheren Grauwerten, erkannt, insbesondere quantifiziert werden können. Je höher also die Referenz-Falschfarbwerte (beispielsweise Referenz-Grauwerte) sind, desto größer sind infolge des Referenz-Energieeintrags auch die entsprechenden Werkstoffkörner bzw. die entsprechende Gefügeanisotropie im Referenz-Bauteilbereich bzw. im Referenz-Bauteil. This is based on the knowledge that the reference structure distribution depends on the reference exposure parameter value. The reference exposure parameter value can, for example, correspond to a reference energy input into the reference component area as a result of the application of an energy beam or an energy beam power, that is to say a power of the energy beam. For example, it has generally been shown that with a higher reference energy input based on the energy beam in partial areas of the reference component area, a greater structural anisotropy and thus larger material grains also occur in these partial areas, with the partial areas of the reference component area with a higher reference energy input also correspondingly higher reference false color values determined by optical tomography, for example in the form of higher gray values, can be recognized, in particular quantified. The higher the reference false color values (for example reference gray values), the greater the corresponding material grains or the corresponding structural anisotropy in the reference component area or in the reference component as a result of the reference energy input.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in Abhängigkeit von der Referenz-Gefügestrukturverteilung und dem zumindest einen Referenz-Belichtungsparameterwert wenigstens ein Korrekturwert ermittelt, um welchen der wenigstens eine Belichtungsparameterwert von dem zumindest einen Referenz-Belichtungsparameterwert abweichend eingestellt wird, wodurch zumindest der Bauteilbereich mit einer Gefügestrukturverteilung versehen wird, welche eine geringere Defektdichte und/oder eine geringere Defektanzahl aufweist, als die Referenz-Gefügestrukturverteilung. Mit anderen Worten kann sich der Belichtungsparameterwert also um den Korrekturwert von dem Referenz-Belichtungsparameterwert unterscheiden. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine besonders gezielte Verringerung der Defektdichte, also mit anderen Worten eine Dichte an Defekten und zusätzlich oder alternativ der Defektanzahl, also mit anderen Worten eine Anzahl der Defekte, erfolgen. Derartige Defekte können als fehlerhafte Gefügebereiche, beispielsweise als Poren oder Risse, ausgebildet sein.In a further advantageous development of the invention, depending on the reference structure distribution and the at least one reference exposure parameter value, at least one correction value is determined by which the at least one exposure parameter value is set differently from the at least one reference exposure parameter value, whereby at least the component area with a Structural structure distribution is provided, which has a lower defect density and / or a lower number of defects than the reference microstructural structure distribution. In other words, the exposure parameter value can differ from the reference exposure parameter value by the correction value. A particularly targeted reduction in the defect density, in other words a density of defects and additionally or alternatively the number of defects, in other words a number of defects, can thereby advantageously take place. Such defects can be designed as defective structural areas, for example as pores or cracks.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als der wenigstens eine Belichtungsparameterwert ein Energieeintrag des wenigstens einen Energiestrahls eingestellt. Dies ist von Vorteil, da durch das Einstellen des Energieeintrags eine besonders direkte Beeinflussung einer Gefügestruktur in der Bauteilschicht und damit im Bauteilbereich des Bauteils erfolgen kann. Der Energieeintrag kann die Einheit J/mm3 aufweisen und damit einen Eintrag von Energie pro Volumeneinheit angeben.In a further advantageous development of the invention, an energy input of the at least one energy beam is set as the at least one exposure parameter value. This is advantageous because by adjusting the energy input a particularly direct influencing of a microstructure in the component layer and thus in the component area of the component can take place. The energy input can have the unit J / mm 3 and thus indicate an input of energy per unit volume.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in Schritt c) ein auf optischer Tomographie zumindest der Bauteilschicht basierender Überwachungsdatensatz erstellt, welcher zur Überwachung des additiven Herstellens zumindest des Bauteilbereichs mit dem Referenz-Überwachungsdatensatz verglichen wird. Dies ist von Vorteil, da somit bereits während des additiven Herstellens des Bauteilbereichs beispielsweise Poren und zusätzlich oder alternativ Risse erkannt werden können. Der Überwachungsdatensatz kann während des additiven Herstellens zumindest des Bauteilbereichs durch die optische Tomographie erfasste Falschfarbwerte umfassen. Die Überwachung kann erfolgen, indem die Falschfarbwerte mit den Referenz-Falschfarbwerten verglichen werden. Dadurch kann erkannt werden, wenn beispielsweise einer der Falschfarbwerte um einen unzulässig großen Wertebetrag von einem entsprechenden Referenz-Falschfarbwert abweicht, was auf ein Vorliegen von Poren, Rissen oder anderen Defekten hinweisen kann. Die Falschfarbwerte können - ebenso wie die Referenz-Falschfarbwerte - beispielsweise als Grauwerte ausgebildet sein. Anhand der Falschfarbwerte können also beispielsweise jeweilige Defekte und damit defektbehaftete Gefügebereiche des Bauteilbereichs und zusätzlich oder alternativ des Bauteils frühzeitig erkannt werden. Diese Defekte (defektbehaftete Gefügebereiche) können in mehreren Bauteilschichten des Bauteilbereichs bzw. des Bauteils vorliegen und anhand der Falschfarbwerte, insbesondere durch Vergleich der Falschfarbwerte mit den Referenz-Falschfarbwerten, erkannt werden. Ein bevorzugter, schichtweiser Vergleich der Falschfarbwerte mit den Referenz-Falschfarbwerten ermöglicht in vorteilhafter Weise eine besonders frühzeitige und insbesondere genaue Bewertung, ob beispielsweise beim Herstellen des Bauteilbereichs bzw. des Bauteils Ausschuss produziert wird. Darüber hinaus kann vorzugsweise basierend auf dem schichtweisen Vergleich der Falschfarbwerte mit den Referenz-Falschfarbwerten eine schichtweise Änderung des wenigstens einen Belichtungsparameterwertes erfolgen, sodass der Belichtungsparameterwert sozusagen in jeweils unterschiedlichen Bauteilschichten des Bauteilbereichs unterschiedlich eingestellt wird. Dadurch ist es möglich auf eine besonders defektbehaftete Bauteilschicht weitere Bauteilschichten mit weniger Defekten aufzubauen, um zu vermeiden, dass bei der Herstellung des Bauteilbereichs Ausschuss produziert wird.In a further advantageous development of the invention, in step c) a monitoring data set based on optical tomography of at least the component layer is created, which is compared with the reference monitoring data set to monitor the additive manufacturing of at least the component area. This is advantageous because pores and, additionally or alternatively, cracks can already be recognized during the additive manufacturing of the component area. The monitoring data set can include false color values recorded by optical tomography during the additive manufacturing of at least the component area. The monitoring can take place in that the false color values are compared with the reference false color values. This makes it possible to recognize if, for example, one of the false color values deviates by an impermissibly large amount from a corresponding reference false color value, which can indicate the presence of pores, cracks or other defects. Like the reference false color values, the false color values can be embodied as gray values, for example. Using the false color values, for example, respective defects and thus defective structural areas of the component area and additionally or alternatively of the component can be recognized at an early stage. These defects (defective structural areas) can be present in several component layers of the component area or the component and can be recognized on the basis of the false color values, in particular by comparing the false color values with the reference false color values. A preferred, layer-by-layer comparison of the false color values with the reference false color values advantageously enables a particularly early and particularly precise assessment of whether, for example, rejects are produced when the component region or the component is produced. In addition, based on the layer-by-layer comparison of the false color values with the reference false color values, the at least one exposure parameter value can be changed in layers, so that the exposure parameter value is set differently, so to speak, in different component layers of the component area. This makes it possible to build up further component layers with fewer defects on a particularly defective component layer in order to avoid rejects being produced during the production of the component region.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in Schritt c) ein Laserstrahl als der Energiestrahl verwendet. Dies ist von Vorteil, da durch den Laserstrahl ein besonders gezieltes lokales Verfestigen des Werkstoffs ermöglicht ist.In a further advantageous development of the invention, a laser beam is used as the energy beam in step c). This is advantageous since the laser beam enables particularly targeted local solidification of the material.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als der Werkstoff wenigstens ein Material aus der Gruppe Stahl, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Kobaltbasislegierungen, Chrombasislegierungen, Nickelbasislegierungen, Kupferlegierungen, intermetallische Legierungen oder eine beliebige Mischung hieraus verwendet. Obwohl der Werkstoff grundsätzlich auch ein Kunststoff wie beispielsweise ABS, PLA, PETG, Nylon, PET, PTFE oder dergleichen sein kann, können mit Hilfe von metallischen und/oder intermetallischen Werkstoffen generell Bauteile bzw. Bauteilbereiche 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. Beispielsweise kann der Werkstoff eine hochtemperaturfeste Nickelbasislegierungen wie etwa Mar M-247, Inconel 718 (IN718), Inconel 738 (IN738), Waspaloy oder C263 sein. Ebenso können intermetallische Legierungen wie Mg2Si und Titanaluminide vorgesehen sein.In a further advantageous development of the invention, at least a material from the group of steel, aluminum alloys, titanium alloys, cobalt-based alloys, chromium-based alloys, nickel-based alloys, copper alloys, intermetallic alloys or any mixture thereof is used. Although the material can in principle also be a plastic such as ABS, PLA, PETG, nylon, PET, PTFE or the like, components or component areas with higher mechanical, thermal and chemical resistance can generally be produced with the help of metallic and / or intermetallic materials . For example, the material can contain elements from the iron, titanium, nickel, chromium, cobalt, copper, aluminum or titanium group. The material can be an alloy from the group consisting of steel, aluminum alloy, titanium alloy, cobalt alloy, chromium alloy, nickel-based alloy or copper alloys. For example, the material can be a high temperature-resistant nickel-based alloy such as Mar M-247, Inconel 718 (IN718), Inconel 738 (IN738), Waspaloy or C263. Intermetallic alloys such as Mg 2 Si and titanium aluminides can also be provided.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend:
- - mindestens eine Pulverzuführung zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer bewegbaren Bauplattform;
- - mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls zum schichtweisen und lokalen Verfestigen des Werkstoffs durch selektives Abtasten und Aufschmelzen des Werkstoffs entlang von Scanlinien; 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 so zu steuern, dass diese schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke abgesenkt wird.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Strahlungsquelle anzusteuern und dadurch wenigstens einen Belichtungsparameterwert des Energiestrahls in Abhängigkeit von zumindest einem Referenz-Überwachungsdatensatz einzustellen, wobei der zumindest eine Referenz-Überwachungsdatensatz auf durch optische Tomographie zumindest eines Referenz-Bauteilbereichs eines Referenz-Bauteils während dessen additiver Herstellung erfassten Referenz-Falschfarbwerten basiert und lokale Intensitätsmaxima der Referenz-Falschfarbwerte charakterisiert, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen Belichtungsparameterwert des Energiestrahls in Abhängigkeit von zumindest einem der lokalen Intensitätsmaxima einzustellen. Die Schichtbauvorrichtung kann beispielsweise eine Kamera, insbesondere Wärmebildkamera, umfassen, mittels welcher die Referenz-Falschfarbwerte des Referenz-Bauteilbereichs des Referenz-Bauteils erfasst werden können. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Aspekts der Erfindung zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen sind. Umgekehrt sind vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung als vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung anzusehen.A second aspect of the invention relates to a layer construction device for the additive production of at least one component region of a component by an additive layer construction method, comprising:
- - At least one powder feed for 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;
- - At least one radiation source for generating at least one energy beam for layer-by-layer and local solidification of the material by selective scanning and melting of the material along scan lines; and
- - a control device which is designed to:
- - to control the powder supply so that it applies at least one powder layer of the material to the construction and joining zone of the construction platform; and
- - to control the building platform so that it is lowered layer by layer by a predefined layer thickness.
According to the invention it is provided that the control device is set up to control the radiation source and thereby set at least one exposure parameter value of the energy beam as a function of at least one reference monitoring data set, the at least one reference monitoring data set being based on at least one reference component area by optical tomography Reference component is based on reference false color values detected during its additive production and characterizes local intensity maxima of the reference false color values, the control device being set up to set the at least one exposure parameter value of the energy beam as a function of at least one of the local intensity maxima. The layer construction device can for example comprise a camera, in particular a thermal imaging camera, by means of which the reference false color values of the reference component area of the reference component can be recorded. Further features and their advantages can be found in the descriptions of the first aspect of the invention, with advantageous refinements of the first aspect of the invention being regarded as advantageous refinements of the second aspect of the invention. Conversely, advantageous configurations of the second aspect of the invention are to be regarded as advantageous configurations of the first aspect of the invention.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Schichtbauvorrichtung als selektive Lasersinter- und/oder -schmelzvorrichtung ausgebildet. Hierdurch können Bauteilbereiche und komplette Bauteile hergestellt werden, deren mechanischen Eigenschaften zumindest im Wesentlichen richtungsunabhängig sind. Zur Erzeugung eines Laserstrahls als der Energiestrahl 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 als jeweilige Energiestrahlen verwendet werden.In an advantageous development of the invention, the layer construction device is designed as a selective laser sintering and / or melting device. In this way, component areas and complete components can be produced whose mechanical properties are at least essentially direction-independent. For example, CO2 lasers, Nd: YAG lasers, Yb fiber lasers, diode lasers or the like can be provided to generate a laser beam as the energy beam. It can also be provided that two or more electron and / or laser beams are used as the respective energy beams.
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 Schichtbauverfahren 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 Schichtbauverfahren 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 execute the layer construction 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 layer construction 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 oder der Schichtbauvorrichtung 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 the purposes of this description can 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 or layered 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 Turbinenbauteil einer Strömungsmaschine, umfassend zumindest einen Bauteilbereich, der mittels einer Schichtbauvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und/oder mittels eines Schichtbauverfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellt ist. Hierdurch weist das erfindungsgemäße Bauteil eine stark vergleichmäßigte und zumindest im Wesentlichen richtungsunabhängige Gefügestruktur auf, die zu einer wesentlich höheren Beständigkeit gegen zyklische Lasten sowie zu signifikant erhöhten Festigkeits- und Steifigkeitswerten führt. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und zweiten Aspekts der Erfindung zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Aspekts der Erfindung als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Aspekte der Erfindung anzusehen sind. Das Bauteil kann als Turbinenschaufel für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugtriebwerk ausgebildet sein.A fifth aspect of the invention relates to a component, in particular a turbine component of a turbomachine, comprising at least one component area which is produced by means of a layer construction device according to the second aspect of the invention and / or by means of a layer construction method according to the first aspect of the invention. As a result, the component according to the invention has a highly uniform and at least essentially direction-independent microstructure, which leads to a significantly higher resistance to cyclic loads and to significantly increased strength and rigidity values. 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. The component can be designed as a turbine blade for a gas turbine, in particular for an aircraft engine.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:
-
1 eine schematische Schnittansicht einer Schichtbauvorrichtung; -
2 eine schematische Darstellung einer Schichtoberfläche eines Referenz-Bauteilbereichs eines Referenz-Bauteils während dessen additiver Herstellung, wobei durch optische Tomographie ermittelte Referenz-Falschfarbwerte der Schichtoberfläche gezeigt sind; -
3 eine schematische Darstellung einer Schichtoberfläche eines Bauteilbereichs eines Bauteils während dessen additiven Herstellens, wobei durch optische Tomographie ermittelte Falschfarbwerte der Schichtoberfläche gezeigt sind; -
4 eine schematische Detailansicht eines Oberflächensegments innerhalb eines in2 umrahmten BereichsA ; -
5 eine schematische Detailansicht eines weiteren Oberflächensegments innerhalb eines in -
2 umrahmten BereichsB ; -
6 ein Gefügeschliffbild, welches eine Referenz-Gefügestruktur des Referenz-Bauteilbereichs zeigt; und -
7 ein weiteres Gefügeschliffbild, welches eine weitere Referenz-Gefügestruktur des Referenz-Bauteilbereichs zeigt.
-
1 a schematic sectional view of a layer construction device; -
2 a schematic representation of a layer surface of a reference component region of a reference component during its additive production, with reference false color values of the layer surface determined by optical tomography being shown; -
3 a schematic representation of a layer surface of a component region of a component during its additive manufacturing, with false color values of the layer surface determined by optical tomography being shown; -
4th a schematic detailed view of a surface segment within an in2 framed areaA. ; -
5 a schematic detailed view of a further surface segment within an in -
2 framed areaB. ; -
6th a micrograph showing a reference microstructure of the reference component area; and -
7th Another micrograph showing a further reference microstructure of the reference component area.
Die Steuereinrichtung
Der Referenz-Überwachungsdatensatz
Die Steuereinrichtung
Aus der Zusammenschau von
Das vorliegende Schichtbauverfahren bzw. die vorliegende Schichtbauvorrichtung
Das Schichtbauverfahren bzw. die Schichtbauvorrichtung
Anhand des vorliegenden Schichtbauverfahrens bzw. anhand der Schichtbauvorrichtung
Durch Analyse jeweiliger, anhand der Kamera
Der Referenz-Bauteilbereich
Zeigen beispielsweise die Referenz-Falschfarbwerte
Die Analyse der lokalen Referenz-Falschfarbwerte
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- SchichtbauvorrichtungLayer building device
- 1212
- BauteilbereichComponent area
- 1414th
- BauteilComponent
- 1616
- PulverzuführungPowder feed
- 1818th
- PulverbehälterPowder container
- 2020th
- BeschichterCoater
- 2222nd
- Werkstoffmaterial
- 2424
- BauplattformBuild platform
- 2626th
- StrahlungsquelleRadiation source
- 2828
- EnergiestrahlEnergy beam
- 3030th
- SteuereinrichtungControl device
- 3232
- EinrichtungFacility
- 3434
- HeizeinrichtungHeating device
- 3636
- Kameracamera
- 4040
- ScanlinieScan line
- 5050
- Referenz-ÜberwachungsdatensatzReference monitoring data set
- 6060
- Referenz-BauteilbereichReference part area
- 6262
- Referenz-BauteilReference component
- 6464
- Referenz-FalschfarbwerteReference false color values
- 6666
- lokales Intensitätsmaximumlocal intensity maximum
- 7070
- ÜberwachungsdatensatzMonitoring record
- 7474
- FalschfarbwerteFalse color values
- 7676
- Defektmalfunction
- IIII
- Aufbau- und FügezoneBuild-up and joining zone
- IIIIII
- Pfeilarrow
- BB.
- Bewegung der BauplattformMovement of the build platform
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