DE102020202733A1

DE102020202733A1 - Verfahren zum Herstellen eines Bauteils

Info

Publication number: DE102020202733A1
Application number: DE102020202733.1A
Authority: DE
Inventors: Alexander Ilin; Marcel Slodczyk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-03-04
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2021-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1), insbesondere zum generativen Herstellen eines Bauteils (1), bei dem mehrere, mittels wenigstens einer Laserstrahlquelle (11) erzeugte Laserstrahlen (2a) relativ zu einem aufzuschmelzenden Bereich in einer Vorschubrichtung (VR) bewegt werden, wobei das Material (25) durch die Laserstrahlen (2a) selektiv aufgeschmolzen wird und nach dem Erstarren des Materials (25) das Bauteil (1) ausbildet..

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere zum generativen Herstellen eines Bauteils, wobei das Bauteil aufgrund seiner Materialzusammensetzung insbesondere für Hochtemperaturanwendungen geeignet ist.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2016 213 420 A1 der Anmelderin ist ein Verfahren zum generativen Herstellen eines Bauteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Das bekannte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Leistungsdichteverteilung mehrerer Teillaserstrahlen in einem aufzuschmelzenden Bereich eines Pulverbetts modulierbar bzw. dem jeweiligen Anwendungszweck spezifisch anpassbar ist. Insbesondere lassen sich mittels des bekannten Verfahrens verbesserte Materialeigenschaften erzielen, indem beispielsweise in einem Vorlaufbereich und/oder Nachlaufbereich der Laserstrahlen das Material von den Laserstrahlen auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Materials erwärmt wird. Dadurch werden flachere Temperaturgradienten bzw. geringere Temperaturerhöhungen (beim Erwärmen) bzw. Temperaturerniedrigungen (beim Abkühlen des zuvor aufgeschmolzenen Materials) erzielt, welche in gewünschter Art und Weise das Gefüge des Materials und somit die Eigenschaften des Bauteils verbessern können.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere zum generativen Herstellen eines Bauteils, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass damit insbesondere auf Nickelbasis als Hauptkomponente sowie Chrombasis als prozentual wichtigste Nebenkomponente verwendete Materialien optimierte Werkstoffeigenschaften zeigen. Diese optimierten Werkstoffeigenschaften äußern sich bei aus dem Material hergestellten Bauteilen insbesondere in einer verringerten Heißrissneigung bzw. einem optimierten Gefüge. Dadurch weisen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Bauteile beispielsweise auch bei hoher Temperaturbelastung hohe Festigkeiten bzw. Lebensdauern auf. Das beschriebene Verfahren ist sowohl zur Herstellung eines Bauteils mittels Laserschweißen als auch zur generativen Herstellung eines Bauteils geeignet.
Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen wird daher vorgeschlagen, dass für das erfindungsgemäße Verfahren als Material für das Bauteil Nickel als Hauptkomponente und Chrom als prozentual wichtigste Nebenkomponente verwendet wird. Eine derartige Materialzusammensetzung eines Metalls ist auch unter der Bezeichnung Inconel® bekanntgeworden.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum, insbesondere generativen, Herstellen eines Bauteils sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Besonders bevorzugt findet das Verfahren Verwendung bei Materialien, bei denen zusätzlich wenigstens eines der Elemente Eisen, Molybdän, Niob, Kobalt, Mangan, Kupfer, Aluminium, Titan, Silizium, Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor oder Bor enthalten ist.
Hinsichtlich der Ausbildung der Leistungsdichteverteilung gibt es ebenfalls unterschiedliche Verfahren, von denen bevorzugt eine Erzeugung der gewünschten Leistungsdichteverteilung der Laserstrahlen durch ein Laserdioden-Array, eine Laserstrahlmodulation oder ein optisches Element vorgesehen ist.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Laserstrahlen jeweils eine homogene Leistungsdichte mit einem vorzugsweise runden Querschnitt aufweisen, wobei die Querschnittsfläche der einzelnen Laserstrahlen gleich groß ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist eine Leistungsdichteverteilung der Laserstrahlen derart, dass zumindest in einem Vorlauf- und/oder einem Nachlaufbereich das Material durch die Laserstrahlen unterhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt wird.
Zur Ausbildung der gewünschten Leistungsdichteverteilung durch die Laserstrahlen bilden diese in einer Vorschubrichtung und einer quer zur Vorschubrichtung verlaufenden Richtung der Laserstrahlen eine mxn Matrix aus.
In einer ersten Ausgestaltung einer derartigen mxn Matrix kann es vorgesehen sein, dass die Laserstrahlen alle Stellen der mxn Matrix ausfüllen. Somit wird (mit Ausnahme von Stellen zwischen den einzelnen Laserstrahlen) eine homogene Leistungsdichteverteilung durch die Laserstrahlen im Pulverbett erzielt. Die Vorschubgeschwindigkeit und die Leistung der einzelnen Laserstrahlen ist dabei typischerweise derart aufeinander abgestimmt, dass in dem Vorlaufbereich zunächst ein Erwärmen des Materials auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur erfolgt, worauf vorzugsweise in einem in Vorschubrichtung betrachtet mittleren Bereich durch die Laserstrahlen eine weitere Temperaturerhöhung des Materials bis über die Schmelztemperatur erfolgt. In einem Nachlaufbereich der Laserstrahlen ist der Wärmeeintrag dann so gering, dass ein Erstarren des zuvor aufgeschmolzenen Materials erfolgen kann.
Alternativ hierzu kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass die Laserstrahlen die einzelnen Stellen der mxn Matrix lediglich teilweise ausfüllen. Dies lässt Spielraum für unterschiedlichste geometrische Anordnungen der Laserstrahlen innerhalb der mxn Matrix, die je nach Geometrie des Bauteils, Materialzusammensetzung usw.
In wiederum bevorzugter Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass in einer senkrecht zur Vorschubrichtung der Laserstrahlen verlaufenden Richtung wenigstens an einer Stelle der mxn Matrix kein Laserstrahl vorgesehen ist, und dass die Anordnung der Laserstahlen symmetrisch zu einer in Vorschubrichtung der Laserstrahlen verlaufenden Symmetrieachse ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Figurenliste

1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Bauteils und
2 bis 5 jeweils in einer Schnittdarstellung den Einwirkbereich von Laserstrahlen auf ein Pulverbett bei unterschiedlich ausgebildeten Anordnungen der Laserstrahlen.

Ausführungsformen der Erfindung
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der 1 ist stark vereinfacht eine Vorrichtung 100 zum generativen Herstellen eines Bauteils 1 dargestellt. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Strahlungsquelle 10, insbesondere in Form einer Laserstrahlquelle 11, die beispielsweise dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl 2 mit einer Wellenlänge von 1064nm zu erzeugen. Der Laserstrahl 2 wird mittels eines oder mehrerer, im Einzelnen nicht dargestellter, weil an sich bekannten optischen Elementen 12 bearbeitet und in Richtung des zu erzeugenden Bauteils 1 gelenkt. Im Strahlengang des Laserstrahls 2 ist darüber hinaus ein Strahlformungselement in Form eines SLM-Elements 20 (Spatial Light Modulator) angeordnet, das dazu dient, den Laserstrahl 2 zu formen und in mehrere Teilstrahlen 2a aufzuteilen.
Ergänzend wird erwähnt, dass eine Umwandlung/Erzeugung mehrerer Teilstrahlen 2a auch durch ein (nicht dargestelltes) Laserdioden-Array oder eine Laserstrahlmodulation durch ein diffraktives optisches Element erfolgen kann.
Die Teilstrahlen 2a werden im Bereich eines Produktaufbaubehälters 22 auf darin angeordnetes pulverförmiges Material 25 in Form eines Pulverbetts 24 geleitet. Das Material 25 des Pulverbetts 24 bzw. das Material 25, aus dem das Bauteil 1 gebildet wird, umfasst als Hauptkomponente Nickel und als prozentual wichtigste Nebenkomponente Chrom. Zusätzlich kann wenigstens eines der zusätzlichen Elemente aus der Gruppe Eisen, Molybdän, Niob, Kobalt, Mangan, Kupfer, Aluminium, Titan, Silizium, Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor oder Bor vorgesehen sein. Insbesondere kann es sich bei der Materialzusammensetzung gemäß der Legierungen Inconel® 625 oder Inconel® 718 handeln.
Die Ausbildung des Bauteils 1 aus dem Material 25 erfolgt beispielsweise durch lagenweises selektives Aufschmelzen und anschließendes Erstarren des Materials 25.
Zur Verbesserung des Gefüges des Materials 25 des erstarrten Bauteils 1, insbesondere zur Vermeidung von Heißrissen im Material 25 des Bauteils 1, werden die Teilstrahlen 2a im Bereich des Pulverbetts 24 auf spezielle Art und Weise angeordnet bzw. relativ zu dem Pulverbett 24 geführt. Hierzu findet zwischen dem Pulverbett 24 und den Teilstrahlen 2a in einer Vorschubrichtung VR in der Ebene der x- und y-Achse bzw. des Pulverbetts 24 eine Relativbewegung statt, beispielsweise durch optische Elemente, die die Teilstrahlen 2a entlang des Pulverbetts 24 ablenken, oder aber durch einen beweglich angeordneten Produktaufbaubehälter 22 (nicht dargestellt). Ziel der speziellen Anordnung der Teilstrahlen 2a ist es, den Temperaturgradienten, d.h. den zeitlichen Verlauf des Erwärmens und Abkühlens des Materials 25 während der Ausbildung des Bauteils 1 zu verringern, um die angesprochene Neigung des Materials 25 zur Heißrissneigung zu reduzieren. Insbesondere findet dabei in Vorschubrichtung VR vor dem Aufschmelzbereich des Materials 25 angeordneten Vorlaufbereich und/oder einem hinter dem Aufschmelzbereich angeordneten Nachlaufbereich durch die Teilstrahlen 2a eine Erwärmung des Materials 25 derart statt, dass dort das Material 25 auf eine Temperatur unterhalb seiner Schmelztemperatur T erwärmt wird.
Insbesondere besteht die Anordnung der Teilstrahlen 2a in einer mxn Matrix 30, bei denen die einzelnen Teilstrahlen 2a jeweils einen runden Querschnitt mit derselben Fläche aufweisen und lediglich geringe Freiräume 28 zwischen den einzelnen Teilstrahlen 2a bezüglich der einzelnen Stellen der mxn Matrix 30 auftreten.
In der 2 ist eine erste, in Form einer 3x3-Matrix 30 ausgebildete Anordnung von insgesamt neun Teilstrahlen 2a dargestellt. Insbesondere sind die Teilstrahlen 2a symmetrisch zu einer parallel zur Vorschubrichtung VR angeordneten Symmetrieachse 29 angeordnet.
Auch bei der Anordnung von drei Teilstrahlen 2a entsprechend der 3 sind diese ebenfalls symmetrisch zur Symmetrieachse 29 angeordnet, wobei in einer in Vorschubrichtung VR betrachtet vorderen, senkrecht zur Vorschubrichtung VR verlaufenden Richtung lediglich die beiden äußeren Positionen der 3x3-Matrix 30 durch Teilstrahlen 2a ausgefüllt sind, in einer in Vorschubrichtung VR nachfolgenden Zeile kein Teilstrahl 2a vorgesehen ist und in der in Vorschubrichtung VR letzten Zeile lediglich ein Teilstrahl 2a.
In der 4 ist am Beispiel einer 5x3-Matrix 30 eine pfeilförmige Anordnung von insgesamt fünf Teilstrahlen 2a dargestellt, die ebenfalls symmetrisch zur Symmetrieachse 29 angeordnet ist.
Zuletzt ist in der 5 eine Anordnung entsprechend der Darstellung der 2 dargestellt, wobei die dort gezeigte 3x6-Matrix 30 mit Teilstrahlen 2a sich in Vorschubrichtung VR über einen größeren Bereich erstreckt, als dies bei der Anordnung gemäß der 2 der Fall ist. Somit ist die Leistungsdichte (gleiche Gesamtleistung der Teilstrahlen 2a vorausgesetzt) bei der Anordnung gemäß der 5 geringer als bei der 2.
Ergänzend wird erläutert, dass anhand der in den 2 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele eine Formung bzw. Abordnung der Teilstrahlen 2a anhand einer Ebene im Pulverbett 24 erläutert wurde, wie dies typischerweise bei einem schichtweisen Aufbau des Bauteils 1 in dem Produktaufbaubehälter 22 in Richtung der x- und y-Achse der Fall ist. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, eine derartige Anordnung/Modulation der Teilstrahlen 2a zur Leistungsdichteverteilung auch in Richtung der z-Achse vorzunehmen, d.h. in Richtung der Teilstrahlen 2a.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016213420 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1), insbesondere zum generativen Herstellen eines Bauteils (1), bei dem mehrere, mittels wenigstens einer Laserstrahlquelle (11) erzeugte Laserstrahlen (2a) relativ zu einem aufzuschmelzenden Bereich, insbesondere zu einem aufzuschmelzenden Bereich eines Pulverbetts (24), in einer Vorschubrichtung (VR) bewegt werden, wobei das Material (25), insbesondere das Material (25) des Pulverbetts (24), durch die Laserstrahlen (2a) selektiv aufgeschmolzen wird und nach dem Erstarren des Materials (25) das Bauteil (1) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass als Material (25) für das Bauteil (1) Nickel als Hauptkomponente und Chrom als prozentual wichtigste Nebenkomponente verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (25) zusätzlich wenigstens ein Element aus der Gruppe der Elemente Eisen, Molybdän, Niob, Kobalt, Mangan, Kupfer, Aluminium, Titan, Silizium, Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor oder Bor enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichteverteilung der Laserstrahlen (2a) durch ein Laserdioden-Array, eine Laserstrahlmodulation oder ein optisches Element (20) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen (2a) jeweils eine homogene Leistungsdichte mit einem vorzugsweise runden Querschnitt aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen (2a) in Vorschubrichtung (VR) und in einer quer zur Vorschubrichtung (VR) verlaufenden Richtung eine mxn Matrix (30) ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen (2a) alle Stellen der mxn Matrix (30) ausfüllen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen (2a) die Stellen der mxn Matrix (30) lediglich teilweise ausfüllen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer senkrecht zur Vorschubrichtung (VR) der Laserstrahlen (2a) verlaufenden Richtung wenigstens an eine Stelle der mxn Matrix (30) kein Laserstrahl (2a) vorgesehen ist, und dass die Anordnung der Laserstrahlen (2a) symmetrisch zu einer in Vorschubrichtung (VR) der Laserstrahlen (2a) verlaufenden Symmetrieachse (29) ist.