DE102020204003A1

DE102020204003A1 - Verfahren und Vorrichtung zur generativen Fertigung durch pulverbettbasiertes Strahlschmelzen

Info

Publication number: DE102020204003A1
Application number: DE102020204003.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Vogelpoth; Christian Tenbrock; Tim Lantzsch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2021-09-30

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur generativen Fertigung durch pulverbettbasiertes Strahlschmelzen wird ein pulverförmiger Werkstoff entsprechend einer vorgegebenen Bauteilgeometrie schichtweise mit wenigstens einem ersten energetischen Strahl umgeschmolzen, der über entsprechend der Bauteilgeometrie lokal umzuschmelzende Bereiche der jeweiligen Werkstoffschicht geführt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die lokal umzuschmelzenden Bereiche der jeweiligen Werkstoffschicht vor dem Umschmelzen durch den wenigstens einen ersten energetischen Strahl mit wenigstens einem zweiten energetischen Strahl vorgewärmt werden, der nur über die lokal umzuschmelzenden Bereiche der jeweiligen Werkstoffschicht geführt wird. Durch das vorgeschlagene Verfahren wird eine defektfreie Verarbeitung rissanfälliger Werkstoff ermöglicht, wobei die in der jeweiligen Bearbeitungsebene erzeugbare Vorwärmtemperatur werkstoff-, geometrie- und bauhöhenunabhängig ist.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines oder mehrerer Bauteile durch pulverbettbasiertes Strahlschmelzen, bei dem ein pulverförmiger Werkstoff entsprechend einer vorgegebenen Bauteilgeometrie schichtweise mit wenigstens einem ersten energetischen Strahl umgeschmolzen wird, der über entsprechend der Bauteilgeometrie lokal umzuschmelzende Bereiche der jeweiligen Werkstoffschicht geführt wird.
Bei pulverbettbasierten Strahlschmelzverfahren wie z. B. dem selektiven Laserstrahlschmelzen, auch als LPBF (Laser Powder Bed Fusion) bezeichnet, werden die Bauteile additiv direkt aus 3D-CAD-Modellen gefertigt. In einem sich wiederholenden Prozess wird eine dünne Pulverschicht von typisch unter 100 µm Dicke mittels Schieber auf einer Grundplatte aufgetragen und in einem nächsten Schritt mit Laserstrahlung selektiv entsprechend den Geometrieinformationen aus dem 3D-CAD-Modell geschmolzen. Dieser Kreislaufprozess erlaubt die Herstellung dreidimensionaler Bauteile mit geringen Einschränkungen bezüglich der konstruktiven Komplexität. Das Verdichten des Bauteils beruht auf einem vollständigen Schmelzen des häufig metallischen Werkstoffpulvers und zumindest teilweise der vorangegangenen Schicht. Dadurch werden Bauteildichten bis zu 100 % und mit konventionellen Fertigungsverfahren vergleichbare mechanische Eigenschaften der gefertigten Bauteile erreicht.
So werden bspw. bei lasttragenden Komponenten im Turbomaschinenbau γ'-verstärkte Nickelbasis-Superlegierungen oder intermetallische Legierungen eingesetzt, da diese Werkstoffe eine hohe Verschleißbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen aufweisen. Nachteilig ist allerdings die geringe Duktilität dieser Werkstoffe, aufgrund derer sie als schwer schweißbar eingestuft werden. Infolge der hohen Abkühlraten von 10⁴ bis 10⁶ K/s während des LPBF-Prozesses werden Eigenspannungen induziert, welche lokal die Duktilität des Materials überschreiten und zur Rissbildung während der Verarbeitung bzw. bei der anschließenden Wärmenachbehandlung führen. Diese Spannungen führen auch bei rissfreier Verarbeitung zu einem signifikanten Bauteilverzug. Analog zu konventionellen Schweißprozessen kann auch beim selektiven Laserstrahlschmelzen eine Vorwärmung eingesetzt werden, um die Rissneigung und den Verzug zu reduzieren. Durch eine geeignete Vorwärmung können im Bauteil sowohl ein prozessbegleitendes Spannungsarmglühen realisiert als auch die werkstoffspezifischen Ursachen für die Rissbildung verringert werden. Die für den Eintritt dieser Effekte durch die Vorwärmung zu erreichende Grenztemperatur ist dabei werkstoffabhängig.
Stand der Technik
Aus der DE 101 04 732 C1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum selektiven Laserstrahlschmelzen von metallischen Werkstoffen bekannt, bei denen eine Vorwärmung des Werkstoffes über die Grundplatte erfolgt, in die zu diesem Zweck Heizdrähte integriert sind oder die induktiv aufgeheizt wird. Bei einem derartigen Prozess wird die Temperatur im Bauteil durch zwei Wärmequellen bestimmt. Zum einen von unten durch den Kontakt mit der beheizten Grundplatte und zum anderen von oben durch den selektiv umschmelzenden Laserstrahl. Nach Ende der Belichtung homogenisiert die Temperatur unter Berücksichtigung des Wärmeverlusts durch Kontakt des bereits gefertigten Bauteilbereichs mit dem Pulverbett und der jeweils neu aufgebrachten Pulverschicht sowie des Wärmeverlusts durch Konvektion und Strahlung. Durch diese Wärmeverluste nimmt die Temperatur in der Bearbeitungsebene mit zunehmender Bauhöhe des zu fertigenden Bauteils ab. Die Größe der Wärmeverluste ist dabei auch abhängig von der thermischen Leitfähigkeit des verwendeten Werkstoffs und dem Wärmeleitungsquerschnitt der zu fertigenden Bauteilgeometrie. So kann es gerade bei dünnwandigen Bauteilen und Hochtemperatur-Werkstoffen mit geringer thermischer Leitfähigkeit (z. B. Inconel 738 mit 11,8 W/mK bei ca. 200°C) zu einer signifikanten Abweichung der Temperatur in der Bearbeitungsebene von der erforderlichen Vorwärmtemperatur kommen. Wesentlicher Nachteil der Vorwärmung über die Grund- oder Substratplatte ist damit die Werkstoff- und Geometrieabhängigkeit der Temperatur in der Bearbeitungsebene. Damit eine werkstoffspezifische Grenztemperatur (T_Grenz) , z.B. 1150°C zur Verarbeitung von MAR-M 247, in der Bearbeitungsebene nicht unterschritten wird, muss die Temperatur der Grundplatte während des LPBF-Prozesses erhöht werden, wie dies beispielhaft aus 1 ersichtlich ist (LPBF GPV geregelt). Allerdings steigen damit die Grundplattentemperatur und die Temperatur in den zuvor aufgebauten Schichten im Verlauf des LPBF-Prozesses über die eigentlich erforderliche Temperatur. Die zulässige Temperatur (T_Limit) in der Grundplatte und den zuvor aufgebauten Schichten ist durch deren Schmelztemperatur und die Sintertemperatur des Pulvers begrenzt. Bei Versintern des Pulvers kann der LPBF-Prozess nicht fortgesetzt werden und es kommt zum Prozessabbruch. Somit ist letztendlich auch die zu fertigende Bauteilhöhe bei Verwendung einer Vorwärmung über die Grundplatte begrenzt.
1 zeigt hierzu schematisch den abgeschätzten Temperaturverlauf in einem vorgewärmten LPBF-Prozess über die Bauteilhöhe z und über die Prozessdauer t für zwei exemplarische Bauteilebenen A und B. Dargestellt sind die Konzepte einer Grundplattenvorheizung mit einer konstanten Grundplattentemperatur (GPV konstant), einer auf Erreichen der erforderlichen Grenztemperatur in der Bearbeitungsebene geregelten Grundplattenvorheizung (GPV geregelt) und einer ebenfalls möglichen Vorwärmung der Bearbeitungsebene durch Bestrahlung mit einem oder mehreren Vertical Cavity Surface Emitting Lasern oder Infrarotstrahlern (VCSEL/IR). Weiterhin ist auch die Erwärmung für den Prozess des Elektronenstrahlschmelzens (ePBF) dargestellt, bei dem eine ähnliche Problematik wie beim LPBF auftritt. Allerdings ist auftretende Abkühlung aufgrund der fehlenden Konvektion geringer als beim LPBF.
Um eine bauhöhenunabhängige Vorwärmung im LPBF-Prozess realisieren zu können, wurde schon eine direkte Vorwärmung der Bearbeitungsebene durch Bestrahlung mit Vertical Cavity Surface Emitting Lasern (VCSEL) oder mit Infrarotstrahlern vorgeschlagen, bei der jeweils das Pulverbett auf der gesamten Fläche oder auf Teilflächen jeweils konstanter Ausdehnung bestrahlt und damit vorgewärmt wird. Hierbei besteht jedoch die Gefahr, dass es in Bereichen des Pulverbettes außerhalb der Bauteile aufgrund der höheren Absorption der Strahlung im Pulver und der signifikant geringeren Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu umgeschmolzenem Material zu höheren Temperaturen und damit zu unkontrollierter Pulveralterung sowie dem Versintern und Anschmelzen von Pulverpartikeln kommen kann.
Ein mit dem LPBF vergleichbares Verfahren ist das pulverbettbasierte Elektronenstrahlschmelzen (ePBF). Durch den Elektronenstrahl werden die Pulverpartikel statisch aufgeladen, so dass sie sich gegenseitig abstoßen und kein homogenes Pulverbett mehr bilden können. Um dies zu verhindern, wird jede neue Pulverschicht daher zunächst durch den Elektronenstrahl so belichtet und vorgewärmt, dass die Schicht versintert. Durch die trägheitsfreie Ablenkung des Elektronenstrahls können Scangeschwindigkeiten von mehreren Metern pro Sekunde erreicht werden, wodurch trotz des begrenzten Strahldurchmessers des Elektronenstrahls ein Vorwärmen jeder Schicht auf die erforderliche Grenztemperatur möglich wird. Aktuell verfügbare ePBF-Maschinen sind so ausgelegt, dass die eingebrachte und vom Pulver abgeleitete Wärme den gesamten Bauraum erwärmt. Dadurch wird angenommen, dass die bereits aufgebauten Schichten im Verlauf des Prozesses weniger stark abkühlen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur generativen Fertigung durch pulverbettbasiertes Strahlschmelzen anzugeben, mit denen eine Vorwärmung auf eine von der Bauteilhöhe unabhängige Vorwärmtemperatur in der jeweiligen Bearbeitungsebene ohne Gefahr einer Versinterung von nicht umzuschmelzenden Bereichen des Pulverbettes ermöglicht wird.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein pulverförmiger Werkstoff in bekannter Weise entsprechend einer vorgegebenen Bauteilgeometrie schichtweise mit wenigstens einem ersten energetischen Strahl umgeschmolzen, der über entsprechend der Bauteilgeometrie einen oder mehrere lokal umzuschmelzende Bereiche der jeweiligen Werkstoffschicht geführt wird und diese umschmilzt. Der erste energetische Strahl wird im Folgenden daher auch als Umschmelzstrahl bezeichnet. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der oder die lokal umzuschmelzenden Bereiche der jeweiligen Werkstoffschicht vor dem Umschmelzen durch den wenigstens einen Umschmelzstrahl mit wenigstens einem zweiten energetischen Strahl vorgewärmt werden, der zur Vorwärmung ausschließlich über den oder die lokal umzuschmelzenden Bereiche der jeweiligen Werkstoffschicht geführt wird. Durch diesen zusätzlichen Belichtungsschritt mit dem zweiten energetischen Strahl, im Folgenden auch als Vorwärmstrahl bezeichnet, wird somit jeweils nur der umzuschmelzende Bereich bzw. das darunter befindliche Bauteil und durch Wärmeleitung nur unmittelbar umliegendes Pulver erwärmt. Die Erwärmung ist unabhängig von der Bauteilhöhe und der Fläche der Bauteile. Es besteht keine Gefahr einer unerwünschten Versinterung oder eines unerwünschten Umschmelzens von Pulverbereichen außerhalb der umzuschmelzenden Bauteilgeometrie. Die in der Bearbeitungsebene im Bauteil vorherrschende Vorwärmtemperatur ist bei diesem Verfahren somit werkstoff-, geometrie- und letztendlich bauhöhenunabhängig. Das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ermöglichen die defektfreie Verarbeitung rissanfälliger Werkstoffe, insbesondere mittels LPBF, bspw. von Komponenten aus temperaturbeständigen Nickelbasis-Superlegierungen. Die fertigbare Bauteilgröße ist dabei nicht mehr durch das Vorwärmkonzept beschränkt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt die Vorwärmung zusätzlich auch über eine Beheizung der Substrat- oder Grundplatte, auf der das Bauteil aufgebaut wird, oder über einen beheizten Bauzylinder. Die Belichtung der jeweiligen Werkstoffschicht mit dem wenigstens einen zweiten energetischen Strahl erfolgt dann derart, dass durch diese Belichtung genügend Energie in das Bauteil eingebracht wird, um die bauhöhenabhängigen Wärmeverluste der Aufwärmung durch die Grundplatte zu kompensieren und eine homogene Temperaturverteilung in den umzuschmelzenden Bereichen zu erreichen.
Für die Führung des wenigstens einen Vorwärmstrahls wird beim vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise eine separate Strahlführungs- bzw. Strahlablenkungseinrichtung eingesetzt, also nicht die für den Umschmelzstrahl erforderliche Strahlführungs- bzw. Strahlablenkungseinrichtung. Auf diese Weise ist eine hohe Flexibilität und Qualität bei der Vorwärmung möglich. Beim Einsatz mehrerer Vorwärmstrahlen werden entsprechend auch mehrere separate Strahlführungs- bzw. Strahlablenkungseinrichtungen für diese Strahlen eingesetzt.
Die Vorwärmung mit dem wenigstens einen Vorwärmstrahl wird vorzugsweise so gesteuert, dass in den lokal umzuschmelzenden Bereichen der jeweiligen Werkstoffschicht eine möglichst homogene Temperaturverteilung erreicht wird. Die hierfür erforderlichen Parameter, insbesondere Scangeschwindigkeit und Strahlleistung des Vorwärmstrahls - bei gegebenem Strahldurchmesser in der Bearbeitungsebene - können bspw. vorab über eine Simulation ermittelt werden. Auch eine Temperaturüberwachung während des Vorwärmprozesses, bevorzugt über ein berührungsloses Temperaturmessverfahren, bspw. mittels einer Thermokamera, ist möglich.
Der Vorwärmschritt sollte einen möglichst kurzen Zeitraum beanspruchen, um die Wirtschaftlichkeit des Fertigungsprozesses im industriellen Umfeld nicht zu verringern. Hierzu wird der wenigstens eine Vorwärmstrahl vorzugsweise mit einem größeren Strahldurchmesser (in der Bearbeitungsebene) über die umzuschmelzenden Bereiche geführt als der wenigstens eine Umschmelzstrahl. Weiterhin wird der Vorwärmstrahl bevorzugt mit einer deutlich höheren Scangeschwindigkeit über die jeweils umzuschmelzenden Bereiche geführt als der erste Umschmelzstrahl. Beide Maßnahmen haben den Vorteil, dass damit ohne ein Umschmelzen des Werkstoffes ausreichend Strahlleistung zum Vorwärmen eingebracht werden kann, um je nach Ausgestaltung mit oder ohne Beheizung der Grundplatte ggf. die Wärmeverluste je Schicht auszugleichen und eine homogene Temperaturverteilung in der Bearbeitungsebene auf dem gewünschten Temperaturniveau (bei oder oberhalb der Grenztemperatur) zu ermöglichen.
Zur Erhöhung der Geschwindigkeit beim Vorwärmschritt, also zur Verkürzung des Zeitraums für die Vorwärmung, können auch mehrere Vorwärmstrahlen gleichzeitig eingesetzt werden, die über mehrere zweite Strahlführungseinrichtungen über die lokal umzuschmelzenden Bereiche geführt werden. Jeder dieser Vorwärmstrahlen deckt dabei vorzugsweise einen anderen Teilbereich innerhalb des jeweils umzuschmelzenden Bereiches jeder Werkstoffschicht ab. Eine weitere Möglichkeit der Verkürzung des Vorwärmprozesses besteht bei Nutzung von Laserstrahlen zum Vorwärmen im Einsatz einer oder mehrerer hybrider Strahlführungseinrichtungen, die durch eine Kombination eines Galvanoscanners mit einem Polygonscanner gebildet sind. Durch die Nutzung eines Polygonscanners für die Strahlablenkung in einer Richtung können sehr große Scangeschwindigkeiten von >> 100 m/s in dieser Richtung erreicht werden. Die Ablenkung in der dazu senkrechten Richtung erfolgt dann über den Galvanoscanner.
Beim vorgeschlagenen Verfahren wird der Vorwärmschritt vorzugsweise so durchgeführt, dass die umzuschmelzenden Bereiche der jeweiligen Werkstoffschicht zunächst vollständig mit dem einen oder den mehreren Vorwärmstrahlen auf das gewünschte Temperaturniveau vorgewärmt werden und erst dann im anschließenden Bearbeitungsschritt mit dem einen oder den mehreren Umschmelzstrahlen umgeschmolzen werden. Dabei handelt sich somit um einen zweistufigen Prozess, bei dem zunächst ein Abscannen des gesamten umzuschmelzenden Bereiches mit dem Vorwärmstrahl erfolgt und nach diesem Vorwärmschritt erst die Bearbeitung mit dem Umschmelzstrahl. Es ist aber auch eine Ausgestaltung möglich, bei der mit der Bearbeitung in bereits vorgewärmten Teilbereichen schon begonnen wird, bevor der gesamte umzuschmelzende Bereich mit dem Vorwärmstrahl abgetastet bzw. vorgewärmt wurde.
Als energetische Strahlen werden beim vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung vorzugsweise Laserstrahlen im Rahmen eines LPBF-Prozesses eingesetzt. Das Verfahren und die Vorrichtung lassen sich jedoch in gleicher Weise auch für eine generative Fertigung mit anderen energetischen Strahlen einsetzen, bspw. mit Elektronenstrahlen oder Ionenstrahlen.
Die für die Durchführung des Verfahrens ausgebildete Vorrichtung weist ein Aufbauvolumen mit einer in der Höhe verschiebbaren Bauplattform, eine Nivelliereinrichtung zur Verteilung von Werkstoffpulver als Schicht konstanter Dicke in einer Bearbeitungsebene über der Bauplattform, wenigstens zwei Strahlführungseinrichtungen sowie eine oder mehrere Strahlerzeugungseinrichtungen auf, insbesondere Lasersysteme, mit denen wenigstens ein erster energetischer Strahl als Umschmelzstrahl und wenigstens ein zweiter energetischer Strahl als Vorwärmstrahl erzeugt und mit den Strahlführungseinrichtungen über einen oder mehrere umzuschmelzende bzw. vorzuwärmende Bereiche in der Bearbeitungsebene geführt werden können. Die Vorrichtung weist auch eine Steuerung auf, die so ausgebildet ist, dass sie die Strahlerzeugungseinrichtung(en) und Strahlführungseinrichtungen zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens, ggf. in einer oder mehreren der vorangehend erläuterten bevorzugten Ausgestaltungen, ansteuern kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist zusätzlich eine durch die Steuerung ansteuerbare Heizeinrichtung vorgesehen, mit der eine auf der Bauplattform angeordnete Substratplatte oder die Bauplattform selbst beheizt werden kann, bspw. durch integrierte Heizelemente oder mittels Induktionsheizung.
Figurenliste
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung des abgeschätzten Temperaturverlaufs bei unterschiedlichen Methoden der Vorwärmung gemäß dem Stand der Technik;
2 ein erstes Beispiel eines Teils der vorgeschlagenen Vorrichtung; und
3 ein zweites Beispiel eines Teils der vorgeschlagenen Vorrichtung.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Die bei der Vorwärmung gemäß dem Stand der Technik auftretenden Probleme wurden in Verbindung mit 1 bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert. Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung erfolgt eine Vorwärmung allein oder zusätzlich zu einer Vorwärmung über die Grundplatte mit wenigstens einem zusätzlichen energetischen Strahl, der nur über die lokal umzuschmelzenden Bereiche der jeweiligen Werkstoffschicht geführt wird.
In den folgenden beiden Beispielen wird dies jeweils anhand des Laserstrahlschmelzens (LPBF) mit einem ersten Laserstrahl als umschmelzender Laserstrahl (Umschmelzstrahl) und einem zweiten Laserstrahl als vorwärmender Laserstrahl (Vorwärmstrahl) in Verbindung mit den 2 und 3 beschrieben. Diese Figuren zeigen jeweils die Belichtungseinrichtungen und das Aufbauvolumen mit der Bauplattform, auf dem das oder die Bauteile aufgebaut werden, nur stark schematisiert. Die Prozesskammer und andere Komponenten einer derartigen Vorrichtung sind in diesen Figuren nicht erkennbar, da sie wie beim bekannten Stand der Technik, bspw. wie in der DE 196 49 865 C1 oder in der DE 101 04 732 C1 , ausgestaltet sein können. In beiden Figuren ist hierzu lediglich das Aufbauvolumen 1 mit dem Werkstoffpulver über der Bauplattform stark schematisiert dargestellt, auf der die jeweiligen Werkstoffschichten schichtweise übereinander aufgebracht und selektiv belichtet werden.
In 2 erfolgt die Bearbeitung bzw. das Umschmelzen des pulverförmigen Werkstoffes mit einem ersten Laser 3, der über eine dynamische Fokussiereinheit 4 und einen Galvanoscanner 5 auf die Bearbeitungsebene gerichtet und über die Bearbeitungsebene geführt wird. Dies ist in der 2 durch den Pfeil am umschmelzenden Laserstrahl 6 dargestellt. Der Scanprozess erfolgt dabei mit einer Geschwindigkeit v_S1. Die dargestellte Vorrichtung umfasst auch einen zweiten Laser 7, dessen Laserstrahl über eine dynamische Fokussiereinheit 8 und einen zweiten Galvanoscanner 9 ebenfalls auf die Bearbeitungsebene gerichtet und über diese Bearbeitungsebene geführt wird. Dies ist in 2 mit dem Pfeil am vorwärmenden Laserstrahl 10 angedeutet. Die in jeder Werkstoffschicht zu belichtenden bzw. umzuschmelzenden Bereiche 2 werden hierbei mit diesem vorwärmenden Laserstrahl 10 mit der Scangeschwindigkeit v_S2 abtastet und auf die gewünschte Temperatur vorgewärmt. Anschließend werden diese Bereiche dann mit dem umschmelzenden Laserstrahl 6 zur Fertigung der Bauteile umgeschmolzen. Bei den beiden Galvanoscannern 5, 9 kann es sich um kommerzielle Systeme mit moderaten Scangeschwindigkeiten v_Si handeln. Die Scangeschwindigkeiten für die beiden Laserstrahlen 6, 10 werden dabei so gewählt, dass v_S2 > v_S1, um die Zeitdauer für den Vorwärmprozess möglichst gering zu halten. Beide Laserabtasteinrichtungen verfügen jeweils über eine dynamische Fokussiereinheit 4, 8, über die der Strahldurchmesser in der Bearbeitungsebene unabhängig vom Ablenkwinkel durch die Scanner konstant gehalten werden kann.
Um die Prozesszeit für die Vorwärmung möglichst gering zu halten, wird für den vorwärmenden Laserstrahl 10 ein deutlich größerer Strahldurchmesser in der Bearbeitungsebene gewählt als für den umschmelzenden Laserstrahl 6. Dies ist im unteren Teil der 2 zu erkennen, die den Laserspot 12 für den umschmelzenden Laserstrahl und den Laserspot 14 für den vorwärmenden Laserstrahl 10 in der Bearbeitungsebene (Draufsicht auf das Aufbauvolumen 1) andeutet. Der umzuschmelzende Bereich 2 ist in diesem Beispiel ebenso wie ein Teil der Scanpfade 11 für den umschmelzenden Laserstrahl 6 und 13 für den vorwärmenden Laserstrahl 10 angedeutet.
Die Prozesszeit für die Vorwärmung kann noch dadurch weiter reduziert werden, dass mehrere vorwärmende Laserstrahlen 10 mit entsprechenden Galvanoscannern 9 gleichzeitig über unterschiedliche Teilbereiche des umzuschmelzenden Bereiches 2 der jeweiligen Werkstoffschicht geführt werden. Die Anzahl der jeweils eingesetzten vorwärmenden Laserstrahlen 10 ist abhängig von der maximal zu belichtenden Fläche, der maximalen Geschwindigkeit der Scanner sowie der beabsichtigten Prozesszeit für die Vorwärmung.
Folgende Parametersätze für ein solches Set-Up mit einem vorwärmenden und einem umschmelzenden Strahl können beispielhaft angegeben werden:

Umschmelzender Strahl

Laserleistung P_L,_S = 200 W

Scangeschwindigkeit v_s,_s = 1000 mm/s

Strahldurchmesser d_s,_s Schmelz = 100 µm

Spurabstand Δy_s,_s = 80 µm

Vorwärmender Strahl

Laserleistung P_L,_V = 700 W

Scangeschwindigkeit V_S,_V = 10000 mm/s

Strahldurchmesser ds,v = 250 µm

Spurabstand Δy_s,_v = 250 µm
In einer alternativen Ausgestaltung kann für die Führung des vorwärmenden Strahls 10 auch ein Hybrid-Scanner-System 17 bestehend aus einem Galvanoscanner 18 und einem Polygonscanner 19 eingesetzt werden, um die lokale Vorwärmung bei größeren Scangeschwindigkeiten realisieren zu können. Dies ist schematisch in 3 angedeutet. Diese Figur zeigt wiederum den ersten Laser 3 mit der dynamischen Fokussiereinheit 4 und dem Galvanoscanner 5, über den der umschmelzende Laserstrahl 6 mit der Scangeschwindigkeit v_S1, über die Bearbeitungsebene geführt wird. Der vorwärmende Laserstrahl 10 des zweiten Lasers 7 wird in dieser Ausgestaltung über den Hybrid-Scanner 17 über die Bearbeitungsebene geführt. Während bei Galvanometerscannern die Strahlablenkung über, in einem gewissen Winkelbereich drehbare, Spiegel erfolgt, nutzt der Polygonscanner 19 ein 360° rotierendes Spiegelpolygon.
Das Spiegelpolygon kann mit einer großen Rotationsgeschwindigkeit betrieben werden, wodurch sehr große Scangeschwindigkeiten v_HS von » 100 m/s in der Bearbeitungsebene erzeugt werden können, allerdings nur in einer Raumrichtung. Bei kommerziell verfügbaren Polygonscannern muss für eine zweidimensionale Bearbeitung das Werkstück unter dem Scanner hindurch bewegt werden. Diese zweite Achse wird im vorliegenden Hybrid-Scanner-Ansatz durch den nachgeschalteten Galvanoscanner 18 realisiert. Um bei den hohen Geschwindigkeiten aufgrund des Polygonscanners 19 eine geometrieangepasste Belichtung zu ermöglichen, muss der Laserstrahl des zweiten Lasers 7 über einen akustooptischen-Modulator (AOM) 15 geschaltet werden. Die Fokussierung erfolgt hierbei über eine statische Fokussiereinheit 16, bspw. eine F-Theta-Linse. Im unteren Teil der 3 sind wiederum schematisch die Scanbahnen 11 des umschmelzenden Laserstrahls 6 sowie des vorwärmenden Laserstrahls 10 wie bei 2 schematisch angedeutet. Das Gleiche gilt für die unterschiedlichen großen Laserspots 12, 14 in der Bearbeitungsebene.
Bezugszeichenliste

1: Aufbauvolumen mit Werkstoffpulver
2: umzuschmelzender Bereich
3: erster Laser
4: dynamische Fokussiereinheit
5: Galvanoscanner
6: umschmelzender Laserstrahl
7: zweiter Laser
8: dynamische Fokussiereinheit
9: Galvanoscanner
10: vorwärmender Laserstrahl
11: Scanpfad des umschmelzenden Laserstrahls
12: Laserspot des umschmelzenden Laserstrahls
13: Scanpfad des vorwärmenden Laserstrahls
14: Laserspot des vorwärmenden Laserstrahls
15: akusto-optischer Modulator
16: statische Fokussiereinheit
17: Hybrid-Scanner
18: Galvanoscanner
19: Polygonscanner

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10104732 C1 [0004, 0021]
DE 19649865 C1 [0021]

Claims

Verfahren zur generativen Fertigung eines oder mehrerer Bauteile durch pulverbettbasiertes Strahlschmelzen, bei dem ein pulverförmiger Werkstoff entsprechend einer vorgegebenen Bauteilgeometrie schichtweise mit wenigstens einem ersten energetischen Strahl (6) umgeschmolzen wird, der über entsprechend der Bauteilgeometrie einen oder mehrere lokal umzuschmelzende Bereiche (2) der jeweiligen Werkstoffschicht geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren lokal umzuschmelzenden Bereiche (2) der jeweiligen Werkstoffschicht vor dem Umschmelzen durch den wenigstens einen ersten energetischen (6) Strahl mit wenigstens einem zweiten energetischen Strahl (10) vorgewärmt werden, der nur über den einen oder die mehreren lokal umzuschmelzenden Bereiche (2) der jeweiligen Werkstoffschicht geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine erste energetische Strahl (6) mit einer ersten Strahlführungseinrichtung (5) und der wenigstens eine zweite energetische Strahl (10) mit einer zweiten Strahlführungseinrichtung (9, 17) über die lokal umzuschmelzenden Bereiche (2) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Vorwärmung des pulverförmigen Werkstoffes über eine beheizte Grundplatte erfolgt, über der das Bauteil oder die Bauteile aufgebaut werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmung mit dem wenigstens einen zweiten energetischen Strahl (10) so gesteuert wird, dass in den lokal umzuschmelzenden Bereichen (2) der jeweiligen Werkstoffschicht eine homogene Temperaturverteilung erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine zweite energetische Strahl (10) mit einem größeren Strahldurchmesser über die lokal umzuschmelzenden Bereiche (2) geführt wird als der wenigstens eine erste energetische Strahl (6).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmung mit mehreren zweiten energetischen Strahlen (10) erfolgt, die über mehrere zweite Strahlführungseinrichtungen (9, 17) gleichzeitig über die lokal umzuschmelzenden Bereiche (2) geführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine zweite energetische Strahl (10) mittels einer hybriden Strahlführungseinrichtung (17) aus Galvanoscanner (18) und Polygonscanner (19) über die lokal umzuschmelzenden Bereiche (2) geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur in den lokal umzuschmelzenden Bereichen (2) der jeweiligen Werkstoffschicht mit einer Temperaturmesseinrichtung, insbesondere mit einem berührungslosen Temperaturmessverfahren, zumindest während der Vorwärmung überwacht wird.
Vorrichtung zur generativen Fertigung eines oder mehrerer Bauteile durch pulverbettbasiertes Strahlschmelzen, die ein Aufbauvolumen (1) mit einer in der Höhe verschiebbaren Bauplattform, eine Nivelliereinrichtung zur Verteilung von Werkstoffpulver als Schicht konstanter Dicke in einer Bearbeitungsebene über der Bauplattform, wenigstens zwei Strahlführungseinrichtungen (5, 9, 17) sowie eine oder mehrere Strahlerzeugungseinrichtungen (3, 7) aufweist, mit denen wenigstens ein erster energetischer Strahl (6) als Umschmelzstrahl und wenigstens ein zweiter energetischer Strahl als Vorwärmstrahl (10) erzeugt und mit den Strahlführungseinrichtungen (5, 9, 17) über einen oder mehrere Bereiche in der Bearbeitungsebene geführt werden können, wobei die Vorrichtung eine Steuerung aufweist, die so ausgebildet ist, dass sie die Strahlerzeugungseinrichtung(en) (3, 7) und Strahlführungseinrichtungen (5, 9, 17) zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 ansteuern kann.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine durch die Steuerung ansteuerbare Heizeinrichtung aufweist, mit der eine auf der Bauplattform angeordnete Substratplatte oder die Bauplattform selbst beheizt werden kann.