DE102020209386A1 - Process for producing cavities in a layer-wise additively manufactured structure - Google Patents

Process for producing cavities in a layer-wise additively manufactured structure Download PDF

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Abstract

Wird ein Verfahren zum Herstellen von Hohlräumen (11) in einer schichtweise herzustellenden Struktur für ein Bauteil (11) angegeben. Das Verfahren umfasst das Bearbeiten von Material für die Struktur (10) während des schichtweisen Aufbaus der Struktur mit einem Ultrakurzpulslaser (B2), wobei Material abgetragen wird, um Hohlräume (11) gemäß einer vorbestimmten Geometrie in der Struktur herzustellen. Weiterhin werden ein entsprechend hergestelltes Bauteil sowie eine entsprechende Vorrichtung angegeben.A method for producing cavities (11) in a structure to be produced in layers for a component (11) is specified. The method comprises processing material for the structure (10) during the layer-by-layer construction of the structure with an ultrashort pulse laser (B2), removing material to produce cavities (11) according to a predetermined geometry in the structure. Furthermore, a correspondingly manufactured component and a corresponding device are specified.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Hohlräumen, Porosität oder Kühlkanälen in einer schichtweise bzw. additiv herzustellenden Struktur für ein Bauteil. Weiterhin werden ein entsprechend hergestelltes Bauteil und eine entsprechende Vorrichtung angegeben.The present invention relates to a method for producing cavities, porosity or cooling channels in a layered or additively produced structure for a component. Furthermore, a correspondingly manufactured component and a corresponding device are specified.

Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine, wie einer stationären Gasturbine, vorgesehen. Besonders bevorzugt betrifft die Bauteilstruktur eine Komponente einer Brennkammer wie ein Resonatorbauteil oder ein anderes heißgasbeaufschlagtes Teil. Alternativ kann es sich bei dem Bauteil um ein anderes kühlbares oder teilweise poröses Bauteil handeln, beispielsweise eines, das für den Einsatz in der Automobilität oder im Luftfahrtsektor Anwendung findet.The component is preferably intended for use in the hot gas path of a gas turbine, such as a stationary gas turbine. The component structure particularly preferably relates to a component of a combustion chamber, such as a resonator component or another part subjected to hot gas. Alternatively, the component may be another coolable or partially porous component, such as one used for automotive or aerospace applications.

Vorzugsweise ist das Bauteil eine zu kühlende Komponente, beispielsweise kühlbar über eine Fluidkühlung. Dazu weist das Bauteil vorzugsweise eine maßgeschneiderte Durchlässigkeit oder Permeabilität für ein entsprechendes Kühlfluid, beispielsweise Kühlluft, auf.The component is preferably a component to be cooled, for example it can be cooled via fluid cooling. For this purpose, the component preferably has a tailor-made permeability for a corresponding cooling fluid, for example cooling air.

Moderne Gasturbinen sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um ihre Effizienz zu steigern. Dies führt allerdings unter anderem zu immer höheren Temperaturen im Heißgaspfad. Die metallischen Materialien für Laufschaufeln, insbesondere in den ersten Stufen, werden ständig hinsichtlich ihrer Festigkeit bei hohen Temperaturen, Kriechbelastung und thermomechanischer Ermüdung, verbessert.Modern gas turbines are subject to constant improvement in order to increase their efficiency. However, this leads, among other things, to ever higher temperatures in the hot gas path. The metallic materials for rotor blades, especially in the first stages, are constantly being improved in terms of their strength at high temperatures, creep loading and thermomechanical fatigue.

Die generative oder additive Fertigung gewinnt aufgrund ihres für die Industrie disruptiven Potenzials zunehmend an Bedeutung für die Serienherstellung der oben genannten Turbinenkomponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten.Due to its disruptive potential for the industry, generative or additive manufacturing is becoming increasingly important for the series production of the turbine components mentioned above, such as turbine blades or burner components.

Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM).Additive manufacturing processes include, for example, selective laser melting (SLM) or laser sintering (SLS) or electron beam melting (EBM) as powder bed processes.

Weitere additive Verfahren sind beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED)“-Verfahren, insbesondere Laserauftragschweißen, Elektronenstrahl-, oder Plasma-Pulverschweißen, Drahtschweißen, metallischer Pulverspritzguss, sogenannte „sheet lamination“-Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS, GDCS).Other additive processes are, for example, "Directed Energy Deposition (DED)" processes, in particular laser deposition welding, electron beam or plasma powder welding, wire welding, metallic powder injection molding, so-called "sheet lamination" processes, or thermal spraying processes (VPS LPPS, GDCS).

Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additive manufacturing“) haben sich allgemein als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann.Additive manufacturing processes have generally proven to be particularly advantageous for complex or delicately designed components, for example labyrinth-like structures, cooling structures and/or lightweight structures. In particular, additive manufacturing is advantageous due to a particularly short chain of process steps, since a manufacturing or manufacturing step of a component can be carried out largely on the basis of a corresponding CAD file and the selection of corresponding manufacturing parameters.

Eine CAD-Datei oder ein Computerprogrammprodukt, kann beispielsweise als (flüchtiges oder nicht-flüchtiges) Speichermedium, wie z.B. eine Speicherkarte, ein USB-Stick, eine CD-ROM oder DVD, oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server und/oder in einem Netzwerk bereitgestellt oder umfasst werden.A CAD file or a computer program product, for example, as a (volatile or non-volatile) storage medium, such as a memory card, a USB stick, a CD-ROM or DVD, or in the form of a downloadable file from a server and / or provided or comprised in a network.

Die Herstellung von Gasturbinenschaufeln mittels der beschriebenen pulverbett-basierten Verfahren (LPBF englisch für „Laser Powder Bed Fusion“) ermöglicht vorteilhaft die Implementierung von neuen Geometrien, Konzepten, Lösungen und/oder Design, welche die Herstellungskosten bzw. die Aufbau- und Durchlaufzeit reduzieren, den Herstellungsprozess optimieren und beispielsweise eine thermo-mechanische Auslegung oder Strapazierfähigkeit der Komponenten verbessern können.The production of gas turbine blades using the described powder bed-based process (LPBF for “Laser Powder Bed Fusion”) advantageously enables the implementation of new geometries, concepts, solutions and/or designs that reduce the manufacturing costs or the construction and throughput time, optimize the manufacturing process and, for example, improve a thermo-mechanical design or durability of the components.

Auf konventionelle Art, beispielsweise gusstechnisch, hergestellte Heißgaskomponenten, stehen der additiven Fertigungsroute beispielsweise hinsichtlich ihrer Designfreiheit und auch in Bezug auf die erforderliche Durchlaufzeit und den damit verbundenen hohen Kosten sowie dem fertigungstechnischen Aufwand deutlich nach.Hot gas components manufactured in a conventional way, for example by casting, are significantly inferior to the additive manufacturing route, for example in terms of their design freedom and also in relation to the required throughput time and the associated high costs as well as the manufacturing effort.

In den LPBF-Prozessen ist es durch Bestrahlungsselektion und/oder Parametervariationen bereits grundsätzlich möglich, poröse Strukturen oder Hohlraumstrukturen zu erzeugen. Solche Poren oder Kavitäten sind in ihrer Größe durch eine Parametervariation jedoch zufällig verteilt und kaum beeinflussbar.In the LPBF processes, it is already fundamentally possible to produce porous structures or cavity structures by irradiation selection and/or parameter variations. However, such pores or cavities are randomly distributed in their size due to a parameter variation and can hardly be influenced.

Weiterhin können Poren, Kavitäten oder Kanäle im CAD-Modell konstruiert und anschließend drucktechnisch oder herstellungstechnisch umgesetzt werden. Werden die Poren oder Kanäle im CAD-Modell vorgesehen, müssen sie jedoch eine Mindestgröße aufweisen, damit sie durch die Herstellungsanlage oder den entsprechenden 3D-Drucker realisiert werden können. Auch das Material muss eine Mindestwandstärke haben, damit es von der Maschine generiert werden kann. Deshalb sind dünnwandigen Strukturen nur bis zu einer Mindestgröße „druckbar“. Außerdem können sich generierte Poren durch diese Mindestgröße bei der nächsten Schichtüberdeckung direkt mit neuem Pulver zusetzen. Des Weiteren lassen sich durch das Freilassen von Schmelzbahnen Freistellen nur ungenau erzeugen, da die geometrischen Abmessungen der Schmelzbäder sich trotz gleicher Parameter deutlich unterscheiden können und - abhängig von der Bauteilgeometrie - einer natürlichen Schwankung in ihrer Breite sowie Höhe von mindestens ± 5 µm unterliegen können.Furthermore, pores, cavities or channels can be designed in the CAD model and then implemented in terms of printing or production technology. If the pores or channels are provided in the CAD model, however, they must have a minimum size so that they can be realized by the manufacturing facility or the corresponding 3D printer. The material must also have a minimum wall thickness so that it can be generated by the machine. This is why thin-walled structures can only be "printed" up to a minimum size. In addition, generated pores can become clogged directly with new powder when the next layer is covered due to this minimum size. Furthermore, by leaving fusible lines free, open spaces can only be created imprecisely This is because the geometric dimensions of the melt pools can differ significantly despite the same parameters and - depending on the component geometry - can be subject to natural fluctuations in their width and height of at least ± 5 µm.

Derzeit erfordert der Aufbauprozess von Komponenten mit Poren, Kavitäten und Kühlkanälen abschließend eine aufwändige Entpulverung.Currently, the construction process of components with pores, cavities and cooling channels requires complex depowdering.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten durch Bestrahlung mit Laserstrahlung mit Hilfe eines Lasers, wobei bei jeder Schicht nach dem Bestrahlen durch den Laser zumindest eine Randbereichsoberfläche der jeweiligen Schicht mit einem Ultrakurzpulslaser bestrahlt wird, ist beispielsweise bekannt aus EP 3 022 008 B1 .A method for producing a component by successively solidifying individual layers by irradiation with laser radiation using a laser, wherein at least one edge region surface of the respective layer is irradiated with an ultrashort pulse laser for each layer after irradiation with the laser is known from, for example EP 3 022 008 B1 .

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen technischen Probleme zu lösen. Insbesondere soll eine verbesserte Möglichkeit des dosierten Materialabtrags während des additiven Aufbaus eines Bauteils angegeben werden, um Hohlräume gezielt zu konfektionieren.It is an object of the present invention to solve the technical problems described above. In particular, an improved possibility of metered material removal during the additive construction of a component should be specified in order to tailor cavities.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous configurations are the subject matter of the dependent patent claims.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Hohlräumen, Porosität oder Kühlkanälen in einer schichtweise bzw. additiv herzustellenden Struktur für das Bauteil. Vorzugsweise wird die Bauteilstruktur mittels selektivem Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen hergestellt.One aspect of the present invention relates to a method for producing cavities, porosity or cooling channels in a structure to be produced in layers or additively for the component. The component structure is preferably produced by means of selective laser melting or electron beam melting.

Das Verfahren umfasst das Bearbeiten von Material für die Struktur während des schichtweisen Aufbaus derselben mit einem Kurzpulslaser, vorzugsweise Ultrakurzpulslaser, wobei Material (subtraktiv) abgetragen oder verdampft wird, vorzugsweise, um die Hohlräume oder Kavitäten gemäß einer vorbestimmten Geometrie oder Porosität in der Struktur herzustellen.The method comprises processing material for the structure during the layer-by-layer build-up thereof with a short-pulse laser, preferably ultra-short-pulse laser, whereby material is removed (subtractively) or evaporated, preferably in order to produce the voids or cavities according to a predetermined geometry or porosity in the structure.

Gemäß dem additiven schichtweisen Herstellungsprozess kann der Abtrag auf pulverförmiges Material als auch bereits verfestigtes Vollmaterial der Struktur des Bauteils betreffen. Gleichwohl kann sich der Abtrag beides, d.h. beispielsweise mit einer neuen Pulverschicht beschichtetes Vollmaterial, beziehen.According to the additive layered manufacturing process, the removal of powdery material as well as already solidified solid material of the structure of the component can affect. Nevertheless, the removal can refer to both, i.e. solid material coated with a new layer of powder, for example.

Bei Ultrakurzpulslasern reicht der Pulsbetrieb bzw. eine Pulsation oder Pulsdauer üblicherweise in den Bereich von Pikosekunden oder Femtosekunden hinein. Demgegenüber könnte ein beispielsweise standardmäßig für das selektive Bestrahlen in der additiven Herstellung herangezogener Festkörper- oder Faserlaser im modengekoppelten oder gepulsten Betrieb grundsätzlich ebenfalls Pulsdauern bis nahe an den Femtosekundenbereich erreichen.In the case of ultra-short-pulse lasers, the pulse operation or a pulsation or pulse duration usually extends into the range of picoseconds or femtoseconds. In contrast, a solid-state or fiber laser used as standard for selective irradiation in additive manufacturing, for example, could in principle also achieve pulse durations close to the femtosecond range in mode-locked or pulsed operation.

Durch die vorgeschlagenen Mittel ist es insbesondere möglich, feinste Strukturen besonders hoher Genauigkeit herzustellen, oder zu bearbeiten. Die Anwendung von ultrakurzen Laserpulsen erlaubt die Bestrahlung mit Laserfoki von weniger als 50 µm im Durchmesser. Dies bewirkt mit Vorteil, dass das exponierte Material so schnell und stark erhitzt wird, dass dieses, ohne zunächst in ein Schmelzbad überzugehen, in eine Plasmaphase übergeht bzw. verdampft. Vorzugsweise bildet sich noch nicht einmal eine Wärmeeinflusszone um den Laserfokus herum. Mangels messbaren Wärmeaustausches mit dem umgebenden Pulver entstehen folglich auch keine Heißrisse, Thermospannungen und auch keine sonstigen nachteiligen Herstellungsartefakte, wie Oberflächenrauheit, welche konventionell dadurch entsteht, dass Pulverpartikel in ein Schmelzbad hineingezogen werden, und so verfestigen. Weiterhin kann mit Vorteil verhindert werden, dass kleine Kavitäten bei einem erneutem Pulverauftrag aufwendig von Pulver befreit werden müssen.The proposed means make it possible, in particular, to produce or process the finest structures with particularly high accuracy. The use of ultra-short laser pulses allows irradiation with laser foci of less than 50 µm in diameter. This has the advantage that the exposed material is heated so quickly and so intensely that it changes into a plasma phase or vaporizes without first changing into a molten bath. A heat-affected zone preferably does not even form around the laser focus. In the absence of measurable heat exchange with the surrounding powder, there are consequently no hot cracks, thermal stresses or any other disadvantageous manufacturing artifacts, such as surface roughness, which conventionally occurs when powder particles are drawn into a melt pool and thus harden. Furthermore, it is advantageously possible to prevent small cavities from having to be freed from powder in a costly manner when powder is applied again.

In einer Ausgestaltung wird die Struktur für das Bauteil durch ein pulverbett-basiertes Verfahren, insbesondere selektives Lasersintern, selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen aufgebaut.In one configuration, the structure for the component is built up by a powder bed-based method, in particular selective laser sintering, selective laser melting or electron beam melting.

In einer Ausgestaltung wird die Struktur für das Bauteil durch selektives Laserschmelzen aufgebaut, wobei der Ultrakurzpulslaser von einem Schmelzlaser für das selektive Laserschmelzen verschieden ist. Vorzugsweise ist der Ultrakurzpulslaser für die Anwendung von noch kürzeren Laserpulsen, wie Femtosekunden-Laserpulsen (siehe oben), eingerichtet.In one embodiment, the structure for the component is built up by selective laser melting, with the ultrashort pulse laser being different from a melting laser for selective laser melting. The ultra-short pulse laser is preferably set up for the application of even shorter laser pulses, such as femtosecond laser pulses (see above).

In einer Ausgestaltung wird ein Energieeintrag, beispielsweise eine Bestrahlungsleistung, des Ultrakurzpulslasers in das Material derart gewählt, dass das Material durch direktes oder unmittelbares Verdampfen abgetragen wird. Wie oben angedeutet kann dadurch vorteilhaft die Entstehung eines regelrechten Schmelzbades und einer Wärmeeinflusszone verhindert werden. So kann auch die Entstehung von übergebührender Oberflächenrauheit und Heißrissen vorteilhaft verhindert werden.In one configuration, an energy input, for example an irradiation power, of the ultrashort pulse laser into the material is selected in such a way that the material is removed by direct or immediate vaporization. As indicated above, this can advantageously prevent the formation of a real molten pool and a heat-affected zone. In this way, the development of excessive surface roughness and hot cracks can also be advantageously prevented.

In einer Ausgestaltung wird das Material bearbeitet, ohne dass ein regelrechtes Schmelzbad, eine flüssige Materialphase, oder auch nur eine Wärmeeinflusszone in dem Material entsteht.In one embodiment, the material is processed without a real melt pool, a liquid material phase, or even just a heat-affected zone being created in the material.

In einer Ausgestaltung wird der Abtrag von Material durch den Ultrakurzpulslaser entlang einer Schichtnormalen, üblicherweise der vertikalen Aufbaurichtung des Prozesses, größer bemessen als eine Schichtdicke von neu aufzutragendem Material bzw. Pulver. Denn, ist der Abtrag geringer als eine neue Schichtbreite, so würde die neue Schicht die durch den Abtrag entstandene Kavität komplett wieder verschließen. Die Einstellung der Abtragstiefe des Ultrakurzpulslasers lässt sich beispielsweise über eine Belichtungsdauer oder Pulsdauer bzw. die Laserintensität oder Laserleistung einstellen.In one embodiment, the ablation of material by the ultrashort pulse laser along a layer normal, usually the vertical build-up direction of the process, is dimensioned to be larger than a layer thickness of material or powder to be newly applied. Because if the removal is less than a new layer width, the new layer would completely close the cavity created by the removal. The ablation depth of the ultrashort pulse laser can be set, for example, via an exposure duration or pulse duration or the laser intensity or laser power.

In einer Ausgestaltung werden die Hohlräume oder Poren mit Abmessungen hergestellt, die kleiner sind als ein beispielsweise geringster, mittlerer oder Median-Durchmesser von Pulverpartikeln oder einer Pulverfraktion des Materials. Somit geraten auch bei einem erneuten Pulverauftrag mit Vorteil keine neuen Partikel in den entstandenen kleinen Hohlraum. Auf eine aufwendige Entpulverung desselben kann demgemäß mit Vorteil verzichtet werden.In one embodiment, the cavities or pores are produced with dimensions that are smaller than, for example, the smallest, mean or median diameter of powder particles or a powder fraction of the material. Thus, even when the powder is applied again, it is advantageous that no new particles get into the small cavity that has formed. A complex depowdering of the same can accordingly be advantageously dispensed with.

In einer Ausgestaltung werden die Hohlräume oder Poren dazu mit Abmessungen im Mikrometerbereich, vorzugsweise kleiner als 50 µm, besonders bevorzugt kleiner als 20 µm hergestellt.In one embodiment, the cavities or pores are produced with dimensions in the micrometer range, preferably less than 50 μm, particularly preferably less than 20 μm.

In einer Ausgestaltung wird das Material in übereinander folgenden Schichten an der gleichen oder einer nur geringfügig versetzten (lateralen) Schichtposition abgetragen, um Hohlräume oder Hohlkanäle (zumindest teilweise oder in Projektion) entlang einer Aufbaurichtung der Struktur zu bilden. Auch diese Kanäle müssen vorteilhafterweise nachträglich nicht unbedingt von Pulver befreit werden, wenn die Abmessungen klein genug sind (siehe oben), um zu verhindern, dass sich Pulver überhaupt darin absetzt. Durch diese Ausgestaltung können Kühlkavitäten mit Vorteil vertikal oder auch schräg oder diagonal in verschiedenen Winkeln, die Bauteilstruktur durchziehend, ausgestaltet werden. Demgemäß kann die genannte geringfügige Versetzung ein Maß bezeichnen, das nachträglich noch eine fluidische Kommunikation in den einzelnen Schichten der Struktur gewährleistet.In one embodiment, the material is removed in successive layers at the same or only slightly offset (lateral) layer position in order to form cavities or hollow channels (at least partially or in projection) along a build-up direction of the structure. Advantageously, these channels also do not necessarily have to be subsequently freed of powder if the dimensions are small enough (see above) to prevent powder from being deposited in them at all. As a result of this configuration, cooling cavities can advantageously be configured vertically or also obliquely or diagonally at different angles, passing through the component structure. Accordingly, the mentioned slight misalignment can designate a measure that subsequently still ensures fluidic communication in the individual layers of the structure.

In einer Ausgestaltung wird das Material innerhalb einer (zu verfestigenden) Schicht abgetragen, um Hohlkanäle innerhalb dieser Schicht, beispielsweise in der Schichtebene, der Struktur zu bilden. Diese Hohlkanäle können natürlich auch eine Mehrzahl von fluidisch getrennten oder verbundenen Kanälen betreffen. Auch gemäß dieser Ausgestaltung ist der Materialabtrag natürlich vorzugsweise vorbestimmt bzw. im Vorfeld - durch eine CAD-Datei und/oder Steuerungsanweisungen der Herstellungsanlage - festgelegt.In one embodiment, the material is removed within a layer (to be strengthened) in order to form hollow channels within this layer, for example in the layer plane of the structure. Of course, these hollow channels can also relate to a plurality of fluidically separate or connected channels. According to this embodiment, too, the removal of material is of course preferably predetermined or defined in advance—by a CAD file and/or control instructions of the production plant.

In einer Ausgestaltung wird der Ultrakurzpulslaser (zusätzlich) verwendet, um eine Oberflächenrauheit der Hohlräume zu reduzieren und/oder eine Oberfläche der Hohlräume oder Kavitäten (gezielt) zu strukturieren.In one configuration, the ultrashort pulse laser is (additionally) used to reduce a surface roughness of the cavities and/or to (specifically) structure a surface of the cavities or cavities.

In einer Ausgestaltung wird durch den Ultrakurzpulslaser ausschließlich bereits verfestigtes Material, beispielsweise nachträglich, im Anschluss an eine erfolgte selektive Bestrahlung des Materials, durchgeführt, um die Hohlräume in der Struktur herzustellen. Gemäß dieser Ausgestaltung erfolgt der Abtrag dann zweckmäßig auch vor einer erneuten Pulverbeschichtung.In one embodiment, only material that has already been solidified is carried out by the ultrashort pulse laser, for example subsequently, after the material has been selectively irradiated, in order to produce the cavities in the structure. According to this configuration, the removal then expediently also takes place before a renewed powder coating.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil, welches gemäß dem oder mithilfe des beschriebenen Verfahrens hergestellt oder herstellbar ist, wobei die Hohlräume in der Struktur des Bauteils entlang eine Dimension eine Abmessung haben, die kleiner ist als ein geringster oder mittlerer Durchmesser von Pulverpartikeln der entsprechenden Fraktion des Materials.A further aspect of the present invention relates to a component which is produced or can be produced according to or with the aid of the method described, the cavities in the structure of the component having a dimension along one dimension which is smaller than a smallest or average diameter of powder particles appropriate fraction of the material.

In einer Ausgestaltung ist eine Wandstärke von Strukturen des Bauteils kleiner als ein während des Herstellungsprozesses entstehendes Schmelzbad zum Aufbau der entsprechenden Struktur, beispielsweise in lateraler Dimension. Gemäß dieser Ausgestaltung kann mit Vorteil auch das Design des Bauteils filigraner ausgestaltet werden.In one configuration, a wall thickness of structures of the component is smaller than a molten pool formed during the production process for building up the corresponding structure, for example in the lateral dimension. According to this refinement, the design of the component can also advantageously be made more filigree.

In einer Ausgestaltung weist das Bauteil eine Gitterstruktur, beispielsweise mit Gitterstreben gemäß der Dimension der oben beschriebenen Wandstruktur, auf, wobei die Kühlkanäle beispielsweise schräg oder diagonal durch das Bauteil verlaufen können.In one configuration, the component has a lattice structure, for example with lattice struts according to the dimensions of the wall structure described above, it being possible for the cooling channels to run obliquely or diagonally through the component, for example.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils, umfassend eine Bestrahlungseinrichtung zum selektiven Verfestigen des, vorzugsweise pulverförmigen, Materials für das Bauteil, sowie eine Steuerung und eine Strahlquelle zum Anwenden eines Ultrakurzpulslaser zum Abtragen des Materials, wie oben beschrieben. Unter Umständen kann die Bestrahlungseinrichtung, beispielsweise über den Arbeitslaser im LPBF-Prozess, welcher ausgelegt sein kann, ebenfalls ultrakurze Laserpulse zu erzeugen, zusätzlich für den vorliegend beschriebenen Materialabtrag genutzt werden.A further aspect of the present invention relates to a device for additively manufacturing a component, comprising an irradiation device for selectively solidifying the preferably powdered material for the component, and a controller and a beam source for applying an ultrashort pulse laser to remove the material, as described above. Under certain circumstances, the irradiation device can also be used for the material removal described here, for example via the working laser in the LPBF process, which can also be designed to generate ultra-short laser pulses.

Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf das Verfahren bzw. das Bauteil beziehen, können ferner die Vorrichtung betreffen, und umgekehrt.Configurations, features and/or advantages that relate to the method or the component in the present case can also relate to the device, and vice versa.

Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden.As used herein, the term "and/or" when used in a series of two or more ele ment means that each of the listed items can be used alone, or any combination of two or more of the listed items can be used.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.Further details of the invention are described below with reference to the figures.

1 deutet schematisch das Arbeitsprinzip eines pulverbettbasierten additiven Herstellungsverfahrens an. 1 indicates schematically the working principle of a powder bed-based additive manufacturing process.

Die 2 und 3 deuten schematisch und qualitativ technische Aspekte bei der Entstehung von Hohlräumen während des Prozesses an.the 2 and 3 indicate schematically and qualitatively technical aspects in the formation of cavities during the process.

In den 4 fortfolgende wird ein erfindungsgemäßes Verfahren sowie ein entsprechend hergestelltes Bauteil beschrieben. Insbesondere zeigt 4 eine schematische Schnittansicht eines Bauteils, in deren Struktur mithilfe eines Ultrakurzpulslasers Material abgetragen wurde.In the 4 A method according to the invention and a correspondingly manufactured component are described below. In particular shows 4 a schematic sectional view of a component in whose structure material was removed using an ultrashort pulse laser.

5 deutet ähnlich zur 4 und nachfolgend an den beschriebenen Materialabtrag eine Pulverbeschichtung an. 5 indicates similar to 4 and then apply a powder coating to the material removal described.

6 deutet weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, insbesondere zu dem Verfahren zum Herstellen von Hohlräumen, als auch zu der Anordnung von Kühlkanälen in der Bauteilstruktur an. 6 indicates further embodiments of the present invention, in particular with regard to the method for producing cavities, as well as to the arrangement of cooling channels in the component structure.

Die 7 bis 9 deuten weitere Einzelheiten des beschriebenen Verfahrens und des so gewonnenen Bauteils an.the 7 until 9 indicate further details of the method described and the component obtained in this way.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.In the exemplary embodiments and figures, elements that are the same or have the same effect can each be provided with the same reference symbols. The elements shown and their proportions to one another are not to be regarded as true to scale; instead, individual elements may be shown with exaggerated thickness or dimensions for better representation and/or better understanding.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer additiven Herstellungsanlage oder Vorrichtung 100, an der qualitativ das Prinzip pulverbettbasierter additiver Herstellungsverfahren angedeutet ist. Die Anlage 100 ist vorzugsweise zum schichtweisen additiven Aufbau eines Bauteils 10 durch selektives Lasersintern, selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen eingerichtet. 1 shows a schematic sectional view of an additive manufacturing system or device 100, on which the principle of powder bed-based additive manufacturing methods is indicated qualitatively. The system 100 is preferably set up for the layer-by-layer additive construction of a component 10 by selective laser sintering, selective laser melting or electron beam melting.

Dementsprechend weist die Anlage eine absenkbare Bauplattform 1 auf. Die Bauplattform 1 wird sukzessive und schichtweise mit einem, vorzugsweise pulverförmigen, Ausgangsmaterial P beschichtet. Diese erfolgt mittels einer horizontal beweglichen Beschichtungseinrichtung 3. Nachdem jeweils eine Schicht mit Schichtdicke L selektiv entsprechend der gewünschten Bauteilgeometrie durch einen Energiestrahl, beispielsweise einen Laser oder Elektronenstrahl, exponiert wurde, wird vorzugsweise eine neue Pulverlage mittels der Beschichtungseinrichtung 3 aufgetragen.Accordingly, the system has a construction platform 1 that can be lowered. The construction platform 1 is successively coated in layers with a starting material P, preferably in powder form. This takes place by means of a horizontally movable coating device 3. After a layer with layer thickness L has been selectively exposed by an energy beam, for example a laser or electron beam, according to the desired component geometry, a new layer of powder is preferably applied by means of the coating device 3.

Das selektive Bestrahlen erfolgt mittels einer Bestrahlungseinrichtung 2. Die Bestrahlungseinrichtung 2 weist weiterhin eine Steuerung 4 zum Ansteuern der Bestrahlungseinrichtung 2 auf. Alternativ kann die Bestrahlungseinrichtung 2 mit der Steuerung verschaltet und/oder an diese gekoppelt sein. Zum Aufschmelzen des Pulvers P entsteht am Auftreffpunkt des Lasers ein mit dem Bezugszeichen M angedeutetes (flüssiges) Schmelzbad sowie eine dieses umgebende Wärmeeinflusszone W, in der weiterhin entweder teilflüssige Phasen vorliegen und/oder das Material immer noch besonders anfällig für Heißrisse oder andere Defekte ist.The selective irradiation takes place by means of an irradiation device 2 . The irradiation device 2 also has a controller 4 for controlling the irradiation device 2 . Alternatively, the irradiation device 2 can be connected to and/or coupled to the controller. To melt the powder P, a (liquid) molten pool indicated by the reference M and a heat-affected zone W are created at the point of impact of the laser, in which either partially liquid phases are still present and/or the material is still particularly susceptible to hot cracks or other defects.

Die Bestrahlungseinrichtung 2 ist üblicherweise mit einer Strahlquelle zum Aussenden eines Energiestrahls B1, insbesondere eines Arbeitslasers, für das selektive Aufschweißen der Struktur für das Bauteil 10 ausgerüstet. Konventionelle laserbasierte additive Fertigungsanlagen arbeiten normalerweise mit Festkörper- oder Faserlasern, beispielsweise mit Erbium oder Ytterbium als Dotierungselement für den laseraktiven Faserkern. Mit solchen Laserquellen lassen sich unter Umständen auch sehr kurze oder ultrakurze Laserpulse erreichen, insbesondere bei einer entsprechenden Einrichtung zur Modenkopplung (nicht explizit gekennzeichnet), oder dergleichen. Zusätzlich zu dem Laserstrahl B1 ist die Bestrahlungseinrichtung 2 vorzugsweise mit einer zweiten Strahlquelle zur Aussendung ultrakurzer Laserpulse (vergleiche gestrichelte Strahl B2 in 1) ausgerüstet. Der ultrakurz gepulste Laserstrahl B2 ist vorzugsweise eingerichtet, gepulste Laserstrahlung mit Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden und Femtosekunden auszusenden.The irradiation device 2 is usually equipped with a beam source for emitting an energy beam B1, in particular a working laser, for the selective welding of the structure for the component 10. Conventional laser-based additive manufacturing systems usually work with solid-state or fiber lasers, for example with erbium or ytterbium as a doping element for the laser-active fiber core. Under certain circumstances, such laser sources can also be used to achieve very short or ultra-short laser pulses, in particular with a corresponding device for mode locking (not explicitly identified), or the like. In addition to the laser beam B1, the irradiation device 2 is preferably equipped with a second beam source for emitting ultra-short laser pulses (compare dashed beam B2 in 1 ) equipped. The ultra-short pulsed laser beam B2 is preferably set up to emit pulsed laser radiation with pulse durations in the picosecond and femtosecond range.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieser Laserstrahl B2 zu Materialbearbeitung, genauer zum dosierten oder konfektionierten Abtrag von Material eingesetzt, insbesondere um maßgeschneidert, kleine Hohlräume, Poren, Kavitäten oder Kühlkanäle in der Struktur des Bauteils 10 zu generieren.According to the present invention, this laser beam B2 is used for material processing, more precisely for the metered or tailored removal of material, in particular in order to generate tailor-made small cavities, pores, cavities or cooling channels in the structure of the component 10 .

Anders als von der 1 suggeriert, kann die technische Lösung der vorliegenden Erfindung auch mittels einer einzigen Strahlquelle umgesetzt werden, nämlich dann, wenn ein und derselbe Laser beispielsweise im kontinuierlichen Betrieb als Arbeitslaser und im ultrakurz gepulsten Betrieb zum seriellen Materialabtrag genutzt wird.Unlike from the 1 suggests that the technical solution of the present invention can also be implemented using a single beam source, namely when one and the same laser is used, for example, in continuous operation as a working laser and in ultra-short pulsed operation for serial material removal.

Vorzugsweise wird der Laserstrahl B2 jedoch von einer von der Strahlquelle zur Emission des Laserstrahls B1 verschiedenen Strahlquelle (nicht explizit gekennzeichnet) ausgesendet.However, the laser beam B2 is preferably emitted by a beam source (not explicitly identified) that is different from the beam source for emitting the laser beam B1.

Das Bauteil 10 ist vorzugsweise eine kühlbare und im Betrieb zu kühlende Komponente des Heißgaspfades einer Strömungsmaschine, wie eine Turbinenschaufel, Hitzeschildkomponente einer Brennkammer und/oder eine Resonatorkomponente, beispielsweise ein Helmholtz-Resonator.The component 10 is preferably a component of the hot gas path of a turbomachine that can be cooled and is to be cooled during operation, such as a turbine blade, heat shield component of a combustion chamber and/or a resonator component, for example a Helmholtz resonator.

Alternativ kann es sich bei dem Bauteil 10 um ein Ringsegment, ein Brennerteil oder eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, eine Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Stempel oder einen Wirbler handeln, oder einen entsprechenden Übergang, Einsatz, oder ein entsprechendes Nachrüstteil.Alternatively, the component 10 may be a ring segment, burner part or tip, skirt, shield, heat shield, nozzle, seal, filter, orifice or lance, plunger or swirler, or a corresponding transition, use, or a corresponding retrofit part.

2 zeigt schematisch und lediglich qualitativ eine Querschnittsansicht eines Schichtstapels einer additiv aufgebauten Struktur für das Bauteil 10, wobei in der oberste Lage oder Schicht des Materials noch eine (ovale) Kontur von Schweißraupen, erkennbar ist; diese Schicht also noch nicht durch eine nachfolgende Bestrahlung über mehrere Schichtdicken hinweg umgeschmolzen wurde. 2 shows schematically and only qualitatively a cross-sectional view of a layer stack of an additively constructed structure for the component 10, wherein an (oval) contour of weld beads can still be seen in the uppermost layer or layer of the material; this layer has not yet been remelted by subsequent irradiation over several layer thicknesses.

Mit dem Bezugszeichen 11 ist eine, beispielsweise durch Parametervariation entstandene, Freistelle bzw. eine Kavität oder ein entsprechender Hohlraum 11 entstanden.A gap or a cavity or a corresponding hollow space 11 , created for example by parameter variation, is identified by the reference number 11 .

Wie anhand der 3 verdeutlicht, neigen solche Poren dazu, sich im Wege einer nachfolgenden Pulverbeschichtung (zwangsläufig) mit neuem Pulver P zuzusetzen. Mit anderen Worten füllen Pulverpartikel solche Poren auf, die normalerweise Mindestgrößen oberhalb der gängigen und mittleren Pulverdurchmesser haben. Damit könnte zwar ein entsprechender Schichtdefekt teilweise kompensiert werden. Prozessinhärent ist es dann aber unmöglich, maßgeschneiderte Poren in einer additiv aufzubauenden Struktur für das Bauteil 10 einzubringen.How based on 3 makes clear, such pores tend to become clogged with new powder P as a result of a subsequent powder coating (inevitably). In other words, powder particles fill up pores that normally have minimum sizes above the usual and average powder diameters. A corresponding layer defect could be partially compensated for in this way. However, it is then inherently impossible to introduce tailor-made pores in a structure for the component 10 that is to be built up additively.

4 deutet ähnlich zu den Darstellungen der 2 und 3 einen Teil einer Schichtstruktur für ein Bauteil 10 an. Mit dem Bezugszeichen B2 wird hier, wie oben angedeutet, ein ultrakurzer Laserpuls angedeutet, welcher zur Materialbearbeitung, insbesondere zum dosierten Abtrag von Material aus der Schicht verwendet wird. Insbesondere können durch diese erfindungsgemäße Maßnahme Hohlräume 11 einer bestimmten (maßgeschneiderten) Geometrie in der Struktur des Bauteils 10 gebildet werden. 4 indicates similar to the representations of 2 and 3 part of a layered structure for a component 10. As indicated above, the reference character B2 indicates an ultra-short laser pulse which is used for material processing, in particular for the metered removal of material from the layer. In particular, cavities 11 of a specific (tailor-made) geometry can be formed in the structure of the component 10 by this measure according to the invention.

Zweckmäßigerweise wird ein Energieeintrag, beispielsweise kontrolliert über die Parameter der Belichtungs- und Pulsdauer, die zeitliche und räumliche Strahlungs- oder Energiedichte bzw. die Laserintensität des Ultrakurzpulslasers B2 in das Material derart gewählt, dass das Material durch unmittelbares und direktes Verdampfen abgetragen wird. Dies, vorzugsweise ohne, dass ein regelrechtes Schmelzbad (wie anhand von Bezugszeichen M in 1 dargestellt) in dem Material entsteht.Appropriately, an energy input, for example controlled via the parameters of the exposure and pulse duration, the temporal and spatial radiation or energy density or the laser intensity of the ultrashort pulse laser B2 in the material is chosen such that the material is removed by immediate and direct evaporation. This, preferably without a real molten bath (as indicated by the reference sign M in 1 shown) arises in the material.

Weiterhin ist in den 4 fortfolgende zu erkennen, dass die Tiefe t des Materialabtrags (vgl. auch 5) oder Porentiefe von Material durch den Ultrakurzpulslaser B2 entlang einer Schichtnormalen oder vertikalen Aufbaurichtung z (vergleiche 6 weiter unten) größer bemessen wird als eine Schicht oder Schichtdicke L von aufzutragendem Material. Wäre der Abtrag hingegen geringer als eine Schichtbreite und der Schichtdicke L, so würde eine neu aufzutragende Schicht die entstandene Kavität komplett wieder verschließen.Furthermore, in the 4 subsequent to recognizing that the depth t of the material removal (cf. also 5 ) or pore depth of material through the ultrashort pulse laser B2 along a layer normal or vertical build-up direction z (cf 6 further below) is dimensioned larger than a layer or layer thickness L of material to be applied. If, on the other hand, the removal were less than one layer width and the layer thickness L, a new layer to be applied would completely close the resulting cavity again.

5 deutet im Querschnitt eine Situation an, in der die Schicht, in welcher der Laserpuls B2 den Abtrag bewirkt hat, im Wege der additiven Herstellung des Bauteils 10 mit einer neuen Lage Pulver P beschichtet wurde. Die Rohmaterial-Pulverfraktionen unterliegen natürlich einer gewissen Schwankung in den Pulverdurchmessern, was auch in der Darstellung der 5 angedeutet ist. Weiterhin ist im oberen Bereich der Darstellung zu erkennen, dass die Hohlräume 11 oder Poren mit Abmessungen d2 hergestellt werden, die kleiner sind als ein mittlerer und/oder geringster Durchmesser d1 von Pulverpartikeln der entsprechenden Rohpulverfraktion des Materials. Diese laterale Abmessung des Materialabtrags bzw. diejenigen der Poren bewirkt mit Vorteil, dass bei einem erneuten Pulverauftrag keine neuen Pulverpartikel in die entstandene Pore eindringen können. Eine aufwändige Entpulverung dieser Kavitäten entfällt somit. Das Maß d2 wird dazu vorzugsweise - über den Pulsbetrieb des Lasers B2 - kleiner als 100 µm, besonders bevorzugt kleiner als 50 µm, insbesondere kleiner als 20 µm, gewählt. 5 In cross section, FIG. The raw material powder fractions are of course subject to some variation in powder diameters, which is also reflected in the representation of the 5 is indicated. Furthermore, it can be seen in the upper area of the illustration that the cavities 11 or pores are produced with dimensions d2 that are smaller than a mean and/or smallest diameter d1 of powder particles of the corresponding raw powder fraction of the material. This lateral dimension of the material removal or that of the pores has the advantageous effect that no new powder particles can penetrate into the resulting pore when powder is applied again. A time-consuming depowdering of these cavities is therefore not necessary. For this purpose, the dimension d2 is preferably selected—via the pulsed operation of the laser B2—to be less than 100 μm, particularly preferably less than 50 μm, in particular less than 20 μm.

6 zeigt in einer zu den 4 und 5 ähnlichen Querschnittsdarstellung ein Bauteil 10 bzw. einen Teil davon, bei dem durch das vorliegend beschriebene Verfahren ganze Hohlkanäle 11, beispielsweise zur Kühlung des Bauteils im Betrieb eingebracht wurden. In den oberen Schichten sind wieder oval angedeutete Schweißraupen zu erkennen, so wie - über mindestens drei Schichten hinweg - erfindungsgemäße Hohlkanäle. Schichtweise können diese Kanäle 11 durch versetzt eingebrachte Laserpulse mit einem Versatz v versehen werden, um beispielsweise einen Kühlkanal, welcher sich ansonsten vertikal durch das Bauteil 10 erstrecken würde, leicht schräg oder diagonal verlaufen zu lassen. 6 shows in one to the 4 and 5 Similar cross-sectional view shows a component 10 or a part thereof, in which entire hollow channels 11, for example for cooling the component during operation, have been introduced using the method described here. In the upper layers, oval weld beads can again be seen, as well as—over at least three layers—hollow channels according to the invention. Layer by layer, these channels 11 can be provided with an offset v by means of laser pulses introduced in an offset manner, in order, for example, to allow a cooling channel, which would otherwise extend vertically through the component 10, to run slightly obliquely or diagonally.

Der rechts oben gezeigte Kühlkanal 11 ist hingegen derart schichtweise durch den Materialabtrag des Ultrakurzpulslaser B2 eingebracht worden, dass er vertikal und parallel zur Aufbaurichtung des Bauteils 10 verläuft.The cooling channel 11 shown at the top right, on the other hand, has been introduced in layers by the material removal of the ultra-short pulse laser B2 in such a way that it runs vertically and parallel to the direction of construction of the component 10 .

Werden die Kanäle 11 aber (wie links zu sehen) versetzt aufgebaut, werden die vom Ultrakurzpulslaser B2 generierten Freiräume teilweise wieder zugeschmolzen. Denn, in neu aufgeschmolzenen Schichten entsteht auch immer ein Schmelzbad, welches bekannterweise nicht formstabil ist und maßgeblich die geometrische Auflösung der erzielten Strukturen limitiert. Deshalb muss der genannte Versatz v so gestaltet werden, dass die verbleibenden Freiräume dennoch fluidisch verbunden bleiben und einen Kanal bilden.However, if the channels 11 are offset (as can be seen on the left), the free spaces generated by the ultra-short pulse laser B2 are partially sealed again. Because in newly melted layers there is always a molten pool, which is known to be dimensionally unstable and significantly limits the geometric resolution of the structures achieved. For this reason, the offset v mentioned must be designed in such a way that the remaining free spaces remain fluidically connected and form a channel.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass einzelne oder mehrere Kanäle teilweise oder vollständig innerhalb einer Schicht L eingebracht werden, indem dort entsprechend nur in der einen Schicht Material abgetragen wird. Die Situation ist im unteren Teil der Darstellung der 6 durch die runden Kreise angedeutet, welche illustrieren sollen, dass ein entsprechender Kühlkanal in die Darstellungsebene hinein verläuft. Unten rechts in dem dargestellten Bauteil 10 ist durch die gestrichelten Linien noch ein schräger und diagonaler Kühlverlauf angedeutet.According to the present invention, provision can also be made for individual or multiple channels to be introduced partially or completely within a layer L, in that material is correspondingly removed there only in one layer. The situation is shown in the lower part of the illustration 6 indicated by the round circles, which are intended to illustrate that a corresponding cooling channel runs into the plane of representation. At the bottom right of the component 10 shown, the dotted lines also indicate an oblique and diagonal cooling process.

Für den Fachmann ist ersichtlich, dass die Geometrie der so geformten Kühlkanäle 11 natürlich auf einfache Weise durch eine Steuerung des Arbeitslasers und des Ultrakurzpulslaser B2 gemäß der individuellen Designanforderungen des Bauteils 10 konfektioniert werden kann. Insbesondere kann die Dichte der Kanäle an eine entsprechende Kühlleistung, welche ein bestimmungsgemäßer Betrieb des Bauteils erfordert, angepasst werden.It is obvious to a person skilled in the art that the geometry of the cooling channels 11 formed in this way can of course be tailored in a simple manner by controlling the working laser and the ultra-short pulse laser B2 in accordance with the individual design requirements of the component 10 . In particular, the density of the channels can be adapted to a corresponding cooling capacity, which is required for the component to be operated as intended.

Mit anderen Worten können die Kanäle 11 in allen Koordinaten- oder Raumrichtungen aufgebaut werden. Dabei können sie in einer Ebene (x-, y-Richtung) als auch über mehrere Ebenen (z-Richtung) hinweg generiert werden. Es besteht somit auch die Möglichkeit, komplexe Strukturen, wie Gitterstrukturen mit sehr klein bemessenen Gitterstreben oder Wandstärken zu generieren. Beispielsweise kann eine Wandstärke (vergleiche Bezugszeichen b in 7 weiter unten) durch das beschriebene Verfahren kleiner dimensioniert werden als ein während des Herstellungsprozesses üblicherweise entstehendes Schmelzbad bzw. eine daraus resultierende Schweißraupe während des Aufbaus der entsprechenden Struktur. Wie oben beschrieben ist das Schmelzbad beim kontinuierlichen Laserbetrieb der maßgebliche Faktor, was die Wandstärke als auch die Oberflächenrauheit der aufgebauten Strukturen angeht. Durch die vorgestellten Mittel können unter anderem also die Formgebung und die räumliche Auflösung von additiven dünnen Wandstrukturen deutlich verbessert werden.In other words, the channels 11 can be built up in all coordinate or spatial directions. They can be generated in one plane (x, y direction) or across several planes (z direction). It is therefore also possible to generate complex structures, such as lattice structures with very small lattice struts or wall thicknesses. For example, a wall thickness (compare reference symbol b in 7 further below) can be dimensioned smaller by the method described than a melt pool that usually occurs during the manufacturing process or a weld bead resulting therefrom during the construction of the corresponding structure. As described above, the melt pool is the decisive factor in continuous laser operation as far as the wall thickness and the surface roughness of the built-up structures are concerned. With the means presented, among other things, the shaping and the spatial resolution of additive thin wall structures can be significantly improved.

Alternativ oder zusätzlich zu der Verwendung des Ultrakurzpulslasers B2 zum Materialabtrag kann der Ultrakurzpulslaser B2 auch verwendet werden, um eine Oberflächenrauheit der Hohlräume 11 zu reduzieren und/oder eine Oberfläche 12 der Hohlräume zu strukturieren.As an alternative or in addition to using the ultrashort pulse laser B2 for material removal, the ultrashort pulse laser B2 can also be used to reduce surface roughness of the cavities 11 and/or to structure a surface 12 of the cavities.

7 zeigt weiterhin einen möglichen Vergleich zwischen der Schichtdicke L und der Tiefe t des Materialertrags, wobei letztere im vorliegenden Fall ca. viermal größer gewählt ist als die Schichtdicke L. Weiterhin ist in 7 am rechten Rand der Bauteilstruktur die Wanddicke b eingezeichnet (siehe oben). 7 also shows a possible comparison between the layer thickness L and the depth t of the material yield, whereby the latter is chosen to be approximately four times greater than the layer thickness L in the present case. Furthermore, in 7 the wall thickness b is drawn on the right edge of the component structure (see above).

Die 8 und 9 zeigen weiterhin wie sich die Dimension oder Kontur k eines entsprechenden Hohlraumes 11 definiert, wenn nach dem Materialabtrag weitere Bauteilschichten aufgebaut werden. In der 8 ist wieder eine Kavität 11 gezeigt, welche sich über mehrere Schichten in die Struktur des Bauteils 10 hinein erstreckt.the 8th and 9 also show how the dimension or contour k of a corresponding cavity 11 is defined when further component layers are built up after the material has been removed. In the 8th a cavity 11 is shown again, which extends into the structure of the component 10 over several layers.

9 deutet zudem weitere oberhalb der Kavität 11 verlaufende Schichten L für die Struktur des Bauteils 10 an, beispielsweise durch einen fortschreitenden Aufbauprozess. 9 FIG. 1 also indicates further layers L running above the cavity 11 for the structure of the component 10, for example as a result of a progressive build-up process.

Soll nun - ausgehend von der Situation in 8 - eine neue Pulver- oder Materialschicht die entstandene Kavität 11 schließen, wird die Geometrie k der Kavität im unteren Teil durch den Ultrakurzpulslaser B2 bestimmt, und im oberen Teil durch die Geometrie der darüberliegenden Schmelzbahn. Somit bestimmt sich auch die initiale Breite der Kavität durch die Höhe, in der sie durch die darüberliegende Schmelzbahn begrenzt wird. Durch den Arbeitslaser B1 werden nämlich, wie oben angedeutet, nicht nur die letzte Pulverschicht, sondern auch die darunterliegenden Schichten (wieder) aufgeschmolzen. Should now - starting from the situation in 8th - A new layer of powder or material closes the resulting cavity 11, the geometry k of the cavity is determined in the lower part by the ultra-short pulse laser B2, and in the upper part by the geometry of the overlying melting path. The initial width of the cavity is therefore also determined by the height at which it is delimited by the overlying melt line. As indicated above, the working laser B1 not only melts the last layer of powder, but also the layers underneath it (again).

Das obere Ende einer mit dem UKP-Laser entstandenen Hohlraumkontur k wird durch darüberliegende Schichten, welche im normalen Arbeitsmodus bestrahlt und verfestigt werden, also wieder verschlossen.The upper end of a cavity contour k created with the USP laser is closed again by overlying layers, which are irradiated and solidified in normal working mode.

Dadurch entsteht, wie in 9 (relativ zur 8) ersichtlich, eine Verkleinerung der vertikalen Ausdehnung oder Tiefe t des Hohlraums 11.This creates, as in 9 (relative to 8th ) can be seen, a reduction in the vertical extent or depth t of the cavity 11.

Konventionell, d.h. ohne die beschriebenen Meriten der vorliegenden Erfindung, werden Kavitäten oder Hohlräume während des LPBF-Prozesses nur beim Aufschmelzen des Materials generiert. Dabei wird dann die betroffene Stelle nicht belichtet, das Pulver wird nicht aufgeschmolzen und das Material wird nicht zu Vollmaterial abgekühlt und verfestigt. Dies funktioniert allerdings nur bis zu gewissen Material- bzw. Wandstärken (siehe weiter oben).Conventionally, ie without the described merits of the present invention, cavities or cavities are only generated during the LPBF process when the material is melted. In this case, the affected area is not exposed, the powder is not melted and the material is not cooled and solidified into solid material. However, this only works up to a certain material or wall thickness (see above).

Durch die vorliegende Erfindung wird diese Beschränkung mit Vorteil beseitigt, indem der Ultrakurzpulslaser B2 ausschließlich für den Abtrag von bereits verfestigtem Material verwendet wird, beispielsweise im Anschluss an eine selektive Bestrahlung des Materials, um die Hohlräume 11 in der Struktur herzustellen. Mit anderen Worten wird mit dem Laser B2 vorzugsweise erst ein kompletter Schichtaufbau erzeugt, und die Kavitäten 11 werden erst anschließend subtraktiv eingebracht. Daher können - wie beschrieben - auch komplexe und sehr feine Kavitäten oder Poren in LPBF-erzeugten Komponenten integriert werden.The present invention advantageously overcomes this limitation by using the ultrashort pulse laser B2 exclusively for ablation of already solidified material, for example following selective irradiation of the material to produce the cavities 11 in the structure. In other words, a complete layer structure is preferably first produced with the laser B2, and the cavities 11 are only introduced subtractively afterwards. Therefore - as described - even complex and very fine cavities or pores can be integrated into LPBF-produced components.

Durch die beschriebene Anwendung von Laserpulsen können also deutlich feinere Strukturen generiert werden, da diese eine höhere Genauigkeit im Materialabtrag als die üblichen Arbeitslaser ermöglichen, und somit auch feine Hohlräume oder filigrane Gitterstrukturen erzeugt werden können.The use of laser pulses described above means that significantly finer structures can be generated, since these enable greater accuracy in the material removal than the usual working lasers, and thus fine cavities or filigree lattice structures can also be produced.

Des Weiteren wird in das Bauteil so mit Vorteil keine zusätzliche und ungleichmäßige Wärme eingebracht, die innere Spannungen erzeugen könnte. Der ultrakurze intensive Strahlungseintrag führt zu einer direkten (Plasma)verdampfung. Dadurch entstehen vorteilhafterweise keine oder keine nachteilhaften Heiß- Mikro- und/oder Makrorisse, keine Materialermüdung, kein messbares Schmelzbad, ja noch nicht einmal ein messbarer Wärmeaustausch, kein Schmauch, keine laserinduzierten Stoßwellen, keine beeinträchtigte Oberflächenrauheit oder daraus resultierende Materialdefekte, Spannungen oder anderweitige Veränderungen des Gefüges, oder der Oberflächengüte.Furthermore, no additional and non-uniform heat that could generate internal stresses is thus advantageously introduced into the component. The ultra-short, intensive radiation input leads to direct (plasma) evaporation. As a result, there are advantageously no or no disadvantageous hot micro and/or macro cracks, no material fatigue, no measurable molten pool, not even a measurable heat exchange, no smoke, no laser-induced shock waves, no impaired surface roughness or material defects, stresses or other changes resulting therefrom of the structure, or the surface quality.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 3022008 B1 [0015]EP 3022008 B1 [0015]

Claims (15)

Verfahren zum Herstellen von Hohlräumen (11) in einer schichtweise herzustellenden Struktur für ein Bauteil (11), umfassend das Bearbeiten von Material für die Struktur (10) während des schichtweisen Aufbaus der Struktur mit einem Ultrakurzpulslaser (B2), wobei Material abgetragen wird, um Hohlräume (11) gemäß einer vorbestimmten Geometrie in der Struktur herzustellen.Method for producing cavities (11) in a structure for a component (11) to be produced layer by layer, comprising processing material for the structure (10) during the layered construction of the structure with an ultrashort pulse laser (B2), material being removed in order to to produce cavities (11) according to a predetermined geometry in the structure. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Struktur für das Bauteil (10) durch ein pulverbett-basiertes Verfahren, insbesondere selektives Lasersintern, selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen, aufgebaut wird.procedure according to claim 1 , wherein the structure for the component (10) is built up by a powder-bed-based method, in particular selective laser sintering, selective laser melting or electron beam melting. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Struktur für das Bauteil (11) durch selektives Laserschmelzen aufgebaut wird, und wobei der Ultrakurzpulslaser (B2) von einem Schmelzlaser (B1) für das selektive Laserschmelzen verschieden ist.procedure according to claim 1 or 2 , wherein the structure for the component (11) is built up by selective laser melting, and wherein the ultrashort pulse laser (B2) is different from a melting laser (B1) for the selective laser melting. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Energieeintrag des Ultrakurzpulslasers (B2) in das Material derart gewählt wird, dass das Material durch unmittelbares Verdampfen abgetragen wird.Method according to one of the preceding claims, wherein an energy input of the ultrashort pulse laser (B2) into the material is selected in such a way that the material is removed by direct vaporization. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material bearbeitet wird, ohne dass ein regelrechtes Schmelzbad (M) in dem Material entsteht.Method according to one of the preceding claims, in which the material is processed without creating a veritable molten pool (M) in the material. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abtrag (t) von Material durch den Ultrakurzpulslaser (B2) entlang einer Schichtnormalen (z) größer bemessen wird als eine Schichtdicke (L) von aufzutragendem Material.Method according to one of the preceding claims, wherein the ablation (t) of material by the ultrashort pulse laser (B2) along a layer normal (z) is dimensioned to be greater than a layer thickness (L) of material to be applied. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Hohlräume (11) oder Poren mit Abmessungen (d2) hergestellt werden, die kleiner sind als ein Durchmesser (d1) von Pulverpartikeln des Materials.Method according to one of claims 2 until 6 , wherein the cavities (11) or pores are produced with dimensions (d2) that are smaller than a diameter (d1) of powder particles of the material. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material in übereinander folgenden Schichten an der gleichen oder einer geringfügig versetzten (v) Schichtposition abgetragen wird, um Hohlkanäle (11) entlang einer Aufbaurichtung (z) der Struktur zu bilden.A method according to any one of the preceding claims, wherein the material is removed in successive layers at the same or a slightly offset (v) layer position to form hollow channels (11) along a build-up direction (z) of the structure. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material innerhalb einer Schicht (L) abgetragen wird, um Hohlkanäle (11) innerhalb der Schicht der Struktur zu bilden.A method according to any one of the preceding claims, wherein the material within a layer (L) is removed to form hollow channels (11) within the layer of the structure. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ultrakurzpulslaser verwendet wird, eine Oberflächenrauheit der Hohlräume (11) zu reduzieren und/oder eine Oberfläche (12) der Hohlräume zu strukturieren.Method according to one of the preceding claims, wherein the ultrashort pulse laser is used to reduce a surface roughness of the cavities (11) and/or to structure a surface (12) of the cavities. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch den Ultrakurzpulslaser (B2) ausschließlich bereits verfestigtes Material im Anschluss an eine erfolgte selektive Bestrahlung des Materials durchgeführt wird, um die Hohlräume (11) in der Struktur herzustellen.Method according to one of the preceding claims, wherein only already solidified material is carried out by the ultrashort pulse laser (B2) following selective irradiation of the material in order to produce the cavities (11) in the structure. Bauteil (10) hergestellt gemäß dem oder mithilfe des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hohlräume (11) in der Struktur des Bauteils entlang einer Dimension eine Abmessung (d2) haben, die kleiner ist als ein geringster oder Median-Durchmesser von Pulverpartikeln (d1) des Materials.A component (10) made according to or by means of the method of any preceding claim, wherein the voids (11) in the structure of the component along one dimension have a dimension (d2) that is smaller than a minimum or median diameter of powder particles (d1) of the material. Bauteil (10) gemäß Anspruch 12, wobei eine Wandstärke (b) von Strukturen des Bauteils kleiner ist als ein während des Herstellungsprozesses entstehendes Schmelzbad (M) zum Aufbau der entsprechenden Struktur.Component (10) according to claim 12 , wherein a wall thickness (b) of structures of the component is smaller than a melt pool (M) arising during the manufacturing process for building up the corresponding structure. Bauteil (10) gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei das Bauteil (10) eine Gitterstruktur aufweist mit schräg oder diagonal durch das Bauteil verlaufenden Kühlkanälen (11).Component (10) according to claim 12 or 13 , wherein the component (10) has a lattice structure with cooling channels (11) running obliquely or diagonally through the component. Vorrichtung (100) zur additiven Herstellung eines Bauteils umfassend eine Bestrahlungseinrichtung (2, B1) zum selektiven Verfestigen eines Materials für das Bauteil (10), sowie eine Steuerung (4) und eine Strahlquelle zum Anwenden eines Ultrakurzpulslasers zum Abtragen des Materials gemäß Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 eingerichtet ist.Device (100) for the additive manufacturing of a component, comprising an irradiation device (2, B1) for selectively solidifying a material for the component (10), and a controller (4) and a beam source for applying an ultrashort pulse laser to remove the material according to a method according to one the Claims 1 until 11 is set up.
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