DE102020209386A1 - Process for producing cavities in a layer-wise additively manufactured structure - Google Patents
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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
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.
Die
In den
Die
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.
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
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
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
Anders als von der
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
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
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
Wie anhand der
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
Weiterhin ist in den
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
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
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
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
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
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
Die
Soll nun - ausgehend von der Situation in
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
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
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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- EP 3022008 B1 [0015]EP 3022008 B1 [0015]
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