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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Einzelvektoren zur Steuerung und/oder Regelung wenigstens eines Energiestrahls einer Schichtbauvorrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schichtbauvorrichtung zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogrammprodukt und ein computerlesbares Speichermedium.
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Additive Schichtbauverfahren bezeichnen Prozesse, bei denen anhand eines virtuellen Modells eines herzustellenden Bauteils oder Bauteilbereichs Geometriedaten ermittelt werden. Abhängig von der Geometrie des Modells wird eine Belichtungs- bzw. Bestrahlungsstrategie bestimmt, gemäß welcher die selektive Verfestigung eines Werkstoffs erfolgen soll. Beim Schichtbauverfahren wird dann der gewünschte Werkstoff schichtweise in Pulverform abgelagert, selektiv mittels des wenigstens einen Energiestrahls abgetastet und verfestigt, um den gewünschten Bauteilbereich additiv aufzubauen. Verschiedene Bestrahlungsparameter wie beispielsweise die Energiestrahlleistung und die Belichtungsgeschwindigkeit eines zum Verfestigen zu verwendenden Energiestrahls sind für die entstehende Gefügestruktur von Bedeutung. Zusätzlich ist auch die Anordnung von sogenannten Scanlinien von Bedeutung. Die Scanlinien, welche auch als Schmelzspuren oder als Belichtungsvektoren bezeichnet werden können, werden definiert durch Einzelvektoren, entlang welchen der wenigstens eine Energiestrahl den Werkstoff abtastet und aufschmilzt. Damit unterscheiden sich additive bzw. generative Herstellungsverfahren von konventionellen abtragenden oder urformenden Fertigungsmethoden. Beispiele für additive Herstellungsverfahren sind generative Lasersinter- bzw. Laserschmelzverfahren, die beispielsweise zur Herstellung von Bauteilen für Strömungsmaschinen wie Flugtriebwerke verwendet werden können. Beim selektiven Laserschmelzen werden dünne Pulverschichten des Werkstoffs oder der verwendeten Werkstoffe auf eine Bauplattform aufgebracht und mit Hilfe eines oder mehrerer Laserstrahlen lokal im Bereich einer Aufbau- und Fügezone aufgeschmolzen und verfestigt. Anschließend wird die Bauplattform abgesenkt, eine weitere Pulverschicht aufgebracht und erneut lokal verfestigt. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis das fertige Bauteil bzw. der fertige Bauteilbereich erhalten wird. Das Bauteil kann anschließend bei Bedarf weiterbearbeitet oder ohne weitere Bearbeitungsschritte verwendet werden. Beim selektiven Lasersintern wird das Bauteil in ähnlicher Weise durch laserunterstütztes Sintern von pulverförmigen Werkstoffen hergestellt. Die Zufuhr der Energie erfolgt hierbei beispielsweise durch Laserstrahlen eines CO2-Lasers, Nd:YAG-Lasers, Yb-Faserlasers, Diodenlasers oder dergleichen. Ebenfalls bekannt sind Elektronenstrahlverfahren, bei welchen der Werkstoff durch einen oder mehrere Elektronenstrahlen selektiv abgetastet und verfestigt wird.
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Die Erstellung bzw. Vorbereitung der Modelle der herzustellenden Bauteile erfolgt meist durch ein CAD-Programm oder dergleichen. Die damit erstellten Geometriedaten werden anschließend durch einen sogenannten Slice-Prozess in Schichtdaten verarbeitet, welche nachfolgend der Schichtbauvorrichtung übergeben werden. Die verarbeiteten Daten umfassen im Wesentlichen Einzelvektoren (XY-Paare und/oder XY-Polylines), die durch die Schichtbauvorrichtung Schicht für Schicht abgearbeitet werden und unter anderem zur Steuerung und/oder Regelung des Energiestrahls dienen.
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Aufgrund der Datenvorbereitung durch CAD folgt die Orientierung der Einzelvektoren keiner geordneten Struktur. An Knotenpunkten dünnwandiger Strukturen, in denen sich drei oder mehr Einzelvektoren treffen bzw. überlappen kommt es häufig dazu, dass mehr Material als eigentlich nötig angebunden wird, wodurch diese Knotenpunkte massiver als die restliche Bauteilstruktur sind (Aufdickung). Insbesondere bei der Herstellung dünnwandiger Strukturen wie Wabendichtungen sind derartige Aufdickungen aber unerwünscht und führen zu ungleichmäßigen mechanischen Eigenschaften.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Herstellung von dünnwandigen Bauteilen oder Bauteilbereichen mit gleichmäßigeren mechanischen Eigenschaften zu ermöglichen. Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin ein Computerprogrammprodukt und ein computerlesbares Speichermedium anzugeben, welche eine entsprechend verbesserte Steuerung und/oder Regelung einer Schichtbauvorrichtung ermöglichen.
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Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Schichtbauvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9, durch ein Computerprogrammprodukt gemäß Patentanspruch 12 sowie durch ein computerlesbares Speichermedium gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Einzelvektoren zur Steuerung und/oder Regelung wenigstens eines Energiestrahls einer Schichtbauvorrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die Schritte a) Bereitstellen von Schichtdaten, welche wenigstens eine additiv herzustellende Bauteilschicht eines Bauteils charakterisieren, b) anhand der Schichtdaten Ermitteln von Einzelvektoren, gemäß welchen wenigstens ein Energiestrahl relativ zu einer Aufbau- und Fügezone der Schichtbauvorrichtung zu bewegen ist, um ein Werkstoffpulver selektiv zur Bauteilschicht zu verfestigen, c) Ermitteln wenigstens eines Knotenpunkts mehrerer Einzelvektoren und d) Anpassen wenigstens einer Eigenschaft wenigstens eines Einzelvektors des wenigstens einen Knotenpunkts, wobei die wenigstens eine Eigenschaft ausgewählt wird aus einer Gruppe, die räumliche Orientierung, Bestrahlungsreihenfolge bezüglich wenigstens eines anderen Einzelvektors und Vektorlänge umfasst. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass von wenigstens einem Einzelvektor, der zusammen mit wenigstens zwei anderen Einzelvektoren einen Knotenpunkt bildet, wenigstens eine Eigenschaft verändert wird, wobei es sich bei der Eigenschaft um die räumliche Orientierung handeln kann, das heißt, dass Startkoordinaten und Endkoordinaten des Einzelvektors vertauscht werden (der Vektor A->B wird in seinen Gegenvektor B->A umgewandelt). Die Orientierung kann damit für jeden Einzelvektor so gewählt werden, dass die resultierende Oberflächenrauheit durch anbackende Pulverpartikel der dünnwandigen Struktur vorteilhaft beeinflusst wird. Diese Oberflächenrauheit ist beim Auskoppeln (Endkoordinaten) größer als beim Einkoppeln (Startkoordinaten), sodass beispielsweise bei der Verbindung von dünnwandigen Strukturen zu einem Träger die ausgekoppelte Seite im Träger enden sollte. Gleiches gilt bei der Anbindung dünnwandiger Strukturen an andere massivere Bauteilstrukturen. Alternativ oder zusätzlich kann es sich um die Bestrahlungsreihenfolge bezüglich wenigstens eines anderen Einzelvektors handeln („erst Vektor A, dann Vektor B“ wird vertauscht in „erst Vektor B, dann Vektor A“), um die Vektorlänge (der Einzelvektor wird verlängert oder verkürzt) oder um eine beliebige Kombination hieraus. Hierdurch wird eine Aufdickung im Knotenpunkt vermieden oder zumindest stark verringert, wodurch insbesondere dünnwandige Bauteilstrukturen wesentlich exakter und mit gleichmäßigeren mechanischen Eigenschaften hergestellt werden können. Generell sind „ein/eine“ im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmte Artikel zu lesen, also ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe immer auch als „mindestens ein/mindestens eine“. Umgekehrt können „ein/eine“ auch als „nur ein/nur eine“ verstanden werden.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass als Polygonzug vorliegende Einzelvektoren vor Schritt d) in Einzelvektoren aufgeteilt werden und/oder dass wenigstens zwei als Einzelvektoren vorliegende Einzelvektoren nach Schritt d) zu einem offenen oder geschlossenen Polygonzug zusammengefasst werden. Unter einem Polygonzug, der auch als „Polyline“ bezeichnet werden kann, wird eine durchgehende Linie verstanden, die aus mehreren Einzelvektoren besteht, die Liniensegmente bilden. Hierdurch können Ein- und Auskoppelpunkte des Energiestrahls reduziert werden, was ebenfalls die Herstellung dünnwandiger Strukturen verbessert. Eine Polylinie kann zudem vorteilhaft als ein einzelnes Datenobjekt behandelt werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass eine Bestrahlungsreihenfolge wenigstens zweier Einzelvektoren entgegen einer vorbestimmten Strömungsrichtung eines Schutzgasstroms der Schichtbauvorrichtung eingestellt wird. Indem die Bestrahlungs- bzw. Belichtungsreihenfolge entgegen der Strömungsrichtung angeordnet wird, kann eine nachteilige Beeinflussung durch Prozessnebenprodukte vorteilhaft verhindert werden, was zu einer höheren Bauteilqualität und einem geringeren Nachbearbeitungsaufwand führt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Knotenpunkt ein Split-Knotenpunkt oder ein Fusions-Knotenpunkt ist. Unter einem Split-Knotenpunkt wird ein Knotenpunkt verstanden, bei dem sich ein Einzelvektor in zwei oder mehr Einzelvektoren verzweigt, während unter einem Fusions-Knotenpunkt ein Knotenpunkt verstanden wird, bei dem sich zwei oder mehr Einzelvektoren treffen und den Startpunkt eines einzelnen Einzelvektors bilden. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anpassung des oder der Einzelvektoren eines Knotenpunkts kann bei beiden Knotenpunkt-Varianten die Entstehung von Aufdickungen im Bereich des Treffpunkts der einzelnen Einzelvektoren zuverlässig verhindert werden.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass wenigstens ein Knotenpunkt durch Veränderung der Vektorlänge wenigstens eines Einzelvektors aufgelöst wird. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Länge wenigstens eines Einzelvektors derart verändert wird, dass dieser sich nicht mehr im Knotenpunkt mit anderen Einzelvektoren des Knotenpunkts trifft bzw. sein Start- oder Endpunkt nicht mehr unmittelbar an die Start- oder Endpunkte anderer Einzelvektoren angrenzt, sondern von diesen beabstandet ist. Dies stellt eine einfache Möglichkeit zur Vermeidung von Aufdickungen im Knotenpunkt dar. An Knotenpunkten überlagern sich Ein- und Auskoppelpunkte des Energiestrahls, wodurch eine Aufdickung des Materials entsteht. Durch die Auflösung des Knotenpunktes durch die Veränderung der Vektorlänge wird die Mehrfachbelichtung so angepasst, dass eine Anbindung der Einzelspuren ohne Anbindungsfehler bzw. Aufdickungen stattfindet. Insbesondere bei Dichtelementen mit Einlaufbereich und ähnlichen Bauteilen ist dies von Vorteil, da die Einlauffläche kleiner wird. Zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass der Knotenpunkt noch in Verzweigungen unterteilt wird. Je nach Kategorie der Verzweigung (Split/Fusion) kann die Änderung der Vektorlänge am Knotenpunkt unterschiedlich angepasst werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass die Bestrahlungsreihenfolge mehrerer Einzelvektoren in eine Aufbaurichtung sortiert wird und/oder dass die räumliche Orientierung mehrerer Einzelvektoren in die gleiche Richtung eingestellt wird. Hierdurch kann eine geordnete Bestrahlung mit einem Minimum an Richtungsänderungen des Energiestrahls erreicht werden. Neben einer Beschleunigung des Herstellungsverfahrens werden damit auch eine verbesserte Gefügestruktur und eine geringere Interaktion mit Prozessnebenprodukten sichergestellt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bestrahlungsreihenfolge mehrerer Einzelvektoren derart sortiert und/oder orientiert wird, dass eine Sprunganzahl des Energiestrahls für die Bauteilschicht minimiert wird. Durch eine derartige Minimierung der Ein- und Auskopplungen können ebenfalls eine verbesserte Gefügestruktur und eine geringere Interaktion mit Prozessnebenprodukten sichergestellt werden.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die angepassten Einzelvektoren an eine Steuereinrichtung der Schichtbauvorrichtung übermittelt und zur Steuerung und/oder Regelung des wenigstens einen Energiestrahls der Schichtbauvorrichtung verwendet werden, um wenigstens eine Bauteilschicht additiv herzustellen. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die erfindungsgemäß angepassten Einzelvektoren gegebenenfalls zusammen mit weiteren Daten an eine Steuereinrichtung der Schichtbauvorrichtung übermittelt werden und im Rahmen eines Schichtbauverfahrens zur optimierten Herstellung eines oder mehrerer Bauteile verwendet werden, insbesondere von dünnwandigen Bauteilen einer Strömungsmaschine wie beispielsweise einem Dichtungselement einer Wabendichtstruktur. Dabei kann es grundsätzlich vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung selbst die erfindungsgemäße Anpassung der Einzelvektoren durchführt. Vorzugsweise ist das Bauteil als Wabenstruktur für eine Wabendichtung ausgebildet. Eine solche Wabenstruktur kann in Alleinstellung oder in Kombination mit einem Dichtungsträger zur Abdichtung in Strömungsmaschinen wie Gasturbinen bzw. Flugtriebwerken verwendet werden.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren. Die Schichtbauvorrichtung umfasst mindestens eine Pulverzuführung zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer bewegbaren Bauplattform, mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls zum schichtweisen und lokalen Verfestigen des Werkstoffs durch selektives Abtasten und Aufschmelzen des Werkstoffs entlang von Scanlinien und eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, die Pulverzuführung so zu steuern, dass diese mindestens eine Pulverschicht des Werkstoffs auf die Aufbau- und Fügezone der Bauplattform aufträgt, und die Bauplattform so zu steuern, dass diese schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke abgesenkt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, angepasste Einzelvektoren, die mittels eines Verfahrens gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ermittelt sind, zur Steuerung und/oder Regelung des wenigstens einen Energiestrahls zu verwenden, um wenigstens eine Bauteilschicht additiv herzustellen. Hierdurch können insbesondere dünnwandige Bauteilstrukturen wesentlich besser und präziser hergestellt werden, da bisher auftretende Aufdickungen an Knotenpunkten verhindert werden können. Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung des ersten Erfindungsaspekts.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt durchzuführen. Hierdurch ist die Steuereinrichtung nicht auf die Übermittlung von bereits erfindungsgemäß angepassten Einzelvektoren angewiesen, sondern kann die entsprechenden Optimierungen selbst vornehmen. Hierdurch können auch bereits vorhandene oder noch nicht optimierte Datensätze nachträglich im Sinne der Erfindung optimiert werden.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass diese als selektive Lasersinter- und/oder -schmelzvorrichtung ausgebildet ist. Hierdurch können Bauteilbereiche und komplette Bauteile hergestellt werden, deren mechanischen Eigenschaften zumindest im Wesentlichen richtungsunabhängig sind. Zur Erzeugung eines Laserstrahls als der Energiestrahl können beispielsweise C02-Laser, Nd:YAG-Laser, Yb-Faserlaser, Diodenlaser oder dergleichen vorgesehen sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Elektronen- und/oder Laserstrahlen als jeweilige Energiestrahlen verwendet werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch eine Recheneinrichtung diese dazu veranlassen, das Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung auszuführen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch eine Recheneinrichtung diese dazu veranlassen, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auszuführen. Die Recheneinrichtung kann ein eigenständiges Gerät sein, dass mit der Steuereinrichtung einer Schichtbauvorrichtung zum Datenaustausch gekoppelt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Recheneinrichtung Teil der Steuerenrichtung der Schichtbauvorrichtung sein. Auch eine verteilte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf mehreren Recheneinrichtungen kann vorgesehen sein.
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Die vorliegende Erfindung kann mit Hilfe eines Computerprogrammprodukts realisiert werden, das Programmmodule umfasst, die von einem computerverwendbaren oder computerlesbaren Medium aus zugänglich sind und Programmcode speichern, der von oder in Verbindung mit einem oder mehreren Computern, Prozessoren oder Befehlsausführungssystemen einer Schichtbauvorrichtung verwendet wird. Für die Zwecke dieser Beschreibung kann ein computerverwendbares oder computerlesbares Medium jede Vorrichtung sein, die das Computerprogrammprodukt zur Verwendung durch oder in Verbindung mit dem Befehlsausführungssystem oder der Schichtbauvorrichtung enthalten, speichern, kommunizieren, verbreiten oder transportieren kann. Das Medium kann ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infrarot- oder Halbleitersystem oder ein Ausbreitungsmedium an sich sein, da Signalträger nicht in der Definition des physischen, computerlesbaren Mediums enthalten sind. Dazu gehören ein Halbleiter- oder Festkörperspeicher, Magnetband, eine austauschbare Computerdiskette, ein Direktzugriffsspeicher (RAM), ein Nur-Lese-Speicher (ROM), eine starre Magnetplatte und eine optische Platte wie ein Nur-Lese-Speicher (CD-ROM, DVD, Blue-Ray etc.), oder eine beschreibbare optische Platte (CD-R, DVD-R). Sowohl Prozessoren als auch Programmcode zur Implementierung der einzelnen Aspekte der Erfindung können zentralisiert oder verteilt werden (oder eine Kombination davon).
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Schichtbauvorrichtung;
- 2 eine Prinzipdarstellung mehrerer nicht-sortierter und nicht-orientierter Einzelvektoren;
- 3 eine Prinzipdarstellung mehrerer orientierter Einzelvektoren;
- 4 eine Prinzipdarstellung mehrerer sortierter und orientierter Einzelvektoren;
- 5 eine Prinzipdarstellung eines verbreiterten Split-Knotenpunkts;
- 6 eine Prinzipdarstellung eines verbreiterten Fusion-Knotenpunkts;
- 7 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Split-Knotenpunkts; und
- 8 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Fusion-Knotenpunkts.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Schichtbauvorrichtung 10. Die Schichtbauvorrichtung 10 dient zur additiven Herstellung eines Bauteils 14 durch ein additives Schichtbauverfahren. Die Schichtbauvorrichtung 10 umfasst mindestens eine Pulverzuführung 16 mit einem Pulverbehälter 18 und einem Beschichter 20. Die Pulverzuführung 16 dient zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs 22 auf eine Aufbau- und Fügezone II einer gemäß Pfeil B bewegbaren Bauplattform 24. Hierzu wird der Beschichter 20 gemäß Pfeil III bewegt, um Werkstoff 22 aus dem Pulverbehälter 18 zur Aufbau- und Fügezone II zu transportieren. Die Schichtbauvorrichtung 10 umfasst weiterhin mindestens eine Strahlungsquelle 26 zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls 28, beispielsweise in Form eines Laserstrahls, zum schichtweisen und lokalen Verfestigen des Werkstoffs 22, indem der Werkstoff 22 mit dem Energiestrahl 28 entlang von Scanlinien selektiv abgetastet und aufgeschmolzen wird. Zusätzlich ist eine Steuereinrichtung 30 vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, die Pulverzuführung 16 so zu steuern, dass diese mindestens eine Pulverschicht des Werkstoffs 22 auf die Aufbau- und Fügezone II der Bauplattform 24 aufträgt und die Bauplattform 24 schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke gemäß Pfeil B absenkt. Weiterhin umfasst die Schichtbauvorrichtung 10 eine grundsätzlich optionale optische Einrichtung 32, mittels welcher der Energiestrahl 28 über die Aufbau- und Fügezone II bewegt werden kann. Die Strahlungsquelle 26 und die Einrichtung 32 sind mit der Steuereinrichtung 30 zum Datenaustausch gekoppelt. Weiterhin umfasst die Schichtbauvorrichtung 10 eine ebenfalls grundsätzlich optionale Heizeinrichtung 34, mittels welcher das Pulverbett auf eine gewünschte Basistemperatur temperierbar ist. Die Heizeinrichtung 34 kann beispielsweise eine oder mehrere feststehende oder bewegliche Induktionsspule(n) umfassen. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Heizelemente, beispielsweise IR-Strahler oder dergleichen vorgesehen sein.
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Die Steuereinrichtung 30 ist erfindungsgemäß dazu eingerichtet, die Strahlungsquelle 26 anzusteuern und dadurch den Energiestrahl 28 beim selektiven Abtasten entlang der Scanlinien zu bewegen. Die Scanlinien werden auf der Datenebene durch Einzelvektoren definiert, wie sie in 2 bis 8 mit Pfeilen dargestellt sind. Bei den Pfeilen markiert die Pfeilspitze jeweils die Endkoordinate des betreffenden Einzelvektors, während das gegenüberliegende Ende des Einzelvektors die Startkoordinate markiert.
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Mittels additiver Verfahren können Bauteile 14 schichtweise aufgebaut werden. Gerade in Bereichen der Gasturbinen- und Triebwerksindustrie findet das Verfahren des pulverbettbasierten Laserschmelzens (LPBF) Anwendung und wird für Halterungen und Dichtungselemente bereits in Serie verwendet. Die Herstellung von dünnwandigen Strukturen (z. B. Wabenstruktur) wird häufig durch einen eigenen Parametersatz realisiert. Die Vorbereitung der Geometriedaten bzw. des Bauteilmodells erfolgt hierbei meist durch ein CAD-Programm. Die vorbereiteten Geometriedaten werden anschließend durch einen sogenannten Slice-Prozess in Schichtdaten zerlegt, welche nachfolgend der Schichtbauvorrichtung 10 bzw. der Steuereinrichtung 30 übergeben werden. Der verarbeitete Datensatz besteht im Wesentlichen aus Einzelvektoren (XY-Paare und/oder XY-Polylines bzw. - Polygonzüge), die durch die Schichtbauvorrichtung 10 Schicht für Schicht abgearbeitet werden, um die jeweiligen Bauteilschichten aufzubauen. Aufgrund der Datenvorbereitung im CAD folgt die Orientierung der Vektoren und Polylines derzeit keiner geordneten Struktur. Zusätzlich ist die Belichtungsreihenfolge der Vektoren nicht sortiert, was zu ungewünschten Interaktionen mit Prozessnebenprodukten führen kann. Aus der durchgängigen Belichtung jedes Einzelvektors ergibt sich darüber hinaus eine Mehrfachbelichtung an Knotenpunkten 40. Diese hat zur Folge, dass hier mehr Material als gewollt aufgeschmolzen und angebunden wird und diese Kontenpunkte 40 massiver als die restliche dünnwandige Struktur sind. Dies wird in 5 und 6 dargestellt. 5 zeigt dabei eine Prinzipdarstellung eines verbreiterten Split-Knotenpunkts 40, während 6 eine Prinzipdarstellung eines verbreiterten Fusion-Knotenpunkts 40 zeigt. Unter einem Split-Knotenpunkt 40 wird ein Knotenpunkt 40 verstanden, bei dem sich ein Einzelvektor in zwei oder mehr Einzelvektoren verzweigt, während unter einem Fusions-Knotenpunkt 40 ein Knotenpunkt 40 verstanden wird, bei dem sich zwei oder mehr Einzelvektoren treffen, so dass ihre Endpunkte auf dem Startpunkt eines einzelnen Einzelvektors liegen.
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Durch eine digitale Bearbeitung der Schichtdaten können die genannten Probleme nach Bedarf behoben und korrigiert werden. Hierzu existieren verschiedene Maßnahmen, die einzeln oder in beliebiger Kombination von einer Recheneinrichtung (nicht gezeigt) oder der Steuereinrichtung 30 der Schichtbauvorrichtung 10 durchgeführt werden können:
- a) Vorhandene XY-Polylines werden wieder in Einzelvektoren getrennt, sodass die Belichtungsreihenfolge und Orientierung gezielt angepasst werden kann;
- b) die Belichtungsorientierung der Einzelvektoren (Startkoordinaten zu Endkoordinaten) kann für jeden Einzelvektor so gewählt werden, dass die resultierende Oberflächenrauheit der hergestellten dünnwandigen Struktur positiv beeinflusst wird. Die Oberflächenrauheit wird in erster Linie durch anbackende Pulverpartikel an den Einzelspuren beeinflusst. Die Oberflächenrauheit ist generell beim Auskoppeln (Endkoordinaten eines Einzelvektors) größer als beim Einkoppeln (Startkoordinaten eines Einzelvektors), sodass beispielsweise bei der Verbindung von dünnwandigen Strukturen zu einer dickwandigen Struktur die ausgekoppelte Seite an der dickwandigen Struktur enden sollte. Hierzu können die Start- und Endkoordinaten des betreffenden Einzelvektors vertauscht werden.
- c) die Belichtungsreihenfolge wird entgegen einer Strömungsrichtung einer Schutzgasströmung der Schichtbauvorrichtung 10 geordnet, um eine Beeinflussung durch Prozessnebenprodukte zu unterbinden. Auch hierdurch können insbesondere dünnwandige Strukturen präziser und störungsfreier hergestellt werden. 2 zeigt zur Verdeutlichung eine Prinzipdarstellung mehrerer nicht-sortierter und nicht-orientierter Einzelvektoren, während 3 eine Prinzipdarstellung mehrerer in der Abbildung von links nach rechts orientierter Einzelvektoren und 4 eine Prinzipdarstellung mehrerer in der Abbildung von unten nach oben sortierter und von links nach rechts orientierter Einzelvektoren zeigt.
- d) Bei Bedarf können die Einzelvektoren an gewissen Stellen oder vollständig wieder zu einer oder mehreren Polylinien zusammengefasst werden, unter der Bedingung, dass eine angepasste Belichtungsreihenfolge und -orientierung nicht verändert wird. Hierdurch können Ein- und Auskoppelpunkte des Energiestrahls 28 vorteilhaft reduziert werden.
- e) Abschließend können durch Anpassung der Vektorlänge bestimmter Einzelvektoren Knotenpunkte 40 auf der Datenebene aufgelöst werden. An Knotenpunkten 40 überlagern sich Ein- und Auskoppelpunkte des Energiestrahls 28, wodurch in der Praxis eine Aufdickung des Materials entsteht (5, 6). Durch die mathematische Auflösung des Knotenpunktes 40 wird die Mehrfachbelichtung so angepasst, dass in der Praxis ein Knotenpunkt 40 gebildet wird, eine Anbindung der Einzelvektoren aber ohne Anbindungsfehler stattfindet. Insbesondere bei Dichtelementen mit Einlaufbereich ist dies von Vorteil, da die Einlauffläche kleiner wird. Beispielsweise kann damit ein Abplatzen von Finbeschichtungen einer einlaufenden Laufschaufel einer Strömungsmaschine reduziert werden. 7 zeigt hierzu eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Split-Knotenpunkts 40, während 8 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Fusion-Knotenpunkts 40 darstellt. Man erkennt, dass durch die Verkürzung der Einzelvektoren sich die jeweiligen Schmelzbäder im Knotenpunkt 40 ohne Ausbildung einer Aufdickung vereinigen, wodurch eine präzise und aufdickungsfreie dünnwandige Struktur erzeugt wird. Die Knotenpunkte können hierbei in Verzweigungstypen unterteilt werden. Je nach Kategorie der Verzweigung (Split / Fusion) kann die Änderung der Vektorlänge bestimmter Einzelvektoren an einem Knotenpunkt 40 unterschiedlich gewählt bzw. eingestellt werden. Beispielsweise ist in 7 die Vektorlänge der V-förmig verzweigen Einzelvektoren ausgehend vom Mittelpunkt P des Knotenpunkt 40 stärker verkürzt als die Vektorlänge des einzelnen Einzelvektors (Betrag (1) größer als Betrag (2)), da die Schmelzbäder der beiden verzweigten Einzelvektoren stärker miteinander überlappen als mit dem Schmelzbad des anderen Einzelvektors. Analog sind in 8 die Vektorlängen der V-förmig verzweigten Einzelvektoren bezüglich des Mittelpunkts P stärker verkürzt als die Vektorlänge des anderen Einzelvektors (Betrag (4) größer als Betrag (3)).
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Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen - beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Systemfehlern, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen - als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schichtbauvorrichtung
- 14
- Bauteil
- 16
- Pulverzuführung
- 18
- Pulverbehälter
- 20
- Beschichter
- 22
- Werkstoff
- 24
- Bauplattform
- 26
- Strahlungsquelle
- 28
- Energie strahl
- 30
- Steuereinrichtung
- 32
- Einrichtung
- 34
- Heizeinrichtung
- 40
- Knotenpunkt
- P
- Mittelpunkt
