DE102021200994A1 - Irradiation strategy for additive manufacturing with pulsed irradiation - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Bestrahlung einer Materialschicht (L) in der additiven Herstellung eines Bauteils (10) angegeben. Das Verfahren umfasst das Festlegen eines ersten gepulsten Energieeintrags (E1) in die Materialschicht (L) entlang eines Bestrahlungsvektors (V), wobei der erste Energieeintrag (E1) eine Mehrzahl von separaten Schmelzbädern (S1) in der Materialschicht (L) bewirkt, und das Festlegen eines zweiten gepulsten Energieeintrags (E2) in die Materialschicht (L) entlang desselben Bestrahlungsvektors (V), wobei der zweite Energieeintrag (E2) eine Bestrahlung von Materialbereichen zwischen den durch den ersten gepulsten Energieeintrag (E1) hervorgerufenen separaten Schmelzbädern (S1) bewirkt, wobei Schichtmaterial durch eine Bestrahlung mit dem ersten und dem zweiten gepulsten Energieeintrag (E1, E2) durchgehend entlang des Bestrahlungsvektors (V) bestrahlt wird. Weiterhin werden ein entsprechendes Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt angegeben.A method for irradiating a material layer (L) in the additive manufacturing of a component (10) is specified. The method comprises determining a first pulsed energy input (E1) into the material layer (L) along an irradiation vector (V), the first energy input (E1) causing a plurality of separate molten pools (S1) in the material layer (L), and that Determination of a second pulsed energy input (E2) into the material layer (L) along the same irradiation vector (V), the second energy input (E2) causing an irradiation of material regions between the separate melt pools (S1) caused by the first pulsed energy input (E1), wherein layer material is irradiated continuously along the irradiation vector (V) by irradiation with the first and the second pulsed energy input (E1, E2). A corresponding computer program or computer program product is also specified.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestrahlung einer Materialschicht in der additiven Herstellung eines Bauteils, sowie ein entsprechendes Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt.The present invention relates to a method for irradiating a material layer in the additive manufacturing of a component, and a corresponding computer program or computer program product.
Das genannte Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen. Beispielsweise betrifft das Bauteil eine zu kühlende Komponente mit einem dünnwandigen oder filigranen Design. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Bauteil um eine Komponente für den Einsatz in der Automobilität oder im Luftfahrtsektor handeln. Solche Komponenten sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um insbesondere ihre Effizienz im Einsatz zu steigern.Said component is preferably provided for use in the hot gas path of a gas turbine. For example, the component relates to a component to be cooled with a thin-walled or filigree design. Alternatively or additionally, the component can be a component for use in automobiles or in the aviation sector. Such components are the subject of constant improvement, in particular to increase their efficiency in use.
Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund ihres für die Industrie disruptiven Potenzials zunehmend interessant auch für die Serienherstellung dieser Bauteile.Due to its disruptive potential for industry, generative or additive manufacturing is also becoming increasingly interesting for the series production of these components.
Additive Herstellungsverfahren (AM: „additive manufacturing“), umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet, umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM). 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).Additive manufacturing processes (AM: "additive manufacturing"), colloquially also referred to as 3D printing, include, for example, powder bed processes such as selective laser melting (SLM) or laser sintering (SLS), or electron beam melting (EBM). 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).
Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen mit gepulster Bestrahlung ist beispielsweise bekannt aus
Additive Fertigungsverfahren haben sich weiterhin 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. Die Herstellung von Gasturbinenschaufeln mittels der beschriebenen pulverbett-basierten Verfahren (LPBF englisch für „Laser Powder Bed Fusion“) ermöglicht insbesondere 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.Additive manufacturing processes have also 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. The production of gas turbine blades using the described powder bed-based process (LPBF for “Laser Powder Bed Fusion”) enables in particular 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 Komponenten stehen der additiven Fertigungsroute, beispielsweise hinsichtlich ihrer Formgebungsfreiheit und auch in Bezug auf die erforderliche Durchlaufzeit und den damit verbundenen hohen Kosten sowie dem fertigungstechnischen Aufwand, deutlich nach.Components manufactured in a conventional way, for example by casting, are significantly inferior to the additive manufacturing route, for example in terms of their freedom of shape and also in relation to the required throughput time and the associated high costs and the manufacturing effort.
Durch den Pulverbettprozess entstehen in der Bauteilstruktur inhärent jedoch hohe thermische Spannungen. Insbesondere führen zu kurz bemessene Bestrahlungswege oder -vektoren zu starken Überhitzungen, die häufig wiederum zum Verzug der Struktur führen. Ein starker Verzug während des Aufbauprozesses führt leicht zu strukturellen Ablösungen, thermischen Verformungen oder geometrischen Abweichungen außerhalb einer zulässigen Toleranz.However, the powder bed process inherently creates high thermal stresses in the component structure. In particular, irradiation paths or vectors that are too short lead to severe overheating, which in turn often leads to distortion of the structure. Severe warping during the build process easily leads to structural delamination, thermal distortion, or geometric deviations outside of an allowable tolerance.
Neuartige LPBF-Prozessentwicklungen oder verwandte Verfahren verwenden zur schweißtechnischen Verarbeitung teilweise einen pulsmodulierten („pw“ englisch für „pulsed-wave“) Laser, um insbesondere dünnwandige Strukturen mit Wanddicken bzw. New LPBF process developments or related methods sometimes use a pulse-modulated ("pw" for "pulsed-wave") laser for welding processing, in particular to weld thin-walled structures with wall thicknesses or
Schmelzspurbreiten von ca. 100 µm oder weniger zu produzieren. Diese Strukturauflösung ist insbesondere begrenzt durch die Kopplung des Verfestigungsprozesses an die diskrete Erstarrung einzelner Schmelzbäder. Aktuell sind pw-Prozesse für dünnwandige Strukturen wie auch für andere Anwendungen ohnehin nur in vergleichsweise niederfrequenten Pulsbereichen möglich. Ab einer Pulsfrequenz von etwa 4000 Hz aufwärts bewirkt die hohe zeitlich (und räumlich) eingebrachte Energie konventioneller gepulster Energieeinträge, dass effektiv gerade keine diskreten Schmelzbäder mehr vorliegen bzw. diese nicht mehr diskret erstarren können.To produce melt track widths of about 100 microns or less. This structural dissolution is limited in particular by the coupling of the hardening process to the discrete solidification of individual molten pools. Currently, pw processes for thin-walled structures, as well as for other applications, are only possible in comparatively low-frequency pulse ranges anyway. From a pulse frequency of around 4000 Hz upwards, the high temporal (and spatial) energy introduced by conventional pulsed energy inputs means that there are effectively no longer any discrete molten pools or they can no longer solidify discretely.
Dies wiederum bewirkt die gleichen Einschränkungen und Implikationen für die räumliche Auflösung, welche ja bekanntlich bei einem kontinuierlichen oder Dauerstrich-Bestrahlungsbetrieb („cw“ englisch für „continuous-wave“) deutlich schlechter ist. D.h. Wanddicken von 100 µm und weniger sind über eine kontinuierliche Bestrahlung bei sonst gleichen Randbedingungen nicht erreichbar.This in turn causes the same limitations and implications for the spatial resolution, which is known to be significantly poorer in continuous wave (“cw” for “continuous wave”) irradiation. This means that wall thicknesses of 100 µm and less cannot be achieved with continuous irradiation under otherwise identical boundary conditions.
Zwar bedeutet der pw-Prozess eine verbesserte räumlichen Auflösung der aufzubauenden Strukturen; aber auch deutliche Einschränkungen der Prozesseffizienz.It is true that the pw process means improved spatial resolution of the structures to be built; but also significant limitations in process efficiency.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Prozesseffizienz gepulster oder pulsmodulierter Energieeinträge für die selektive Bestrahlung im Bereich AM zu verbessern, wobei gleichzeitig vorzugsweise eine besonders gute strukturelle Abbildung dünnwandiger Strukturen ermöglicht wird.It is therefore an object of the present invention to improve the process efficiency of pulsed or pulse-modulated energy inputs for selective irradiation in the AM range, while at the same time preferably particularly good structural imaging of thin-walled structures is made possible.
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 zur Bestrahlung einer Materialschicht in der additiven, insbesondere pulverbett-basierten, Herstellung eines Bauteils, umfassend das Festlegen eines ersten gepulsten Energieeintrags in die Materialschicht entlang eines Bestrahlungsvektors, wobei der erste Energieeintrag eine Mehrzahl von separaten, insbesondere diskreten bzw. voneinander beabstandeten, Schmelzbädern in der Materialschicht bewirkt. Zweckmäßigerweise besteht kein Überlapp dieser genannten separaten Schmelzbäder untereinander.One aspect of the present invention relates to a method for irradiating a material layer in the additive, in particular powder-bed-based, production of a component, comprising determining a first pulsed energy input into the material layer along an irradiation vector, the first energy input having a plurality of separate, in particular discrete or spaced apart, melt pools in the material layer causes. Expediently, there is no overlap between these separate molten baths.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Festlegen eines zweiten und/oder dritten oder weiteren, insbesondere versetzten, gepulsten Energieeintrags in die Materialschicht entlang desselben Bestrahlungsvektors, wobei dieser zweite und/oder weitere Energieeintrag eine Bestrahlung von Materialbereichen zwischen den durch den ersten gepulsten Energieeintrag hervorgerufenen separaten Schmelzbädern bewirkt, wobei Schichtmaterial durch eine Bestrahlung mit dem ersten und dem zweiten gepulsten Energieeintrag gleichförmig bzw. durchgehend entlang des Bestrahlungsvektors bestrahlt wird oder verfestigt werden kann.The method also includes specifying a second and/or third or additional, in particular offset, pulsed energy input into the material layer along the same irradiation vector, with this second and/or additional energy input causing an irradiation of material regions between the separate molten pools caused by the first pulsed energy input , wherein layer material is irradiated or can be solidified uniformly or continuously along the irradiation vector by irradiation with the first and the second pulsed energy input.
Durch diese Vorgehensweise kann - im Gegensatz zu konventionellen Verfahren, welche ebenfalls eine gepulste Bestrahlung solcher Materialschichten anwenden - eine Entkopplung des Prozesses von der notwendigen Abkühlzeit diskreter Schmelzbäder erreicht werden. Wie anhand der weiteren Ausführungsbeispiele vorliegend verdeutlicht, erlaubt die Anwendung einer Bestrahlung der Materialschicht anhand der beiden beschriebenen Modi bzw. Energieeinträge, dass einzelne diskrete Schmelzbäder einer jeden Materialschicht parallel (gleichzeitig) abkühlen und eine Schmelzspur, welche durch die ersten gepulsten Energieeinträge noch unterbrochen war, durch die zweiten oder weiteren gepulsten Energieeinträge zu einer kontinuierlichen Schmelzspur vorteilhaft vervollständigt werden können. In diesem Kontext sind die beschriebenen gepulsten Energieeinträge vorteilhafterweise, aber nicht notwendigerweise, artgleich oder gleichförmig. Ein Unterschied dieser Energieeinträge mag lediglich durch die Anordnung oder lokale Anwendung dieser Energieeinträge durch einen Energiestrahl, beispielsweise einen Laser oder einen Elektronenstrahl, im Pulverbett bestimmt werden.In contrast to conventional methods, which also use pulsed irradiation of such material layers, this procedure can be used to decouple the process from the necessary cooling time for discrete molten baths. As illustrated by the further exemplary embodiments, the use of irradiation of the material layer using the two described modes or energy inputs allows individual discrete molten pools of each material layer to cool down in parallel (simultaneously) and a melting track, which was still interrupted by the first pulsed energy inputs, can be advantageously completed by the second or further pulsed energy inputs to form a continuous melting track. In this context, the pulsed energy inputs described are advantageously, but not necessarily, of the same species or uniform. A difference in these energy inputs may only be determined by the arrangement or local application of these energy inputs by an energy beam, for example a laser or an electron beam, in the powder bed.
Mit weiterhin anderen Worten wird durch den beschriebenen Ansatz eine maximal mögliche Frequenz in der gepulsten Bestrahlung durch die Abkopplung von der Abkühlzeit erhöht, wodurch die Produktivität bzw. Effizienz selektiver additiver Herstellungsprozesse, als maßgebliche Limitierung, deutlich gesteigert oder verbessert werden kann.In other words, the approach described increases a maximum possible frequency in the pulsed irradiation by decoupling it from the cooling time, as a result of which the productivity or efficiency of selective additive manufacturing processes, as a significant limitation, can be significantly increased or improved.
In einer Ausgestaltung bewirken der erste und der zweite gepulste Energieeintrag jeweils eine diskrete Erstarrung von Material in der Schicht.In one configuration, the first and the second pulsed energy input each bring about a discrete solidification of material in the layer.
In einer Ausgestaltung wird der zweite gepulste Energieeintrag so festgelegt, dass dadurch ebenfalls eine Mehrzahl von separaten Schmelzbädern in der Materialschicht entsteht, wobei diese Schmelzbäder entlang des besagten Bestrahlungsvektors, vorzugsweise zeitlich und/oder räumlich, versetzt zu den von dem ersten gepulsten Energieeintrag bewirkten Schmelzbädern angeordnet werden. Diese Ausgestaltung ermöglicht zweckmäßig die oben beschriebenen technischen Verbesserungen.In one embodiment, the second pulsed energy input is defined in such a way that a plurality of separate melt pools is also formed in the material layer, these melt pools being offset along said irradiation vector, preferably in terms of time and/or space in relation to the melt pools caused by the first pulsed energy input will. This embodiment expediently enables the technical improvements described above.
In einer Ausgestaltung wird der zweite gepulste Energieeintrag zeitlich verzögert zu dem ersten gepulsten Energieeintrag angewendet, insbesondere um die diskrete Erstarrung der daraus hervorgehenden Schmelzbäder zu erreichen.In one embodiment, the second pulsed energy input is applied with a time delay in relation to the first pulsed energy input, in particular in order to achieve the discrete solidification of the molten baths resulting therefrom.
In einer Ausgestaltung werden die genannten Energieeinträge derart festgelegt, dass Schmelzbäder bzw. Schmelzspuren des (verfestigten) Schichtmaterials, welche aus der Bestrahlung mit dem ersten gepulsten Energieeintrag und Schmelzbädern, welche durch die Bestrahlung mit dem zweiten gepulsten Energieeintrag in die Materialschicht hervorgehen, zwischen 30 % und 60 %, insbesondere 50 %, einer Schmelzbadbreite mit den jeweils andersartigen Schmelzbädern überlappen, um eine durchgehende Materialverfestigung zu bewirken. Die genannte Schmelzbadbreite kann dabei die Schmelzbäder, welche aus dem ersten Energieeintrag hervorgehen und/oder solche, welche aus dem zweiten Energieeintrag hervorgehen, bemessen.In one embodiment, the energy inputs mentioned are defined in such a way that molten pools or traces of melting of the (solidified) layer material, which result from the irradiation with the first pulsed energy input and molten pools, which result from the irradiation with the second pulsed energy input in the material layer, are between 30% and 60%, in particular 50%, of a melt pool width overlap with the respective different melt pools in order to bring about a continuous material hardening. The stated melt pool width can measure the melt pools that result from the first energy input and/or those that result from the second energy input.
In einer Ausgestaltung hat eine Schmelzspur bzw. ein Materialauftrag oder eine Schweißspur, welche aus der Bestrahlung mit dem ersten und/oder dem zweiten gepulsten Energieeintrag hervorgeht, eine, insbesondere mittlere, Breite, die dem Einbis Eineinhalbfachen eines Durchmessers des Energiestrahls entspricht. Gemäß dieser Ausgestaltung kann die Schmelzspurbreite zweckmäßig ausgehend von dem entsprechenden Strahldurchmesser dimensioniert werden.In one embodiment, a melting track or an application of material or a welding track, which results from the irradiation with the first and/or the second pulsed energy input, has a particularly average width that corresponds to one to one and a half times the diameter of the energy beam. According to this configuration, the melting track width can expediently start out be dimensioned from the corresponding beam diameter.
In einer Ausgestaltung hat eine Schmelzspur bzw. ein Materialauftrag oder eine Schweißspur, welche aus der Bestrahlung mit dem ersten und/oder dem zweiten gepulsten Energieeintrag hervorgeht, eine, insbesondere mittlere, Breite von beispielsweise weniger als 100 µm, vorzugsweise zwischen 80 µm und 100 µm.In one embodiment, a melting track or an application of material or a welding track, which results from the irradiation with the first and/or the second pulsed energy input, has a, in particular average, width of, for example, less than 100 μm, preferably between 80 μm and 100 μm .
In einer Ausgestaltung werden der erste und/oder der zweite gepulste Energieeintrag für eine selektive Bestrahlung der Materialschicht, insbesondere durch selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern oder Elektronenstrahlschmelzen, festgelegt, wobei insbesondere zur Erhöhung oder Verdopplung der Produktivität des Prozesses - im Vergleich zu einer konventionellen Bestrahlung - eine zwei- bis zehnfache Bestrahlungsgeschwindigkeit, insbesondere vierfache Bestrahlungsgeschwindigkeit und weiterhin eine zwei- bis zehnfache Bestrahlungsleistung, insbesondere vierfache Bestrahlungsleistung, für den Prozess gewählt.In one embodiment, the first and/or the second pulsed energy input for a selective irradiation of the material layer, in particular by selective laser melting, selective laser sintering or electron beam melting, is determined, with in particular to increase or double the productivity of the process - compared to conventional irradiation - a two to tenfold irradiation speed, in particular fourfold the irradiation speed and furthermore a two to tenfold irradiation power, in particular fourfold the irradiation power, are selected for the process.
In einer Ausgestaltung beträgt eine absolute Bestrahlungsgeschwindigkeit, welche für eine Bestrahlung gemäß dem ersten und/oder dem zweiten Energieeintrag genutzt wird, beispielsweise zwischen 50 mm/s und 10.000 mm/s, insbesondere zwischen 50 mm/s und 1500 mm/s.In one configuration, an absolute irradiation speed, which is used for irradiation according to the first and/or the second energy input, is for example between 50 mm/s and 10,000 mm/s, in particular between 50 mm/s and 1500 mm/s.
In einer Ausgestaltung wird - im Vergleich zu einer konventionellen gepulsten Bestrahlung - eine ein- bis fünffache Bestrahlungsfrequenz bzw. Pulsfrequenz für den ersten gepulsten Energieeintrag bzw. dem zweiten gepulsten Energieeintrag gewählt. Durch diese Ausgestaltung kann die Produktivität der Bestrahlung und damit des gesamten Herstellungsprozesses entsprechend vorteilhaft verbessert werden.In one embodiment—compared to conventional pulsed irradiation—a one to five-fold irradiation frequency or pulse frequency is selected for the first pulsed energy input or the second pulsed energy input. With this configuration, the productivity of the irradiation and thus of the entire production process can be correspondingly advantageously improved.
In einer Ausgestaltung werden der erste und der zweite gepulste Energieeintrag durch einen Energiestrahl derselben Strahlquelle, beispielsweise Laser- oder Elektronenquelle, bewirkt. Gemäß dieser Ausgestaltung können die erfindungsgemäßen Vorteile sogar in einfachen additiven Herstellungsanlagen, welche keine Mehrzahl von Strahlungsquellen umfassen, genutzt werden. Diese Ausgestaltung ist jedoch durch die singuläre Strahlquelle inhärent in der abzutastenden Bestrahlungsvektorlänge begrenzt. Denn, nach einer kritischen Abkühlzeit setzen Schrumpfungs- bzw. Verfestigungseffekte ein, die zu einem nachteilhaften Strukturergebnis der Schweißspur und gegebenenfalls zu einem Verlust von Homogenität und Auflösung des Materialauftrags führen. Das kritische Maß der Bestrahlungsvektorlänge wird definiert durch ein Zusammenspiel des verwendeten Rohmaterials, der eingestellten Bestrahlungsgeschwindigkeit, des Wärmeeintrags, und ggf. weiterer Parameter.In one configuration, the first and the second pulsed energy input are brought about by an energy beam from the same beam source, for example a laser or electron source. According to this configuration, the advantages according to the invention can even be used in simple additive manufacturing systems that do not include a plurality of radiation sources. However, this configuration is inherently limited by the singular beam source in the irradiation vector length to be scanned. This is because, after a critical cooling time, shrinkage or hardening effects set in, which lead to a disadvantageous structural result of the weld track and possibly to a loss of homogeneity and resolution of the material application. The critical dimension of the irradiation vector length is defined by an interaction of the raw material used, the set irradiation speed, the heat input and, if necessary, other parameters.
In einer alternativen Ausgestaltung werden der erste und der zweite gepulste Energieeintrag durch Energiestrahlen aus verschiedenen Strahlquellen bewirkt. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil und im Gegensatz zu der Bestrahlung mit nur einem einzigen Energiestrahl, die Limitierung dieser Bestrahlungsstrategie auf eine kritische Vektorlänge, umgangen werden. Energiestrahlen, bzw. die ersten und zweiten gepulsten Energieeinträge können hier derart abgestimmt oder angewendet werden, dass einerseits noch eine diskrete Erstarrung gewährleistet wird, andererseits aber noch keine Schrumpfungs- oder Verfestigungseffekte auftreten.In an alternative embodiment, the first and the second pulsed energy input are brought about by energy beams from different beam sources. This configuration can advantageously and in contrast to the irradiation with only a single energy beam, the limitation of this irradiation strategy to a critical vector length can be circumvented. Energy beams, or the first and second pulsed energy inputs, can be coordinated or used here in such a way that, on the one hand, discrete solidification is still ensured, but, on the other hand, no shrinkage or hardening effects occur.
In einer Ausgestaltung ist das Bestrahlungsverfahren ein computer-implementiertes Verfahren.In one configuration, the irradiation method is a computer-implemented method.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung eines entsprechenden Programms durch einen Computer, beispielsweise zur Steuerung der Bestrahlung in einer additiven Herstellungsanlage, diesen veranlassen, Bestrahlungsvektoren in einem additiven Herstellungsprozess gemäß dem festgelegten ersten gepulsten Energieeintrag und dem festgelegten zweiten gepulsten Energieeintrag wie beschrieben, zu bestrahlen.A further aspect of the present invention relates to a computer program or computer program product, comprising instructions which, when a corresponding program is executed by a computer, for example for controlling the irradiation in an additive manufacturing system, cause this to pulse irradiation vectors in an additive manufacturing process according to the specified first To irradiate energy input and the specified second pulsed energy input as described.
Eine CAD-Datei oder ein Computerprogrammprodukt, kann beispielsweise als (flüchtiges oder nicht-flüchtiges) Speicher- oder Wiedergabemedium, 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. Die Bereitstellung kann weiterhin zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt erfolgen. Ein Computerprogrammprodukt kann Programmcode, Maschinencode bzw. numerische Steuerungsanweisungen, wie G-Code und/oder andere ausführbare Programmanweisungen im Allgemeinen beinhalten.A CAD file or a computer program product can, for example, be in the form of a storage or playback medium (volatile or non-volatile), such as a memory card, USB stick, CD-ROM or DVD, or in the form of a downloadable file from a server and/or provided or comprised in a network. The provision can also be made, for example, in a wireless communication network by transferring a corresponding file with the computer program product. A computer program product may include program code, machine code or numerical control instructions, such as G-code, and/or other executable program instructions in general.
Das Computerprogrammprodukt kann weiterhin Geometriedaten oder Konstruktionsdaten in einem dreidimensionalen Format bzw. als CAD-Daten enthalten bzw. ein Programm oder Programmcode zum Bereitstellen dieser Daten umfassen.The computer program product can also contain geometry data or design data in a three-dimensional format or as CAD data or include a program or program code for providing this data.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf das Bestrahlungsverfahren beziehen, können ferner das Computerprogrammprodukt oder ein entsprechend hergestelltes Bauteil direkt betreffen, und umgekehrt.Refinements, features and/or advantages that relate to the irradiation method in the present case can also be the computer pro gram product or a correspondingly manufactured component directly, and vice versa.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“ oder „bzw.“, 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" or "or." when used in a series of two or more items means that each of the listed items may be used alone; or any combination of two or more of the listed items may be used.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
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1 deutet anhand einer schematischen Schnittansicht grundlegende Verfahrensschritte eines pulverbettbasierten, additiven Herstellungsverfahrens an. -
2 zeigt eine schematische Skizze einer Abfolge von gepulsten Energieeinträgen entlang eines Bestrahlungsvektors in der additiven Herstellung. -
3 stellt eine Abfolge vonEnergieeinträgen ähnlich zur 2 mit einer entsprechenden Pulsform eines Energiestrahls gegenüber. -
4 deutet ähnlich zur3 eine erfindungsgemäße Abfolge gepulster Energieeinträge für die additive Herstellung an.
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1 indicates the basic process steps of a powder bed-based, additive manufacturing process using a schematic sectional view. -
2 shows a schematic sketch of a sequence of pulsed energy inputs along an irradiation vector in additive manufacturing. -
3 provides a sequence of energy inputs similar to2 with a corresponding pulse shape of an energy beam. -
4 indicates similar to3 an inventive sequence of pulsed energy inputs for additive manufacturing.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende 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.
Demgemäß weist die Anlage eine Bauplattform 1 auf. Auf der Bauplattform 1 wird ein additiv herzustellendes Bauteil 10 schichtweise hergestellt. Das Pulverbett wird durch ein Pulver 6 gebildet, welches durch eine Beschichtungseinrichtung 3 schichtweise auf der Bauplattform 1 verteilt werden kann.Accordingly, the system has a
Nach dem Auftragen einer jeden Pulverschicht L - üblicherweise mit einer voreingestellten Schichtdicke t - werden gemäß der vorgegebenen Geometrie des Bauteils 10 selektiv Bereiche der Schicht L mit einem Energiestrahl 5, vorzugsweise einem Laserstrahl, von einer Bestrahlungseinrichtung 2 aufgeschmolzen und anschließend verfestigt. Die gestrichelte Linie, welche ebenfalls mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnet ist, soll andeuten, dass der Laser zusätzlich oder alternativ zu einem kontinuierlichen Bestrahlungsbetrieb (cw) wahlweise auch in einem gepulsten Bestrahlungsbetrieb (pw) betrieben werden kann, insbesondere um besonders dünnwandige Strukturen für ein Bauteil 10 zu realisieren.After each powder layer L has been applied—usually with a preset layer thickness t—areas of the layer L are selectively melted according to the predetermined geometry of the
Nach jeder Schicht L wird die Bauplattform 1 vorzugsweise um ein der Schichtdicke t entsprechendes Maß abgesenkt (vergleiche nach unten gerichteter Pfeil in
Dabei können durch den lediglich sehr lokal wirkenden Energieeintrag weiterhin hohe Temperaturgradienten, von beispielsweise 106 K/s oder mehr auftreten. Dementsprechend groß ist selbstverständlich während des Aufbaus und danach auch ein Verspannungszustand des Bauteils, was die additiven Herstellungsprozesse erheblich verkompliziert. Solche Verspannungszustände sind umso kritischer, je filigraner oder dünnwandiger ein Bauteilbereich (vgl.
Die Geometrie des Bauteils wird üblicherweise durch eine CAD-Datei („Computer-Aided-Design“) festgelegt. Nach dem Einlesen einer solchen Datei in die Herstellungsanlage 100 erfordert der Prozess anschließend zunächst die Festlegung einer geeigneten Bestrahlungsstrategie beispielsweise durch Mittel des CAM, wodurch auch ein Aufteilen der Bauteilgeometrie in die einzelnen Schichten erfolgt.The geometry of the component is usually defined by a CAD file (“computer-aided design”). After such a file has been read into the
Es ist ersichtlich, dass die Wahl einer bevorzugten Bestrahlungsstrategie, umfassend die Festlegung wesentlicher Bestrahlungsparameter für den additiven Herstellungsprozess des Bauteils 10, bereits die erfinderischen Grundgedanken trägt und bei einer simplen Ausführung eines entsprechenden Bestrahlungsvorgangs das Bauteil unweigerlich mit vorteilhaften strukturellen Eigenschaften ausstattet wird. Mit anderen Worten werden die vorteilhaften technischen Eigenschaften dem Bauteil 10 bereits durch die Festlegung von entsprechenden Bestrahlungsparametern aufgeprägt. Demgemäß ist ein Computerprogramm, Computerprogrammprodukt CP oder ein, ein solches umfassender Datenträger, welches bereits die für den technischen Erfolg des Bauteils maßgeblichen Herstellungsanweisungen umfasst, Teil der vorliegenden Erfindung. Das Computerprogramm CP, kann, wie angedeutet, über einen Prozessor oder eine Datenverarbeitungseinrichtung oder eine Steuerungseinheit für die Bestrahlungseinrichtung 2 dementsprechend ausgeführt werden.It can be seen that the choice of a preferred irradiation strategy, including the determination of essential irradiation parameters for the additive manufacturing process of the
Bei dem Bauteil 10 kann es sich um ein Bauteil einer Strömungsmaschine, beispielsweise um ein Bauteil für den Heißgaspfad einer Gasturbine, handeln. Insbesondere kann das Bauteil eine Lauf- oder Leitschaufel, ein Ringsegment, ein Brennkammer- oder Brennerteil, wie eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, eine Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Resonator, einen Stempel oder einen Wirbler bezeichnen, oder einen entsprechenden Übergang, Einsatz, oder ein entsprechendes Nachrüstteil.The
Eine Schmelzbadbreite ist entsprechend mit dem Bezugszeichen b eingezeichnet. Üblicherweise entspricht die Schmelzbadbreite b in einem konventionellen Prozess einem Maß von etwa 200 µm oder mehr. Erst nach einer Abkühlzeit und einer Verfestigung dieses Schmelzbades tritt ein leichter Schrumpf des aufgeschmolzenen Materials auf, wodurch sich die Breite b' für die verfestigte Materialspur noch leicht verkleinert. Beispielsweise ist das Maß b' (vergleiche kleinerer Pfeil in
Die gestrichelten vertikalen Linien verdeutlichen den Zusammenhang der Schmelzbäder mit einer entsprechenden Periode oder Periodendauer T = 1/f auf der Zeitachse, wobei f der Pulsfrequenz entspricht, sowie Tp einer Pulsweite.The dashed vertical lines illustrate the connection between the molten pools and a corresponding period or period length T=1/f on the time axis, where f corresponds to the pulse frequency and T p corresponds to a pulse width.
Wie auch in
Damit tatsächlich eine diskrete Erstarrung erfolgt, und um zu verhindern, dass sich entlang des Vektors V ein durchgehendes Schmelzbad einstellt, muss beispielsweise nach dem ersten Energieeintrag (links) eine Abkühlzeit abgewartet werden. Nur dann können die Vorteile einer gepulsten Bestrahlung, insbesondere der Möglichkeit besonders dünnwandige Strukturen herzustellen, erreicht werden.In order for discrete solidification to actually take place and to prevent a continuous melt pool from forming along vector V, a cooling time must be allowed to elapse after the first energy input (left), for example. Only then can the advantages of pulsed irradiation, in particular the possibility of producing particularly thin-walled structures, be achieved.
Insbesondere muss weiterhin vorzugsweise die Kombination aus der Frequenz f und der Belichtungsgeschwindigkeit v so gewählt werden, dass eine diskrete Erstarrung ermöglicht wird und gleichzeitig ein Überlappen der Schmelzbäder sichergestellt ist.In particular, the combination of the frequency f and the exposure speed v must preferably be selected in such a way that discrete solidification is made possible and at the same time an overlapping of the molten pools is ensured.
Unten in der Darstellung der
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Bestrahlung einer Materialschicht L in der additiven Herstellung eines Bauteil 10. Das Verfahren umfasst das Festlegen eines ersten gepulsten Energieeintrags E1 in die Materialschicht L entlang eines Bestrahlungsvektors V, wobei der erste Energieeintrag E1 eine Mehrzahl von separaten Schmelzbädern S1 in der Materialschicht L bewirkt.The method according to the invention is a method for irradiating a material layer L in the additive manufacturing of a
Das Verfahren umfasst weiterhin das Festlegen eines zweiten gepulsten Energieeintrags E2 in die Materialschicht L entlang desselben Bestrahlungsvektors V, wobei der zweite Energieeintrag E2 eine Bestrahlung (Aufschmelzen und Verfestigen) von Materialbereichen zwischen den durch den ersten gepulsten Energieeintrag E1 hervorgerufenen separaten Schmelzbädern S1 bewirkt, wobei Schichtmaterial durch eine Bestrahlung mit dem ersten und dem zweiten gepulsten Energieeintrag E1, E2 gleichförmig bzw. durchgehend entlang des Bestrahlungsvektors V bestrahlt wird.The method also includes specifying a second pulsed energy input E2 into the material layer L along the same irradiation vector V, the second energy input E2 irradiating (melting and solidifying) material regions between the first pulsed energy input E1 caused separate molten baths S1, layer material being irradiated uniformly or continuously along the irradiation vector V by irradiation with the first and the second pulsed energy input E1, E2.
Wie oben beschrieben, bewirken der erste und der zweite gepulste Energieeintrag E1, E2 zweckmäßigerweise jeweils eine diskrete Erstarrung von Material in der Schicht L. Dies wird vorzugsweise durch einen räumlichen und zeitlichen Versatz der Energieeinträge E2 relativ zu den Energieeinträgen E2 (vorliegend gestrichelt gekennzeichnet), erreicht.As described above, the first and the second pulsed energy input E1, E2 expediently each bring about a discrete solidification of material in the layer L. This is preferably achieved by a spatial and temporal offset of the energy inputs E2 relative to the energy inputs E2 (presently indicated by dashed lines), reached.
Die zweiten Energieeinträge E2 sind entlang des Bestrahlungsvektors V (der Übersichtlichkeit halber ist in
Durch diese Strategie lässt sich vorteilhafterweise die Prozesseffizienz deutlich steigern (siehe unten). Gleichzeitig erlaubt diese Art der Energieeinträge während der Bestrahlung die Ausbildung einer vorteilhaft kleinen oder dünnen Materialspur oder Schweißraupe, welche vorzugsweise einem Maß b' von weniger als 100 µm, beispielsweise zwischen 80 µm und 100 µm, oder weniger entspricht.Advantageously, this strategy can significantly increase the process efficiency (see below). At the same time, this type of energy input during the irradiation allows the formation of an advantageously small or thin material track or weld bead, which preferably corresponds to a dimension b' of less than 100 μm, for example between 80 μm and 100 μm, or less.
Zweckmäßigerweise überlappen Schmelzbäder S1, welche aus der Bestrahlung mit dem ersten gepulsten Energieeintrag E1 und Schmelzbäder S2, welche durch die Bestrahlung mit dem zweiten gepulsten Energieeintrag E2 in die Materialschicht L hervorgehen, zwischen 30 % und 60 %, vorzugsweise 50 %, der Schmelzbadbreite b mit den jeweils andersartigen Schmelzbädern, um eine durchgehende Materialverfestigung zu bewirken.Appropriately, melt pools S1, which result from the irradiation with the first pulsed energy input E1 and melt pools S2, which result from the irradiation with the second pulsed energy input E2 in the material layer L, overlap between 30% and 60%, preferably 50%, of the melt pool width b the different types of molten baths in each case in order to achieve continuous material hardening.
Die vorgeschlagene Strategie erlaubt vorteilhafterweise die Wahl einer - im Vergleich zu einer konventionellen (gepulsten) Bestrahlungsweise in einem additiven Herstellungsprozess - zwei- bis zehnfach vergrößerten Bestrahlungsgeschwindigkeit v, insbesondere vierfachen Bestrahlungsgeschwindigkeit, und/oder weiterhin eine zwei- bis zehnfach vergrößerte Bestrahlungsleistung P, insbesondere vierfache Bestrahlungsleistung. Vorzugsweise wird die Bestrahlungsleistung in gleicher Weise wie die Bestrahlungsgeschwindigkeit erhöht, um die zeitliche in die Materialschicht eingebracht Energie bzw. Energiedichte konstant zu halten.The proposed strategy advantageously allows the selection of a two to tenfold increased irradiation speed v, in particular fourfold the irradiation speed, and/or a twofold to tenfold increased irradiation power P, in particular fourfold, compared to a conventional (pulsed) mode of irradiation in an additive manufacturing process irradiation power. The irradiation power is preferably increased in the same way as the irradiation speed in order to keep the energy or energy density introduced into the material layer constant over time.
Weiterhin kann - im Vergleich zu einer konventionellen (gepulsten) Bestrahlung - eine ein- bis fünffache Pulsfrequenz f gewählt, und damit die Prozesseffizienz ebenfalls deutlich gesteigert werden.Furthermore - in comparison to conventional (pulsed) irradiation - a pulse frequency f that is one to five times higher can be selected, and the process efficiency can thus also be significantly increased.
Der erste und der zweite gepulste Energieeintrag E1, E2 können durch einen Energiestrahl 5 derselben Strahlquelle bewirkt werden. Dies bewirkt die oben beschriebenen Vorteile. The first and the second pulsed energy input E1, E2 can be brought about by an
Wie durch die Bezugszeichen S3 und E3 in
Alternativ können der erste und der zweite gepulste Energieeintrag E1, E2 durch Energiestrahlen 5 aus verschiedenen Strahlquellen bewirkt werden. Dies bewirkt die ebenfalls oben beschriebenen Vorteile. Insbesondere kann, wie dargelegt, durch den variablen zeitlichen Versatz der beiden Laser oder Elektronenstrahlen die Abkühlzeit je nach Material und Prozessparametern beliebig angepasst werden, sodass die Limitierung der genannten kritischen Vektorlänge des Bestrahlungsvektors V vorteilhaft umgangen werden kann. Insbesondere werden die Frequenz f, ein durch das Verhältnis aus Pulsweite Tp und Periodendauer T definierter Arbeitszyklus bzw. eine Belichtungsgeschwindigkeit v so gewählt oder aufeinander abgestimmt, dass eine diskrete Erstarrung der einzelnen Schmelzbäder S1, S2 bzw. S3 ermöglicht wird. Beispielsweise kann die Pulsweite Tp dabei proportional zur Bestrahlungsgeschwindigkeit v verändert werden.Alternatively, the first and the second pulsed energy input E1, E2 can be brought about by
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