DE102021202852A1 - Additively manufactured fluid-permeable material structure - Google Patents
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Abstract
Es wird eine additiv hergestellte Materialstruktur (10) für eine Turbinenkomponente (20, 30) angegeben, wobei die Materialstruktur (10) ein massives Materialgitter (11) umfasst und ein poröses Funktionsmaterial (12), wobei das Funktionsmaterial (12) in Gitterzwischenräumen (13) des Materialgitters (11) angeordnet und wobei das Funktionsmaterial (12) während eines bestimmungsgemäßen Einsatzes der Komponente von einem Fluid (F) durchströmbar ausgebildet ist. Weiterhin wird eine entsprechende Turbinenkomponente sowie ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt zur Herstellung der Materialstruktur (10) angegeben, wobei für das massive Materialgitter (11) Aufbauparametern (V, p, v, o, a, d) für ein Vollmaterial, und wobei für das Funktionsmaterial porositätserzeugende Aufbauparameter (V, p, v) gewählt werden.An additively produced material structure (10) for a turbine component (20, 30) is specified, the material structure (10) comprising a solid material lattice (11) and a porous functional material (12), the functional material (12) in lattice interstices (13 ) of the material grid (11) and wherein the functional material (12) is designed so that a fluid (F) can flow through it during intended use of the component. Furthermore, a corresponding turbine component as well as a method and a computer program product for producing the material structure (10) are specified, with construction parameters (V, p, v, o, a, d) for a solid material for the solid material lattice (11) and with for the Functional material porosity-generating structure parameters (V, p, v) are selected.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine additiv hergestellte oder herstellbare hermisch hochbelastete Turbinenkomponente, sowie ein Material- oder Verbundstruktur für eine, insbesondere mechanisch und/oder tentsprechendes Herstellungsverfahren. Weiterhin betrifft die Erfindung die Turbinenkomponente selbst sowie ein Computerprogrammprodukt, enthaltend Herstellungsanweisungen, mit denen das Verfahren durchgeführt werden kann.The present invention relates to an additively manufactured or manufacturable turbine component that is subjected to high thermal loads, and also to a material or composite structure for a particularly mechanical and/or corresponding manufacturing method. Furthermore, the invention relates to the turbine component itself and a computer program product containing manufacturing instructions with which the method can be carried out.
Die Komponente ist vorzugsweise für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen. Beispielsweise betrifft das Bauteil eine zu kühlende Komponente. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Bauteil um eine Komponente für den Einsatz in der Automobilität oder im Luftfahrtsektor handeln.The component is preferably intended for use in the hot gas path of a gas turbine. For example, the component relates to a component to be cooled. Alternatively or additionally, the component can be a component for use in automobiles or in the aviation sector.
Hochleistungs-Maschinenkomponenten sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um insbesondere ihre Effizienz im Einsatz zu steigern. Bei Wärmekraftmaschinen, insbesondere Gasturbinen, führt dies allerdings unter anderem zu immer höheren Einsatztemperaturen. Die metallischen Materialien und das Komponentendesign hochbelastbarer Bauteile, wie Turbinenlaufschaufeln oder anderen Heißgasteilen werden ständig hinsichtlich ihrer Festigkeit, Lebensdauer, Kriechbelastbarkeit und thermomechanischer Ermüdung, verbessert.High-performance machine components are the subject of constant improvement, in particular to increase their efficiency in use. In the case of heat engines, in particular gas turbines, however, this leads, among other things, to ever higher operating temperatures. The metallic materials and the component design of heavy-duty components such as turbine blades or other hot gas parts are constantly being improved in terms of their strength, service life, creep resistance and thermomechanical fatigue.
Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund technischer Weiterentwicklung zunehmend interessant auch für die Serienherstellung der oben genannten Bauteile, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten. Additive Fertigungsverfahren (AM: „additive manufacturing“) haben sich insbesondere 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.Due to technical advances, generative or additive manufacturing is also becoming increasingly interesting for the series production of the above-mentioned components, such as turbine blades or burner components. Additive manufacturing processes (AM: "additive manufacturing") have proven to be particularly advantageous for complex or filigree 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.
Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen mit gepulster Bestrahlung ist beispielsweise bekannt aus
Additive Herstellungsverfahren, umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet, umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM).Additive manufacturing processes, also known colloquially as 3D printing, include, for example, selective laser melting (SLM) or laser sintering (SLS) or electron beam melting (EBM) as powder bed processes.
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. 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.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. 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 wiederum zum Verzug der Struktur führen. Ein starker Verzug während des Aufbauprozesses führt leicht zu strukturellen Ablösungen, thermischen Verformungen oder geometrischen Abweichungen außerhalb zulässiger 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 leads to distortion of the structure. Severe warping during the build process easily leads to structural delamination, thermal distortion, or geometric deviations outside of allowable tolerances.
Dennoch ermöglicht die additive Fertigung, beispielsweise via LPBF, sogar die Herstellung von porösen Strukturen, welche beispielsweise im Einsatz der entsprechenden Komponente eine effiziente Kühlung oder Durchströmbarkeit für ein Fluid, ermöglichen. Im Vergleich zu additiv erzeugten Vollmaterialstrukturen können diese (porösen) oder funktionalen Strukturen durch ihren verringerten Materialanteil aber weniger mechanische Last aufnehmen. Dies führt üblicherweise zu einem nur beschränkten Einsatz und Betrieb der Komponente.Nevertheless, additive manufacturing, for example via LPBF, even enables the production of porous structures, which, for example, enable efficient cooling or the ability for a fluid to flow through when the corresponding component is used. Compared to additively produced solid material structures, these (porous) or functional structures can absorb less mechanical load due to their reduced material content. This usually results in limited use and operation of the component.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel für eine neuartige additiv hergestellte Materialstruktur anzugeben, mit der die genannten technischen Schwierigkeiten überwunden werden können. Insbesondere soll durch die vorgestellte Materialstruktur eine Lösung für Kühl- und/oder Dämpfungskonzepte in hochbelasteten Bauteilen angegeben werden, wobei entsprechende aus diesem Material erzeugte Komponenten mechanisch und/oder thermisch gleichzeitig hinreichend belastbar sind.It is therefore an object of the present invention to specify means for a novel additively manufactured material structure with which the technical difficulties mentioned can be overcome. In particular, the material structure presented is intended to provide a solution for cooling and/or damping concepts in highly stressed components, with corresponding components produced from this material being able to withstand sufficient mechanical and/or thermal loads at the same time.
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 eine additiv hergestellte Materialstruktur für eine Komponente, insbesondere eine Turbinenkomponente, wobei die Materialstruktur ein massives Materialgitter umfasst und ein poröses Funktionsmaterial, wobei das Funktionsmaterial weiterhin in Gitterzwischenräumen des Materialgitters angeordnet ist und wobei das Funktionsmaterial während eines bestimmungsgemäßen Einsatzes der Komponente von einem Fluid, wie einem Kühlfluid, durchströmbar ausgebildet ist. Vorzugsweise sorgt das massive Materialgitter für verbesserte mechanische Eigenschaften, wie eine gesteigerte Festigkeit, Bruchdehnung, oder dergleichen. Durch die Ausgestaltung der Materialstruktur können mechanische Eigenschaften der Komponenten vorteilhafterweise deutlich verbessert werden. Gleichzeitig können funktionale Eigenschaften des Materials durch dessen verbesserte Struktur verfeinert oder besser ausgenutzt werden und die additive Fertigungsroute gleichzeitig für noch komplexere Komponenten validiert werden.One aspect of the present invention relates to an additively manufactured material structure for a component, in particular a turbine core component, wherein the material structure comprises a solid material lattice and a porous functional material, wherein the functional material is also arranged in lattice interstices of the material lattice and wherein the functional material is designed so that a fluid, such as a cooling fluid, can flow through it during intended use of the component. Preferably, the solid lattice of material provides improved mechanical properties, such as increased strength, elongation at break, or the like. Mechanical properties of the components can advantageously be significantly improved by the configuration of the material structure. At the same time, functional properties of the material can be refined or better utilized thanks to its improved structure, and the additive manufacturing route can be validated for even more complex components at the same time.
In einer Ausgestaltung besteht die Materialstruktur aus einem, insbesondere regelmäßigen, stoffschlüssigen Verbund aus dem Materialgitter und dem Funktionsmaterial. Diese über das entsprechende additive Herstellungsverfahren implementierte stoffschlüssige vorteilhafte mechanische Anbindung ermöglicht gerade die ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften der Materialstruktur, umfassend eine vorteilhafte Resilienz der Struktur beispielsweise gegenüber dynamischer Belastung, bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion.In one embodiment, the material structure consists of an, in particular regular, cohesive composite of the material lattice and the functional material. This integral, advantageous mechanical connection implemented via the corresponding additive manufacturing process enables the excellent mechanical properties of the material structure, including an advantageous resilience of the structure, for example to dynamic loads, with simultaneous weight reduction.
In einer Ausgestaltung beträgt eine Dicke oder Stärke von Gitterelementen, wie beispielsweise Gitterstreben, des Materialgitters zwischen 0,3 mm und 1 mm. Bis hinab zu dieser „Auflösung“ lässt sich die vorgeschlagene Struktur vorteilhaft ausbilden.In one configuration, a thickness or strength of lattice elements, such as lattice struts, of the material lattice is between 0.3 mm and 1 mm. The proposed structure can be developed advantageously down to this “resolution”.
In einer Ausgestaltung ist eine, beispielsweise mittlere, Porengröße von Poren des Funktionsmaterials kleiner als eine mittlere Größe oder ein mittlerer Durchmesser von Gitterelementen des Materialgitters, wie der beschriebenen Gitterstreben.In one configuration, a pore size, for example an average, of pores in the functional material is smaller than an average size or an average diameter of lattice elements of the material lattice, such as the lattice struts described.
In einer Ausgestaltung beträgt ein Gitterparameter, oder eine Gitterkonstante, beispielsweise eine Zelllänge des Materialgitters, zwischen 2 und 5 mm.In one configuration, a lattice parameter or a lattice constant, for example a cell length of the material lattice, is between 2 and 5 mm.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbinenkomponente umfassend die beschriebene Materialstruktur, wobei die Komponente ein Bauteil des Heißgaspfades einer Gasturbine ist, beispielsweise eine zu kühlende Komponente oder eine Dämpferkomponente. Solch eine Dämpfungskomponente kann beispielsweise ein Helmholtz-Resonator sein, insbesondere zur (thermo-akustischen) Dämpfung von Brennkammerschwingungen oder Verbrennungsinstabilitäten im Turbinenbetrieb.A further aspect of the present invention relates to a turbine component comprising the material structure described, the component being a component of the hot gas path of a gas turbine, for example a component to be cooled or a damper component. Such a damping component can be a Helmholtz resonator, for example, in particular for (thermo-acoustic) damping of combustion chamber vibrations or combustion instabilities in turbine operation.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbine umfassend die beschriebene Turbinenkomponente.A further aspect of the present invention relates to a turbine comprising the turbine component described.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung der Materialstruktur, wobei die Materialstruktur additiv aus einem Pulverbett aufgebaut wird, vorzugsweise durch selektives Laserschmelzen, wobei für das Materialgitter vollmaterialerzeugende Aufbauparameter und für das Funktionsmaterial porositätserzeugende Aufbauparameter gewählt werden, und wobei Bestrahlungspfade, welche für die Herstellung des Materialgitters und des Funktionsmaterials (als Teil der Aufbauparameter) gewählt werden, um ein Maß zwischen 0,2 mm und 0,5 mm überlappen. Vorteilhafterweise erlaubt das Verfahren die parametrische Einstellung von Permeabilitätseigenschaften des Funktionsmaterials und mithin eine spezifische Konfektionierung von Kühlleistung und/oder Dämpfungseigenschaften der Komponente. Weiterhin erlaubt es die additive Fertigung vorteilhaft, die mechanische Festigkeit des Materialgitters über eine entsprechende Wahl von Aufbau- oder Bestrahlungsparametern einzustellen.A further aspect of the present invention relates to a method for producing the material structure, the material structure being built up additively from a powder bed, preferably by selective laser melting, with structure parameters that produce solid material for the material lattice and structure parameters that produce porosity for the functional material being selected, and with irradiation paths which are the fabrication of the material grid and the functional material (as part of the build parameters) can be chosen to overlap by an amount between 0.2 mm and 0.5 mm. Advantageously, the method allows the parametrical setting of permeability properties of the functional material and thus a specific packaging of the cooling capacity and/or damping properties of the component. Furthermore, additive manufacturing advantageously allows the mechanical strength of the material lattice to be adjusted via a corresponding selection of construction or irradiation parameters.
In einer Ausgestaltung werden Aufbauparameter derart gewählt, dass Bestrahlungspfade, welche für die Herstellung des Materialgitters und des Fusionsmaterials gewählt werden, vollständig überlappen. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil eine besonders rigide mechanische Anbindung und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Materialgitter und dem Funktionsmaterial hergestellt werden.In one embodiment, construction parameters are chosen in such a way that radiation paths, which are chosen for the production of the material grid and the fusion material, completely overlap. This configuration can advantageously produce a particularly rigid mechanical connection and/or material connection between the material lattice and the functional material.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung eines entsprechenden Programms durch einen Computer, beispielsweise zur Steuerung der Bestrahlung in einer additiven Herstellungsanlage, diesen veranlassen, eine Wahl der Aufbauparameter und/oder die Ausführung der selektiven Bestrahlung eines Pulverbettes durchzuführen.A further aspect of the present invention relates to a 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 select the construction parameters and/or execute the selective irradiation of a perform powder bed.
In einer Ausgestaltung betrifft das Computerprogrammprodukt Herstellungsanweisungen, gemäß denen eine additive Herstellungsanlage, beispielsweise über Mittel des CAM („Computer-Aided-Manufacturing“), durch ein entsprechendes Computerprogramm zur Herstellung des Bauteils gesteuert wird.In one embodiment, the computer program product relates to manufacturing instructions according to which an additive manufacturing system is controlled by a corresponding computer program for manufacturing the component, for example using CAM (computer-aided manufacturing) means.
Ein solches 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 werden oder vorliegen. Die Bereitstellung kann weiterhin zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt erfolgen. Das Computerprogrammprodukt kann Programmcode, Maschinencode bzw. numerische Steuerungsanweisungen, wie G-code und/oder andere ausführbare Programmanweisungen im Allgemeinen beinhalten. Das Computerprogrammprodukt kann weiterhin Geometriedaten und/oder Konstruktionsdaten in einem Datensatz oder Datenformat, wie einem 3D-Format bzw. als CAD-Daten enthalten bzw. ein Programm oder Programmcode zum Bereitstellen dieser Daten umfassen.Such a computer program product can, for example, be in the form of a (volatile or non-volatile) storage or playback 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 in a network are provided or are available. The provision can also be made, for example, in a wireless communication network by transferring a corresponding file with the computer program product. The 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. The computer program product can also contain geometry data and/or design data in a data set or data format, such as a 3D format or as CAD data, or can include a program or program code for providing this data.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf die Materialstruktur bzw. die Komponente beziehen, können ferner direkt das additive Herstellungsverfahren oder das Computerprogrammprodukt betreffen, und umgekehrt.Configurations, features and/or advantages that relate to the material structure or the component in the present case can also directly relate to the additive manufacturing method or the computer program product, 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 items 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.
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1 zeigt eine schematische perspektivische Abbildung einer gitterartigen Materialstruktur für eine Turbinenkomponente. -
2 zeigt eine schematische Aufnahme eines Teils einer erfindungsgemäßen additiv hergestellten Materialstruktur, umfassend ein Materialgitter sowie ein in Gitterzwischenräumen des Gitters angeordnetes Funktionsmaterial. -
3 zeigt eine zur Abbildung der2 ähnliche Materialstruktur in einer anderen Ausgestaltung. -
4 zeigt beispielhafte Spannungskennlinien von additiv hergestellten Strukturen. -
5 deutet anhand einer schematischen Schnittansicht grundlegende Verfahrensschritte eines pulverbett-basierten additiven Herstellungsverfahrens an.
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1 shows a schematic perspective illustration of a lattice-like material structure for a turbine component. -
2 shows a schematic photograph of part of an additively manufactured material structure according to the invention, comprising a material lattice and a functional material arranged in the interstices of the lattice. -
3 shows an illustration of the2 similar material structure in a different configuration. -
4 shows exemplary voltage characteristics of additively manufactured structures. -
5 indicates the basic process steps of a powder bed-based additive manufacturing process using a schematic sectional view.
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.
Alternativ kann es sich bei der Komponente 20 um ein anderes Bauteil 20 einer Strömungsmaschine 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 Stempel oder einen Wirbler bezeichnen, oder ein entsprechendes Nachrüstteil.Alternatively, the
Wie anhand der Beschreibung der
Durch den horizontalen gestrichelten Pfeil, welcher mit dem Bezugszeichen F gekennzeichnet ist, soll angedeutet werden, dass zumindest ein Bereich der Komponente 20, in dem die Materialstruktur 10 vorliegt, vorzugsweise fluid-permeable Eigenschaften aufweist und zwischen den Gitterstreben des Materialgitters 11 bestimmungsgemäß mit einem Kühlfluid durchströmt werden kann.The horizontal dashed arrow, which is identified by the reference character F, is intended to indicate that at least a region of the
Wie anhand von
Eine Dicke d von Gitterstreben oder Gitterelementen des Materialgitters 11 beträgt vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 1 mm. Dadurch lässt sich z.B. in Verbindung mit der Wahl der Gitterparameter eine optimale mechanische Festigkeit der Struktur 10 erreichen. Ein Gitterparameter a des Materialgitters 11, insbesondere eine Gitterzelllänge, beträgt vorzugsweise zwischen 2 mm und 5 mm. Eine mittlere Porengröße (in den Figuren nicht explizit gekennzeichnet) von Poren P des Funktionsmaterials 12 ist zweckmäßigerweise hingegen kleiner als eine mittlere Größe von Gitterelementen des Materialgitters 11.A thickness d of lattice struts or lattice elements of the
Die vorliegende Erfindung schlägt also eine Kombination aus Gitterstrukturen und porösen Strukturen vor. Die Erfindung kombiniert hierbei die verbesserten mechanischen Eigenschaften der Gitter und die funktionalen Eigenschaften des porösen Funktionsmaterials, z.B. hinsichtlich der beschriebenen parametrisch einstellbaren Durchströmbarkeit und funktionellen Eigenschaften. In dem zugrunde liegenden additiven Herstellungsprozess (vergleiche
Hierbei können sich die beiden Teilstrukturen für eine gute Anbindung vollends überlagern oder nur ein Rand- oder Überlappbereich o von beispielsweise zwischen 0,2 mm und 0,5 mm überlagert oder überlappt sich. Letzteres kann über einen Überlapp von Aufbauparametern, insbesondere von Bestrahlungsvektoren (siehe weiter unten) für den Strukturaufbau bewerkstelligt werden. Die Wahl oder das Maß der Überlappung kann von der Abmessung der Gitterstreben abhängen.In this case, the two partial structures can overlap completely for a good connection, or only an edge or overlapping area o of, for example, between 0.2 mm and 0.5 mm can overlap or overlap. The latter can be accomplished via an overlap of structure parameters, in particular of irradiation vectors (see below) for the structure structure. The choice or amount of overlap may depend on the dimension of the grid braces.
Alternativ können Bestrahlungspfade, welche für die Herstellung des Materialgitters 11 und des Funktionsmaterials 12 als Teil der Aufbauparameter gewählt werden, vollständig überlappen.Alternatively, irradiation paths, which are selected as part of the construction parameters for the production of the
Gegenüber der
Die Eigenschaften dieses maßgeschneiderten Funktionsmaterials können über alle möglichen Prozessparameter hinweg beliebig variiert oder konfektioniert werden. Dabei ist vorgesehen, dass - anders als in den
In der unteren Kennlinie ist der Verlauf eines porösen Materials, ohne stützendes Gerüst, d.h. ohne Materialgitter gezeigt. Es ist in
Weiterhin ist in
Es ist zu bemerken, dass alle drei untersuchten Materialien mit den gleichen Bestrahlungsparametern für das poröse Funktionsmaterial aufgebaut wurden.It should be noted that all three materials examined were constructed with the same irradiation parameters for the porous functional material.
Demgemäß weist die Anlage eine Bauplattform 6 auf. Auf der Bauplattform 6 wird eine additiv herzustellende Materialstruktur 10 für ein Bauteil 20 schichtweise aus einem Baumaterial 1 hergestellt. Letzteres wird durch ein Pulver P gebildet, welches durch eine Beschichtungseinrichtung 3 schichtweise auf der Bauplattform 6 verteilt oder aufgerakelt werden kann.Accordingly, the system has a
Nach dem Auftragen einer jeden Pulverschicht L (vgl. Schichtdicke t) werden gemäß der vorgegebenen Geometrie des Bauteils 20 selektiv Bereiche der Schicht mit einem Energiestrahl 5, beispielsweise einem Laser oder Elektronenstrahl, von einer Bestrahlungseinrichtung 2 aufgeschmolzen und anschließend verfestigt.After the application of each powder layer L (cf. layer thickness t), according to the given geometry of the
Nach jeder Schicht L wird die Bauplattform 6 vorzugsweise um ein der Schichtdicke L entsprechendes Maß abgesenkt (vgl. nach unten gerichteter Pfeil in
Über die Wahl entsprechender Aufbauparameter kann gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein Parametersatz über eine Steuerung 4, beispielsweise der Bestrahlungseinrichtung 2, herstellungstechnisch umgesetzt werden. Die Steuerung 4 kann dazu computergestützt sein und beispielsweise eine Datenverarbeitungseinrichtung oder einen Prozessor aufweisen. Die Parameter oder Anweisungen liegen vorzugsweise durch ein Computerprogrammprodukt CP vor. Dieses umfasst Befehle, die bei der Ausführung eines entsprechenden Programms durch einen Computer oder die Steuerung 4 des Strahls 5 in der Anlage 100, diesen veranlassen, eine Wahl der Aufbauparameter und/oder die Ausführung der selektiven Bestrahlung eines Pulverbettes 1 durchzuführen.According to the method of the present invention, a set of parameters can preferably be implemented in terms of production technology via a
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
Das Verfahren ist also ein additives Verfahren zur Herstellung der Materialstruktur 10, vorzugsweise durch selektives Laserschmelzen, wobei für das massive Materialgitter 11 Aufbauparametern für ein Vollmaterial, und wobei für das Funktionsmaterial porositätserzeugende Aufbauparameter gewählt werden.The method is therefore an additive method for producing the
Die genannten Parameter oder CAM-Anweisungen umfassen vorzugsweise eine Vielzahl einzelner Bestrahlungsvektoren V für die Bestrahlung einer Schicht L, ein entsprechend davon gebildetes Bestrahlungsmuster, eine Bestrahlungsgeschwindigkeit v, eine Bestrahlungsleistung p, einen Schraffur- oder Rasterabstand (nicht explizit gekennzeichnet), sowie den beschriebenen Strahl-, Raster-, oder Schmelzbadüberlapp o. Über die Festlegung dieser und ggf. weiterer Parameter kann die Komponente 20 vorteilhafterweise mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften und Permeabilitätseigenschaften ausgestattet werden.The parameters or CAM instructions mentioned preferably include a large number of individual irradiation vectors V for the irradiation of a layer L, an irradiation pattern formed accordingly, an irradiation speed v, an irradiation power p, a hatching or grid spacing (not explicitly marked), and the described beam -, grid, or melt bath overlap o. By defining these and possibly other parameters, the
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