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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Bestrahlen einer Materialschicht in der additiven Herstellung eines Bauteils bzw. ein entsprechendes additives Herstellungsverfahren sowie ein auf diese Weise herstellbares Bauteil. Weiterhin wird ein der selektiven Bestrahlung entsprechendes Computerprogrammprodukt angegeben.
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Das 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.
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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 Turbinenlaufschaufel werden ständig hinsichtlich ihrer Festigkeit, Lebensdauer, Kriechbelastbarkeit und thermomechanischer Ermüdung, verbessert.
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Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund technischer Weiterentwicklung zunehmend interessant auch für die Serienherstellung der oben genannten Bauteile, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten.
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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).
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Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen mit gepulster Bestrahlung ist beispielsweise bekannt aus
EP 3 542 927 A1 .
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Additive Fertigungsverfahren 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 (Computer-Aided-Design) und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann.
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Die Herstellung von Gasturbinenschaufeln mittels der beschriebenen pulverbett-basierten Verfahren („LPBF“ englisch für „Laser Powder Bed Fusion“) ermöglicht vorteilhaft die Implementierung von neuen Geometrien oder Konzepten, welche die Herstellungskosten bzw. die Aufbau- und Durchlaufzeit reduzieren, den Herstellungsprozess optimieren und beispielsweise eine thermo-mechanische Auslegung oder Strapazierfähigkeit der Komponenten verbessern können.
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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.
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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 einer zulässigen Toleranz.
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Insbesondere örtlich hoch aufzulösende, komplexe Oberflächen sind mittels AM, insbesondere LPBF, fertigbar, aber schwer oder gar nicht durch rechnerunterstützte Konstruktion (in CAD) zu modellieren. Selbst wenn eine solche CAD-Modellierung gelänge, wäre ein entsprechender datentechnischer Aufwand übergebührend hoch und nicht praktikabel.
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Übliche Bauteildimensionen liegen häufig bei mehreren hundert Millimetern; die genannten komplexen Oberflächenmerkmale sind hingegen in Größenordnungen unterhalb von 200 µm erforderlich. Der begrenzende Faktor solcher „Oberflächenfeatures“ ist die Schmelzbadgeometrie. Das Beschleunigen und Abbremsen des Strahlfokus („laser spot“) entlang - gemäß einem festgelegten Bestrahlungsmuster - zu rasternden Vektoren beeinflusst die Schmelzbadgröße und macht das Abbilden sehr kleiner Merkmale, beispielsweise solchen mit einer Abmessung von weniger als dem Dreifachen oder dem Doppelten eines entsprechenden (konventionellen) Schmelzbaddurchmesser, oft unmöglich.
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Weiterhin wird die Abbildung von maßgeschneiderten Oberflächenmerkmalen oder einer vorbestimmten Oberflächentextur dadurch erschwert, dass sich das Schmelzbad im Pulverbett inhärent ausdehnt bzw. benachbarte Pulverpartikel in dieses „hineinzieht“.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die beschriebene Problematik zu lösen und insbesondere ein Mittel anzugeben, mit dem eine fein aufgelöste Oberflächentextur bei additiv hergestellten Bauteilen realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Bestrahlen einer Materialschicht, insbesondere Pulverschicht, in der additiven Herstellung eines Bauteils umfassend das Bereitstellen von (schichtweisen) Geometriedaten, umfassend eine Kontur eines additiv herzustellenden Bauteils.
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Bei der „Kontur“ kann es sich um einen Rand eines Vollmaterialbereichs in der jeweiligen zu bestrahlenden Schicht des Bauteils oder auch um eine dünnwandige Struktur, wie eine dünne Wand, handeln, die nur über einen einzigen Bestrahlungsweg abgebildet wird („single scan“).
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Das Verfahren umfasst weiterhin das rechnergestützte, ggf. computerimplementierte Definieren oder Bereitstellen eines Bestrahlungsmusters für Schichten, insbesondere mindestens eine, mehrere oder alle Schichten, des Bauteils, wobei das Bestrahlungsmuster in einer Schicht mindestens einen Konturbestrahlungspfad umfasst, wobei eine Bestrahlung des Konturbestrahlungspfades zur Ausbildung einer vordefinierten Oberflächentextur oder Oberflächentopographie des Bauteils durch eine (weitere) gepulste Bestrahlung in der Schicht überlagert wird derart, dass Schmelzbäder, welche im Wege der Herstellung des Bauteils aus einer Bestrahlung des Konturbestrahlungspfades und solche, die aus der gepulsten Bestrahlung hervorgehen, überlappen.
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Der genannte Überlapp ist insbesondere zweckmäßig zur Herstellung einer (schichtweise) zusammenhängenden Bauteilstruktur.
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Bei der genannten Überlagerung der Bestrahlungen, Bestrahlungspfade oder -vektoren kommt es in erster Linie auf einen räumlichen Überlapp der Bestrahlungsvektoren bzw. der daraus resultierenden Schmelzbäder an, wobei die Bestrahlungen aber auch zeitlich zusammenfallen können.
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Der beschriebene „Konturbestrahlungspfad“ soll vorliegend vorzugsweise einen einfach oder mehrfach (in parallelen Vektoren) zu bestrahlenden Konturbereich des Bauteils betreffen. Im Fachjargon werden solche Bestrahlungen häufig salopp als „Konturfahrten“ bezeichnet.
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Die beschriebene Lösung zeichnet sich vorteilhafterweise dadurch aus, dass es überhaupt erst ermöglicht wird, komplexe, funktionale und/oder räumlich hochaufgelöste Oberflächenmerkmale oder -texturen bei additiv herzustellenden Bauteilen zu ermöglichen. Dies erlaubt wiederum erst die Realisierung von maßgeschneiderten Oberflächen, beispielsweise zur Abbildung funktionaler Kühlstrukturen mit einer vergrößerten Oberfläche, oder hinsichtlich der Beeinflussung von fluidischen Oberflächeneigenschaften von z. B. Turbulator- oder Wirbler-Komponenten.
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Weiterhin werden Mittel geschaffen, Oberflächen für Füge- oder Beschichtungsanwendungen maßzuschneidern oder ästhetische, holographische und/oder optische Oberflächeneigenschaften zu realisieren. Noch weiterhin lässt sich eine Ausnutzung solcher Oberflächeneigenschaften in additiv hergestellten sensorischen Bauteilen ausnutzen, beispielsweise hinsichtlich der Anbindungs- oder Resorptionseigenschaften für biologisches Zellwachstum oder Ähnliches.
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In einer Ausgestaltung ist oder wird die definierte Oberflächentextur nicht in den (CAD) Geometriedaten des Bauteils abgebildet.
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In einer Ausgestaltung wird der Konturbestrahlungspfad im Wege der Herstellung des Bauteils kontinuierlich bestrahlt. Gemäß dieser Ausgestaltung können die Vorteile einer kontinuierlichen Bestrahlung, d.h. einer größeren Prozesseffizienz als auch einer größeren strukturellen Stabilität der Kontur ausgenutzt werden.
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In einer Ausgestaltung wird der Konturbestrahlungspfad im Wege der Herstellung des Bauteils gepulst bestrahlt. Gemäß dieser Ausgestaltung können hingegen die Vorteile einer gepulsten Bestrahlung, hinsichtlich der Bildung einer besonders feinen Struktur und/oder der Vermeidung von zu großen Wärmeeinträgen in die Kontur ausgenutzt werden.
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In einer Ausgestaltung definiert die Kontur einen dünnwandigen Bereich des Bauteils, wie eine dünne Wand, eine Folie, eine Lamelle oder beispielsweise einen Faltenbalg, wobei der Konturbestrahlungspfad zur strukturellen Abbildung der Kontur entlang nur eines (einzigen) Konturbestrahlungsvektors bestrahlt wird. Dieser Konturbestrahlungsvektor kann dann gemäß der vorliegenden Erfindung aber gepulst und/oder kontinuierlich durchgehend definiert sein, und bestrahlt werden.
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In einer Ausgestaltung weist die durch eine Bestrahlung entlang des Bestrahlungsmusters - im Wege der Herstellung des Bauteils - hervorgerufene Oberflächentextur eine regelmäßige Welligkeit, beispielsweise gemäß einer Gestaltsabweichung zweiter Ordnung, auf. Durch die beschriebene Fälligkeit kann die entsprechend texturierte Oberfläche vorteilhafterweise maßgeschneidert an die oben beschriebenen Erfordernisse der Oberfläche angepasst werden.
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Gleiches gilt für eine weitere Ausgestaltung, gemäß der die durch die Bestrahlung entlang des Bestrahlungsmusters hervorgerufene Oberflächentextur einen (regelmäßigen oder unregelmäßigen) Zick-Zack-Verlauf aufweist.
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In einer Ausgestaltung erfolgt die gepulste Bestrahlung entlang von zu dem Konturbestrahlungspfad parallelen Konturbestrahlungsvektoren.
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In einer Ausgestaltung weist das Bauteil Bereiche einer Vollkörperstruktur auf, wobei das Bestrahlungsmuster für die Abbildung dieser Vollkörperstruktur in der entsprechenden Schicht Flächenbestrahlungsvektoren (sogenannte „hatches“) umfasst.
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In einer Ausgestaltung sind Schmelzbäder, welche aus einer Bestrahlung der Flächenbestrahlungsvektoren und solche, die aus der Bestrahlung (entlang) des Konturbestrahlungspfades hervorgehen, überlappfrei bzw. überlappfrei versetzt. Gemäß dieser Ausgestaltung kann mit Vorteil eine Überlagerung von Schmelzbädern der Flächenbestrahlung und solchen, der Konturbestrahlung verhindert werden, welche die Oberflächentopologie, Topographie oder Maßhaltigkeit des Bauteils beeinträchtigen kann.
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In einer Ausgestaltung wird ein Zwischenraum zwischen (zusammenhängenden) Schmelzbädern aus der Flächenbestrahlung, d. h. der Bestrahlung der Flächenbestrahlungsvektoren, und Schmelzbädern aus der Konturbestrahlung (Bestrahlung der Konturbestrahlungspfade) für eine zusammenhängende Bauteilstruktur durch eine weitere, füllende Bestrahlung bzw. durch diese hervorgerufene Schmelzbäder geschlossen. Durch diese Ausgestaltung kann zweckmäßigerweise eine zusammenhängende und damit formstabile Bauteilstruktur generiert werden.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein additives Herstellungsverfahren, umfassend das Verfahren zur selektiven Bestrahlung (wie beschrieben), wobei das selektive Bestrahlen mittels eines Lasers oder eines Elektronenstrahls erfolgt, und die Materialschicht eine Pulverschicht ist.
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In einer Ausgestaltung besteht die Materialschicht aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung. Gemäß dieser Ausgestaltung betrifft die vorgestellte Lösung in erster Linie eine Anwendung von Hochleistungsmaterialien, die besondere Anforderungen an die additive Herstellung bzw. entsprechende selektive Bestrahlung stellt und gemäß der insbesondere die Güte und Gestaltungsfreiheit von texturierten Oberflächen bislang eine besondere Herausforderung darstellt.
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In einer Ausgestaltung ist das Bauteil eine im Heißgaspfad einer Strömungsmaschine anzuwendende Komponente.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil, welches gemäß der vorgestellten Lösung herstellbar oder hergestellt ist und welches weiterhin Oberflächenmerkmale in mindestens einer (räumlichen) Dimension von weniger als dem Doppelten bzw. dem Dreifachen eines (konventionellen) Schmelzbaddurchmesser das einer kontinuierlichen Bestrahlung umfasst.
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Alternativ oder zusätzlich kann das besagte Bauteil gemäß der beschriebenen Lösung mit Oberflächenmerkmalen versehen werden, die in mindestens einer Dimension weniger als 200 µm messen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer, beispielsweise zur Steuerung der Bestrahlung in einer additiven Herstellungsanlage, diesen veranlassen, die selektive Bestrahlung gemäß dem wie vorliegend beschrieben definierten Bestrahlungsmuster durchzuführen.
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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 werden oder vorliegen. 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.
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In einer Ausgestaltung betrifft das Computerprogrammprodukt Herstellungsanweisungen, gemäß denen eine additive Herstellungsanlage, beispielsweise über CAM-Mittel („Computer-Aided-Manufacturing“) durch ein entsprechendes Computerprogramm, zur Herstellung des Bauteils gesteuert wird.
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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.
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Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf das Verfahren zur Bestrahlung bzw. Herstellung beziehen, können ferner das Bauteil direkt bzw. das Computerprogrammprodukt betreffen, und umgekehrt.
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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.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
- 1 deutet anhand einer schematischen Schnittdarstellung das Grundprinzip pulverbettbasierter additiver Herstellungsverfahren an.
- 2 deutet anhand einer schematischen Aufsicht ein Bestrahlungsmuster gemäß der vorliegenden Erfindung an.
- 3 deutet ähnlich zur 2 ein alternatives Bestrahlungsmuster für die Herstellung eines Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung an.
- 4 deutet eine beispielhafte, wellenartige, erfindungsgemäße Oberflächentextur an.
- Die 5 und 6 deuten jeweils weiterhin einen beispielhaften erfindungsgemäßen Konturbestrahlungspfad gemäß der vorliegenden Erfindung an.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Grö-ßenverhältnisse 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.
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1 zeigt eine additive Herstellungsanlage 100. Die Herstellungsanlage 100 ist vorzugsweise als LPBF-Anlage und für den additiven Aufbau von Bauteilen oder Komponenten aus einem Pulverbett ausgestaltet. Die Anlage 100 kann im Speziellen auch eine Anlage zum Elektronenstrahlschmelzen betreffen.
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Demgemäß weist die Anlage eine Bauplattform 1 auf. Auf der Bauplattform 1 wird ein additiv herzustellendes Bauteil 10 schichtweise aus einem Pulverbett hergestellt. Letzteres wird durch ein Pulvermaterial 5 gebildet, welches beispielsweise über einen Hubkolben 4 und dann einen Beschichter 7 schichtweise auf der Bauplattform 1 verteilt werden kann.
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Nach dem Auftragen einer jeden Pulverschicht L werden gemäß der vorgegebenen Geometrie des Bauteils 10 selektiv Bereiche der Schicht mit einem Energiestrahl 6, beispielsweise einem Laser oder Elektronenstrahl, aufgeschmolzen und anschließend verfestigt. Auf diese Art wird das Bauteil 10 schichtweise entlang der gezeigten Aufbaurichtung z aufgebaut.
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Der Energiestrahl 6 entstammt vorzugsweise einer Strahlquelle 2 und wird über einen Scanner oder eine Steuerung 3 ortsselektiv über jede Schicht L gerastert.
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Nach jeder Schicht L wird die Bauplattform 1 vorzugsweise um ein der Schichtdicke entsprechendes Maß abgesenkt (vgl. nach unten gerichteter Pfeil rechts in 1). Die Dicke L beträgt üblicherweise lediglich zwischen 20 µm und 40 µm, so dass der gesamte Prozess leicht die selektive Bestrahlung von Tausenden bis hin zu Zehntausenden von Schichten umfassen kann. Dabei können durch den lediglich sehr lokal wirkenden Energieeintrag 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 additive Herstellungsprozesse in der Regel erheblich verkompliziert.
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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.
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Die Geometrie des Bauteils wird üblicherweise durch eine CAD-Datei festgelegt. Nach dem Einlesen einer solchen Datei in die Herstellungsanlage 100 oder deren Steuerung 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. Dementsprechend können die im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen in der additiven Herstellung von Materialschichten auch bereits durch ein Computerprogrammprodukt C ausgedrückt werden. Das Computerprogramprodukt C umfasst dazu vorzugsweise Befehle, die bei der Ausführung eines entsprechenden Programms oder Verfahrens durch einen Computer, oder die Steuerung 3, diese(n) veranlassen, die selektive Bestrahlung des vorliegend beschriebenen Bestrahlungsmusters M durchzuführen.
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Figure 2 zeigt in Aufsicht auf eine Materialschicht (vgl. Schichterstreckung in x-y-Ebene), ein entsprechendes Bestrahlungsmuster M zum selektiven Bestrahlen einer Kontur K als Teil eines Bauteilbereichs, der schichtweise gemäß dem in 1 gezeigten Prinzip aufgebaut wird.
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Die Kontur K wird im Wesentlichen definiert durch einen Konturbestrahlungspfad P, der sich in der 2 von oben nach unten erstreckt. Der Pfad P ist durch eine durchgezogene Linie angedeutet und kann erfindungsgemäß durch eine kontinuierliche Bestrahlung als auch gepulst, wie durch die in 1 kreisförmigen voneinander beabstandeten Schmelzbäder (nicht explizit gekennzeichnet) angedeutet, bestrahlt werden.
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Vorzugsweise definiert die Kontur K gemäß dieser Ausgestaltung einen dünnwandigen Bereich des Bauteils 10, welcher durch nur einen Konturbestrahlungsvektors Vk abgebildet werden kann. Bekanntlich wird die erreichbare Wanddicke der finalen Bauteilstruktur im Wesentlichen durch eine Schmelzbadabmessung definiert. Alternativ können auch mehrere (parallele) Konturbestrahlungen, durchgeführt werden.
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Die Kontur K wird erfindungsgemäß vorzugsweise ebenfalls durch Geometriedaten bereitgestellt.
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Das vorliegende Verfahren umfasst also weiterhin das vorzugsweise rechnergestützte Definieren des Bestrahlungsmusters M, welches schichtweise mindestens einen Konturbestrahlungspfad P umfasst.
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Zur Ausbildung einer bestimmten oder definierten Oberflächentextur (vgl. auch 4 weiter unten) wird der Konturbestrahlungspfad P weiterhin durch eine gepulste Bestrahlung P1 (links im Bild) und P2 (rechts im Bild) überlagert derart, dass Schmelzbäder, welche im Wege der Herstellung des Bauteils aus einer Bestrahlung des Konturbestrahlungspfads und solche, die aus der gepulsten Bestrahlung P1, P2 hervorgehen, überlappen. Einen sprechender Überlapp ist in 2 mit dem Bezugszeichen o gekennzeichnet.
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Die gepulste Bestrahlung oder Pulsung P1 erfolgt mit einem Pulsabstand a und in Pfadrichtung mit einem Versatz b - relativ zu Pulsen des Konturbestrahlungspfades.
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Analog erfolgt die gepulste Bestrahlung oder Pulsung P2 mit einem Pulsabstand c und in Pfadrichtung mit einem Versatz d - relativ zu Pulsen des Konturbestrahlungspfades. Der Versatz d entspricht dabei einer zu dem Versatz c entgegengesetzten Versatzrichtung.
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Die Pulsung P1 als auch die Pulsung P2 verlaufen vorliegend vorzugsweise weiterhin parallel zu dem gekennzeichneten Konturbestrahlungsvektor Vk des Pfades P.
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Durch den beschriebenen Überlapp o entsprechender Schmelzbäder (vgl. Schmelzbaddurchmesser Ds) verbinden die Bestrahlungspulse P1 als auch P2 zweckmäßigerweise Schmelzbäder des Konturbestrahlungspfades P.
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Gemäß einer alternativen, nicht explizit gekennzeichneten Ausgestaltung können die Pulse P1 und P2 ein durchgängiges Schmelzbad eines (kontinuierlichen) Konturbestrahlungsvektors Vk berührend überlagern.
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Lediglich der Einfachheit halber sind die gezeigten Schmelzbäder des Bestrahlungsmusters M nach 2 alle mit gleichen Dimensionen bzw. Durchmessern gekennzeichnet. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit können die Schmelzbäder erfindungsgemäß natürlich je nach Pulsung und Bestrahlungspfad variieren und durch eine veränderte Strahlenergie verändert werden.
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Es wird verdeutlicht, dass die durch die vorliegende Erfindung erreichbare Oberflächentexturierung erst im Wege der Fertigungsvorbereitung, durch Mittel des CAM, aber vorzugsweise nicht bereits durch eine Konstruktion des Bauteils 10 oder entsprechende CAD-Geometriedaten vermittelt wird.
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3 zeigt - ähnlich zur 2 - ein Bestrahlungsmuster M - auch enthaltend einen Konturbestrahlungspfad P - für eine Bauteilschicht mit einem Vollkörperbereich. Die selektive Bestrahlung solcher Vollkörperschichten umfasst üblicherweise die Definition von Flächenbestrahlungsvektoren Vf (vgl. rechts) .
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Links beabstandet von der Bestrahlungsmuster für den Vollkörperbereich (nicht explizit gekennzeichnet) ist in 3 wieder der Konturbestrahlungspfad P der Kontur K dargestellt.
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Vorzugsweise überlappen Schmelzbäder, welche aus einer Bestrahlung der Flächenbestrahlungsvektoren Vf und solche, die aus der Bestrahlung des Konturbestrahlungspfads P hervorgehen, nicht, sodass dadurch auch keine strukturellen Verzerrungen oder Topologieunterschiede des Bauteils, insbesondere durch zu große Wärmeeinträge in die Schicht, hervorgerufen werden. Stattdessen ergibt sich vorzugsweise ein Zwischenraum zwischen den genannten Schmelzbädern, welcher für eine schließlich zusammenhängende Bauteilstruktur durch eine weitere füllende Bestrahlung Pf geschlossen wird.
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Figure 4 zeigt - ebenfalls in einer Aufsicht - einen schematischen welligen Verlauf einer auf die beschriebene Art hergestellten Oberflächentextur. Die mit dem Bezugszeichen 11 bezeichneten Texturspitzen oder Oberflächenmerkmale entsprechen vorzugsweise der Pulsung P1 gemäß den 2 und 3.
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Weiterhin kann die Oberflächentextur einen entsprechenden Zick-Zack-Verlauf aufweisen und auf beliebige Art und Weise durch die beschriebene Lösung zur Ausbildung maßgeschneiderter funktionaler Oberflächen ausgestaltet werden.
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Dazu kann das Bauteil schließlich an Funktionsflächen die beschriebenen Oberflächenmerkmale 11 aufweisen. Ein einziges Oberflächenmerkmal 11 bzw. eine entsprechende Oszillationslänge, Dimension oder Periode eines einzigen Zick-Zack-Verlaufs kann dabei vorzugsweise dem Dreifachen oder Doppelten eines Schmelzbaddurchmessers Ds einer kontinuierlichen Bestrahlung, oder sogar weniger entsprechen.
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In absoluten Maßen kann eine Dimension der beschriebenen Oberflächenmerkmale 11 beispielsweise weniger als 300 µm, weniger als 200 µm oder sogar weniger als 100 µm betragen. Aufgrund der oben beschriebenen Schwierigkeit der Kontrolle von Schmelzbaddimensionen, sind solche Werte bislang ohne die erfindungsgemäße Lösung nicht möglich.
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Die 5 und 6 deuten anhand von schematischen Bestrahlungsverläufen jeweils eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung an. Während in den oben beschriebenen Darstellungen die durch die entsprechenden (gepulsten) Energieeinträge dimensionierten Schmelzbäder gleichartig ausgestaltet waren, können die Pulsparameter erfindungsgemäß auch variieren. Damit lassen sich dann auch die entsprechende Schmelzbadausdehnung und die Oberflächeneigenschaften der Bauteilstruktur kontrollieren.
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5 zeigt einen Konturbestrahlungspfad ähnlich zu den 2 und 3. Bei dem hier angedeuteten Pfad P werden unterschiedlich Pulslänge P1 und P2 angewendet, wobei entsprechende Pulsparameter, wie Energieeintrag, (räumlicher und/oder zeitlicher) Pulsabstand als auch Rastergeschwindigkeit variieren können. Beispielsweise sind die aus der Pulsung P1 resultierenden kreisförmig angedeuteten Schmelzbäder kleiner als die länglichen oder elliptischen Schmelzbäder, welche durch die Pulse P2 hervorgerufen werden. Dadurch lässt sich im Ergebnis ebenfalls eine maßgeschneiderte Oberflächentextur erreichen.
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Eine zu 5 ähnliche Ausgestaltung ist in 6 gezeigt, bei der sogar drei verschiedene Pulse P1, P2 und P3 und entsprechend unterschiedliche Pulsparameter und unterschiedliche Schmelzbadabmessungen angewendet werden können, um die Oberflächenmerkmale der so entstehenden Bauteilschicht entsprechend zu konfektionieren.
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Auch in den 5 und 6 ist zu erkennen, dass durch die unterschiedlichen Schmelzbaddimensionen beispielweise eine Welligkeit der Oberfläche erfindungsgemäß realisiert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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