DE102021213599A1 - Verfahren zum Herstellen einer dünnwandigen Struktur - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer dünnwandigen Struktur aus einem Ausgangswerkstoff (1) mittels additiver Fertigung bei dem eine unterbrechungsfreie durchgehende Kontur der zu fertigenden dünnwandigen Struktur in einer Steuereinheit (5) definiert wird und bei einem Fertigungsverfahrensschritt eine Strahlungsquelle (3) von der Steuereinheit (5) derart gesteuert wird, dass die definierte Kontur von einem von der Strahlungsquelle (3) emittierten Energiestrahl (4) abgefahren, zumindest eine Schicht des Ausgangswerkstoffs (1) entlang der Kontur bestrahlt und dabei lokal definiert mit dem Laserstrahl (4) geschmolzen oder gesintert wird, so dass sich die dünnwandige Struktur durch einen Energieeintrag ausbildet. Die unterbrechungsfreie durchgehende Kontur wird in mindestens zwei Teilabschnitte unterteilt, die jeweils durch eine Einzellinienbelichtung zumindest teilweise abgefahren werden. Räumlich unmittelbar aneinander angrenzende Teilabschnitte werden derart mit dem Energiestrahl (4) bestrahlt, dass ein Endpunkt des durch Einzellinienbelichtung bestrahlten einen Teilabschnitts nicht zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend als Anfangspunkt des durch Einzellinienbelichtung zu bestrahlenden anderen Teilabschnitts benutzt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer dünnwandigen Struktur.
  • Bei additiver Fertigung dünnwandiger Bauteilbereiche mittels typischerweise pulverbettbasierter Fertigungsverfahren stellen verzugsbedingte Fertigungsfehler ein großes Problem dar. Insbesondere bei geraden, dünnwandigen Bauteilbereichen sorgt durch eingebrachte Eigenspannungen ein Zusammenziehen von das Bauteil bildenden Schweißnähten in Längsrichtung für ein Ausbauchen (auch als „Warping“ bezeichnet) oder ein Einreißen des Bauteils. Derartige Bauteilfehler nehmen zu, je länger der gerade, dünnwandige Bereich ist.
  • Die Ausrichtung der Schweißnähte hat einen großen Einfluss auf die Ausprägung der verzugsbedingten Bauteilfehler. Für ein bestimmtes Bauteil erfolgt die Festlegung der einzelnen Schweißbahnen in der Regel automatisiert durch einen Algorithmus. Dieser wendet dabei vorgegebene Regeln, die Scanstrategie, für die Lage und Ausrichtung der einzelnen Scanvektoren auf die geometrischen Gegebenheiten eines konkreten Bauteils an. Die Festlegung, welche Scanstrategie für ein konkretes Bauteil verwendet werden soll, wird beim aktuellen Stand der Technik in der Regel durch einen Menschen getroffen.
  • Die Ausprägung der Verzugsproblematik ist stark vom verwendeten Werkstoff abhängig. Bisher ist daher entweder die erreichbare Mindestwandstärke gerader Wandabschnitte limitiert, es werden zusätzliche Stützelemente hinzugefügt oder solche Geometrien gelten als nicht fertigbar. Derzeit wird unabhängig von der zu fertigenden Bauteilgeometrie fast ausschließlich die Contour-Hatch-(CH)-Belichtungsstrategie als Standardbelichtungsstrategie angewendet. Dabei werden die Konturen des Bauteils innerhalb der Fertigungsebene (gegebenenfalls mit einem Offset) von einem Laserstrahl abgefahren und aufzuschmelzende Flächen auf Mäandern oder entsprechend einer Schraffur („Hatches“) vom Laserstrahl abgefahren. Eine Anpassung der Parametrierung der Hatches findet üblicherweise maschinenspezifisch und werkstoffspezifisch, nicht jedoch geometriespezifisch statt. Beispielsweise offenbart die Druckschrift GB 2 378 150 A ein Verfahren, bei dem ein Pulver zum Erreichen einer optimalen Scanzeit computeroptimiert abgerastert und dabei bestrahlt wird.
  • Die CH-Belichtungsstrategie weist üblicherweise vergleichsweise geringe Verzüge auf, ist allerdings hinsichtlich der minimal erreichbaren Wandstärke limitiert und besitzt eine geringe Produktivität. Für dünnwandige Bauteilbereiche stellt die Einzellinienbelichtung einen weiteren Ansatz dar. Dabei wird der Querschnitt der zu fertigenden Wand entlang einer einzelnen Scanbahn vom Laser abgefahren. Sie weist zwar eine sehr hohe Produktivität, allerdings auch eine sehr hohe Anfälligkeit für Verzug, insbesondere Warping auf.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, das die genannten Nachteile vermeidet, mit dem also mechanisch stabile dünnwandige Strukturen schnell und zuverlässig herstellbar sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach dem nebengeordneten Anspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Bei einem Verfahren zum Herstellen einer dünnwandigen Struktur aus einem Ausgangswerkstoff mittels additiver Fertigung wird eine unterbrechungsfreie durchgehende Kontur der zu fertigenden dünnwandigen Struktur in einer Steuereinheit definiert und nachfolgend ein Fertigungsverfahrensschritt durchgeführt. Bei diesem Fertigungsverfahrensschritt wird eine Strahlungsquelle von der Steuereinheit derart gesteuert, dass die definierte Kontur von einem von der Strahlungsquelle emittierten Energiestrahl abgefahren wird, zumindest eine Schicht des Ausgangswerkstoffs entlang der Kontur bestrahlt wird, und dabei lokal definiert mit dem Energiestrahl geschmolzen oder gesintert wird, so dass sich die dünnwandige Struktur durch einen Energieeintrag ausbildet. Die unterbrechungsfreie durchgehende Kontur (die nicht zwangsläufig geschlossen sein muss, aber natürlich geschlossen sein kann) wird hierzu in mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei, besonders vorzugsweise mindestens vier Teilabschnitte unterteilt, die jeweils durch eine Einzellinienbelichtung zumindest teilweise abgefahren werden, wobei räumlich unmittelbar aneinander angrenzende Teilabschnitt derart mit dem Energiestrahl bestrahlt werden, dass ein Endpunkt des durch Einzellinienbelichtung bestrahlten einen Teilabschnitts nicht zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend als Anfangspunkt des durch Einzellinienbelichtung zu bestrahlenden anderen Teilabschnitts benutzt wird.
  • Durch den Energieeintrag des Energiestrahls kann ein zuverlässiges Schmelzen bzw. Sintern des Ausgangswerkstoffs erreicht werden, der nach dem Erstarren dann als dünnwandige Struktur vorliegt. Indem die zu fertigende Struktur in mehrere Teilabschnitte unterteilt wird, die innerhalb einer Schicht nacheinander hergestellt werden, können jeweils relativ kurze Teilabschnitte gefertigt werden, bei denen die genannten Probleme des Warpings und andere Bauteilverzüge kaum oder nicht auftreten. Durch Verwenden dieser Form einer Einzellinienbelichtung wird zudem eine schnelle Fertigung gewährleistet. Da zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend nur Teile von Teilabschnitten bestrahlt werden (und damit die jeweiligen Teilabschnitte der Kontur aus dem Ausgangswerkstoff zu Teilabschnitten der dünnwandigen Struktur werden), die nicht räumlich in direktem Kontakt miteinander stehen, wird eine Scanbahnlänge verkürzt, der Bauteilverzug nimmt ab. Unter einer dünnwandigen Struktur soll hierbei insbesondere eine Struktur verstanden werden, deren Höhe mindestens so groß wie ihre Breite ist. Typischerweise ist die Höhe jedoch mindestens doppelt so groß wie die Breite. Durch Verwenden eines additiven Fertigungsverfahrens kann aus einem Pulver, d. h. insbesondere aus einem pulverförmigen Ausgangswerkstoff, schnell und effizient ein entsprechendes Bauteil durch Bestrahlen bzw. Belichten gefertigt werden, wobei in besonders bevorzugter Weise eine pulverbettbasierte Fertigung vorgenommen wird. Alternativ oder zusätzlich dazu, dass ein Endpunkt des durch Einzellinienbelichtung bestrahlten einen Teilabschnitts nicht zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend als Anfangspunkt des durch Einzellinienbelichtung zu bestrahlenden anderen Teilabschnitts benutzt wird, kann auch vorgesehen sein, dass räumlich unmittelbar aneinander angrenzende Teilabschnitt nicht zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend mit dem Energiestrahl bestrahlt werden. Das beschriebene Verfahren kann aber auch für Drahtauftragsschweißen verwendet werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass durch den Energiestrahl eine dünnwandige Struktur ausgebildet wird, die eine Wanddicke aufweist, die maximal einem Dreifachen bis einem Vierfachen eines Brennpunktdurchmessers des Energiestrahls an der Oberfläche des Ausgangswerkstoffs entspricht. Hierdurch kann noch eine Einzellinienfertigung gewährleistet werden, so dass eine entsprechend schnelle Fertigung erreichbar ist, während die Dicke bzw. Breite der dünnwandigen Struktur entsprechend klein bleibt und somit eine schmale dünnwandige Struktur fertigbar ist. Der Brennpunktdurchmesser bzw. Fokusdurchmesser ist typischerweise für einen runden Brennpunkt bzw. Fokuspunkt oder Fokus definiert, es kann aber auch eine elliptische Form des Brennpunkts vorgesehen sein, bei der als Durchmesser die Länge der Hauptachse oder die Länge der Nebenachse genommen wird. Die Form des Brennpunkts bzw. Fokus kann aber auch torusförmig sein oder als „flat head“-Form vorliegen. Durch den Energiestrahl kann auch eine dünnwandige Struktur ausgebildet werden, die eine Wanddicke aufweist, die genau einem Durchmesser der sich durch Energieeintrag mittels des Energiestrahls ausbildenden Schweißnaht an der Oberfläche des Ausgangswerkstoffs entspricht. Die Wanddicke kann somit genau einem Durchmesser einer sich ausbildenden Schweißraupe, einem Zweifachen dieses Durchmessers, einem Dreifachen dieses Durchmessers bis zu maximal einem Vierfachen des genannten Durchmessers entsprechen.
  • Ein durch Einzellinienbelichtung teilweise bestrahlter Teilabschnitt des entsprechend zweidimensional ausgelenkten oder auslenkbaren Energiestrahls kann nach dem zumindest teilweisen Abfahren eines anderen Teilabschnitts in dem bislang noch nicht bestrahlten Teilabschnitt mit dem zweidimensional ausgelenkten Energiestrahl bestrahlt werden, um eine Überdeckung und somit eine flächige Bearbeitung des Ausgangswerkstoffs zu erreichen.
  • Typischerweise wird jeder der Teilabschnitt in einer gleichen bzw. identischen Richtung abgefahren und bestrahlt, um eine zeitliche effiziente Bearbeitung zu gewährleisten.
  • Die Teilabschnitte weisen vorzugsweise eine maximale Länge von einer hundertfachen Länge eines Schmelzbaddurchmessers, vorzugsweise 5 mm, besonders vorzugsweise 10 mm, auf. Typischerweise beträgt eine Schichtdicke einer durch einmaliges Abfahren und Bestrahlen hergestellten Schicht 25 µm bis 100 µm.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Fertigungsverfahrensschritt jeweils nach einem Fertigen bzw. Auftrag einer Schicht des Ausgangswerkstoffs so oft wiederholt wird (gegebenenfalls auch mit Versatz oder Verzerrung, also nicht zwangsläufig geometrisch identisch), bis die dünnwandige Struktur als dreidimensionales Element fertig gestellt worden ist. Somit kann die dünnwandige Struktur in die Höhe wachsen und gleichzeitig können die bei herkömmlichen Fertigungsverfahren auftretenden Bauteilverzüge vermindert oder verhindert werden, ohne dabei Änderungen an der zugrundeliegenden Geometrie vornehmen zu müssen.
  • Verschiedene der Teilabschnitte können zudem gegeneinander versetzt oder verdreht angeordnet sein und in dieser geometrischen Ausrichtung auch bestrahlt werden, um beliebige geometrische Strukturen herstellen zu können.
  • Eine Vorrichtung zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens weist eine Steuereinheit und eine Strahlungsquelle auf, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die Strahlungsquelle derart anzusteuern, dass eine vorab definierte durchgehende Kontur der zu fertigenden dünnwandigen Struktur von einem von der Strahlungsquelle emittierten und zweidimensional auslenkbaren oder ausgelenkten Energiestrahl abgefahren und der Ausgangswerkstoff dabei entlang der Kontur bestrahlt wird, so dass sich die dünnwandige Struktur durch einen Energieeintrag ausbildet, bei dem der Ausgangswerkstoff lokal definiert aufgeschmolzen oder gesintert wird, wobei die durchgehende Kontur in mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei, besonders vorzugsweise mindestens vier Teilabschnitte unterteilt wird, die jeweils durch eine Einzellinienbelichtung zumindest teilweise abgefahren werden, und wobei räumlich unmittelbar aneinander angrenzende Teilabschnitte einer Schicht des Ausgangswerkstoffs nicht zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend mit dem Energiestrahl bestrahlt werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Energiestrahl einen Brennpunktdurchmesser, Fokusdurchmesser bzw. Brennfleckdurchmesser von maximal 100 µm, vorzugsweise maximal 200 µm, besonders vorzugsweise maximal 300 µm, aufweist, um eine ausreichend dünnwandige Struktur herstellen zu können.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass die Strahlungsquelle als eine Laserstrahlungsquelle ausgebildet ist und der Energiestrahl als ein Laserstrahl ausgebildet ist. Die Strahlungsquelle kann aber auch eine Elektronenstrahlungsquelle sein. Sofern ein Laserstrahl verwendet wird, kann dieser kontinuierlich emittierend oder gepulst verwendet werden.
  • Ein Computerprogrammprodukt enthält eine Befehlsfolge, die das beschriebene Verfahren durchführt und bzw. oder die beschriebene Vorrichtung ansteuert, wenn die Befehlsfolge in der Steuereinheit der Vorrichtung ausgeführt wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 und 2 erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Herstellen einer dünnwandigen Struktur und
    • 2 eine Draufsicht auf mehrere Umsetzungsvarianten der Belichtungsstrategie.
  • 1 zeigt in einer schematischen seitlichen Ansicht eine Vorrichtung zum Herstellen einer dünnwandigen Struktur. In einem Behälter 2 wird ein pulverförmiger Ausgangswerkstoff 1 gehalten, beispielsweise ein Metallpulver (z. B. Aluminiumlegierungen: AlSi10Mg, Titanlegierungen: NiTi, Ti6Al4V, nickelbasierte Legierungen, eisenbasierte Legierungen: 316L, kupferbasierter Legierungen), ein Kunststoffpulver (z. b. ein Thermoplast), ein Keramikpulver oder ein Glaspulver. Der Behälter 2 ist nach oben offen, und oberhalb des Behälters 2 ist eine Laserstrahlungsquelle 3 als Strahlungsquelle angeordnet, die einen Laserstrahl 4 als Energiestrahl emittiert. Der Behälter 2 selbst kann als fest eingebaute Bauplatte vorgesehen sein, die sukzessive Schicht um Schicht abgesenkt wird. Der pulverförmige Ausgangswerkstoff 1 wird üblicherweise von einem Beschichter entweder aus einem mitgeführten oder einem ortsfesten Pulvervorrat aufgetragen. Der Laserstrahl 4 wird, gegebenenfalls nach Durchlaufen einer zwischen der Laserstrahlungsquelle 3 und dem pulverförmigen Ausgangswerkstoff 1 befindlichen optischen Anordnung, die beispielsweise als Linsenanordnung den Laserstrahl 4 fokussiert, auf eine Oberfläche des als Pulverbett in dem Behälter 2 enthaltenen pulverförmigen Ausgangswerkstoffs 1 fokussiert und kann den pulverförmigen Ausgangswerkstoff 1 durch einen Energieeintrag aufschmelzen bzw. versintern. Die Laserstrahlungsquelle 3 ist in 1 aus Gründen der einfacheren Darstellung nur schematisch dargestellt und befindet sich oftmals neben dem Behälter 2, wobei der Laserstrahl 4 über optische Leiter, z. B. Glasfasern, an der in 1 gezeigten Stelle eingekoppelt wird. Ebenfalls soll die Laserstrahlungsquelle 3 gegebenenfalls auch eine Ablenkeinheit und bzw. oder die genannte optische Anordnung als Fokussiereinheit umfassen.
  • Die Laserstrahlungsquelle 3 wird von einer Steuereinheit 5, beispielsweise einem Computer, gesteuert und kann somit zweidimensional abgelenkt werden und unterschiedliche Muster abfahren. Zum Herstellen einer dünnwandigen Struktur aus dem pulverförmigen Ausgangswerkstoff 1 wird zunächst eine unterbrechungsfreie durchgehende Kontur in der Steuereinheit definiert. Dies kann sowohl durch eine manuelle Eingabe eines Benutzers als auch durch einen Algorithmus erfolgen, der anhand vorgegebener Randbedingungen die Kontur berechnet.
  • In einem nachfolgenden Fertigungsverfahrensschritt wird die Laserstrahlungsquelle 3 von der Steuereinheit 5 derart gesteuert, dass die definierte Kontur von dem Laserstrahl 4 abgefahren und eine Schicht des pulverförmigen Ausgangswerkstoffs 1 entlang der abgefahrenen Konturbestrahlt bzw. belichtet wird. Durch das dadurch bedingte Aufschmelzen bzw. Sintern des pulverförmigen Ausgangswerkstoffs 1 wird die dünnwandige Struktur ausgebildet bzw. letztlich ein gesamtes Bauteil gefertigt.
  • Hierbei wird die vorab definierte Kontur in mindestens zwei Teilabschnitte unterteilt, die jeweils durch eine Einzellinienbelichtung, d. h. durch Abfahren einer einzigen Linie und Bestrahlen bzw. Belichten, abgefahren und dabei bestrahlt werden. Räumlich unmittelbar aneinander grenzende Teilabschnitte, d. h. Teilabschnitte, die in direktem Kontakt miteinander stehen, werden hierbei nicht zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend bestrahlt bzw. derart mit dem Energiestrahl bestrahlt werden, dass ein Endpunkt des durch Einzellinienbelichtung bestrahlten einen Teilabschnitts nicht zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend als Anfangspunkt des durch Einzellinienbelichtung zu bestrahlenden anderen Teilabschnitts benutzt wird.
  • Der Laserstrahl 4 weist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel auf der Oberfläche des pulverförmigen Ausgangswerkstoffs 1 einen Fokusdurchmesser von maximal 100 µm auf. Dementsprechend kann die ausgebildete dünnwandige Struktur eine Wanddicke bzw. Breite aufweisen, die gerade dem Fokusdurchmesser bzw. Brennpunktdurchmesser entspricht, die Wanddicke kann aber auch bis zu maximal dem Vierfachen des Fokusdurchmessers betragen. Zudem kann nach Fertigstellen einer Schicht der Fertigungsverfahrensschritt so oft wiederholt werden, bis die dünnwandige Struktur als dreidimensionales Element fertig gestellt worden ist.
  • Es findet somit zuerst eine Einteilung der zu fertigenden Geometriebereiche, d. h. der zu fertigenden Kontur, in unterschiedliche Geometrieklassen statt. Diese erfolgt entweder manuell oder automatisiert durch geometrieanalysierende Algorithmen. Eine Geometrieklasse umfasst dabei immer Geometriebereiche, deren Geometrie ein gemeinsames Optimum bei verwendeter Scanstrategie und Prozessparametrisierung aufweist. Für jede der unterschiedlichen Geometrieklassen werden im Anschluss manuell oder automatisiert algorithmisch die zu verwendenden Belichtungsstrategien und deren Parametrierung festgelegt.
  • Das Verfahren basiert in seinen Grundzügen auf der Einzellinienbelichtungsstrategie, stellt jedoch ein Verfahren dar, bei dem nicht die gesamte Länge einer Wand als herzustellender dünnwandiger Struktur mit einer einzelnen durchgehenden Scanbahn belichtet wird. Stattdessen wird diese durchgehende Bahn ersetzt durch Teilabschnitte. Die Teilabschnitte werden nicht entsprechend ihrer örtlichen Anordnung belichtet, sondern die Belichtungsreihenfolge wird so gewählt, dass benachbarte Teilabschnitte nicht zeitlich direkt aufeinander folgend belichtet werden bzw. dass ein Endpunkt eines Teilabschnitts bei der Bearbeitung nicht einem Anfangspunkt des unmittelbar benachbarten Teilabschnitts entspricht. Effektiv verkürzt sich dadurch zum Zeitpunkt der Belichtung die Scanbahnlänge gegenüber einer Einzellinie und der Bauteilverzug nimmt deutlich ab. Eine einfache Stückelung der Scanbahn stellt nicht die einzige Möglichkeit dar die belichteten Abschnitte zu verkürzen. Zusätzlich können die Teilabschnitte auch gegeneinander versetzt oder gedreht werden, damit sich die eingebrachten Eigenspannungen abbauen können. Weitere Varianten, die eine durchgehende Wand in sukzessive Belichtete Teilbereiche unterteilen sind denkbar. In der Steuereinheit 5 läuft daher ein Computerprogramm ab, das das beschriebene Verfahren durchführt bzw. die Laserstrahlungsquelle 3 zum Durchführen dieses Verfahrens ansteuert.
  • 2 zeigt in einer Draufsicht auf die Oberfläche des Ausgangswerkstoffs 1 schematisch unterschiedliche Scanstrategien bzw. unterschiedliche dünnwandige Strukturen. In 2a) wird ein bereits teilweise bestrahlter Teilabschnitt des zweidimensional ausgelenkten Laserstrahls 4 nach einem zumindest teilweisen Abfahren eines anderen Teilabschnitts nochmals über den zuerst belichteten Abschnitt gefahren, nun jedoch demgegenüber geringfügig um die Distanz Vers_a versetzt und dient allgemein zur Verdeutlichung der Vorgehensweise. 2b) zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine durchgehende, gerade Wand in insgesamt vier Teilabschnitte unterteilt wird, von denen nacheinander zuerst die beiden dunkel gezeichneten Teilabschnitte bestrahlt werden, wobei mit dem mittig gelegenen Teilabschnitt von links nach rechts begonnen wird und anschließend der links angeordnete Teilabschnitt von links nach rechts bestrahlt wird, anschließend die beiden weiteren Teilabschnitte bestrahlt werden, wobei nun mit dem rechts angeordneten Teilabschnitt begonnen wird (von rechts nach links oder von links nach rechts) und nachfolgend der noch fehlende mittlere Teilabschnitt bearbeitet wird (von rechts nach links oder von links nach rechts), was auch als gestückelte Bearbeitung bezeichnet wird.
  • 2c) zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Strukturierung derart erfolgt, dass unmittelbar einander benachbarte Teilabschnitte verkippt gegeneinander angeordnet sind. Die einzelnen Schritte sind als Stru_I1 und Stru_I2 bezeichnet, d. h. in einem weiteren Ausführungsbeispiel kann auch in einem ersten Schritt von links nach rechts der rechte schwarze Teilabschnitt bearbeitet werden und anschließend der rechts daneben befindliche Abschnitt von rechts nach links abgefahren wird, so dass die Endpunkte beider Teilabschnitte übereinander liegen. Eine Kombination der in den 2a) und 2b) gezeigten Belichtungs- bzw. Scanstrategien ist in 2d) gezeigt, bei der in einem ersten Durchlauf die dunkel gezeichneten Teilabschnitte bestrahlt werden und nachfolgend die hell eingezeichneten. Schließlich kann auch die in 2e) vorgesehene Scanstrategie angewandt werden. Die entspricht in einer Schicht der in 2b) beschriebenen Vorgehensweise (a+1), in der darunterliegenden Schicht (a) wird der zuerst bestrahlte Teilabschnitt soweit verkürzt und die Positionen der darauffolgenden Teilabschnitte entsprechend angepasst, dass die Startpunkte und Endpunkte der Teilabschnitte in aufeinanderfolgenden Schichten zueinander versetzt auftreten. Diese im Prozess am gleichen Ort, aber zeitlich versetzt stattfindenden Unterschiede zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten wurden für eine bessere Übersichtlichkeit in der Figur örtlich versetzt dargestellt.
  • Bei den beschriebenen Scanstrategien wird jeder Teilabschnitt während des Fertigungsverfahrensschritts in einer gleichen Richtung abgefahren, es kann aber auch vorgesehen sein, zumindest zwei der Teilabschnitte in entgegengesetzten Richtung abzufahren und zu bestrahlen. Die einzelnen Teilabschnitte weisen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Länge von einem Dreifachen des Fokusdurchmessers des Laserstrahls 4 auf, können in weiteren Ausführungsbeispielen aber auch länger ausgestaltet sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • GB 2378150 A [0004]

Claims (11)

  1. Verfahren zum Herstellen einer dünnwandigen Struktur aus einem Ausgangswerkstoff (1) mittels additiver Fertigung bei dem eine unterbrechungsfreie durchgehende Kontur der zu fertigenden dünnwandigen Struktur in einer Steuereinheit (5) definiert wird und bei einem Fertigungsverfahrensschritt eine Strahlungsquelle (3) von der Steuereinheit (5) derart gesteuert wird, dass die definierte Kontur von einem von der Strahlungsquelle (3) emittierten Energiestrahl (4) abgefahren, zumindest eine Schicht des Ausgangswerkstoffs (1) entlang der Kontur bestrahlt und dabei lokal definiert mit dem Energiestrahl (4) geschmolzen oder gesintert wird, so dass sich die dünnwandige Struktur durch einen Energieeintrag ausbildet, wobei die unterbrechungsfreie durchgehende Kontur in mindestens zwei Teilabschnitte unterteilt wird, die jeweils durch eine Einzellinienbelichtung zumindest teilweise abgefahren werden, und wobei räumlich unmittelbar aneinander angrenzende Teilabschnitte derart mit dem Energiestrahl (4) bestrahlt werden, dass ein Endpunkt des durch Einzellinienbelichtung bestrahlten einen Teilabschnitts nicht zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend als Anfangspunkt des durch Einzellinienbelichtung zu bestrahlenden anderen Teilabschnitts benutzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Energiestrahl (4) eine dünnwandige Struktur ausgebildet wird, die eine Wanddicke aufweist, die maximal einem Dreifachen bis einem Vierfachen eines Brennpunktdurchmesser des Energiestrahls (4) an der Oberfläche des Ausgangswerkstoffs (1) entspricht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Energiestrahl (4) eine dünnwandige Struktur ausgebildet wird, die eine Wanddicke aufweist, die genau einem Durchmesser der sich durch Energieeintrag mittels des Energiestrahls (4) ausbildenden Schweißnaht an der Oberfläche des Ausgangswerkstoffs (1) entspricht.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch Einzellinienbelichtung teilweise bestrahlter Teilabschnitt des entsprechend zweidimensional ausgelenkten Energiestrahls (4) nach dem zumindest teilweisen Abfahren eines anderen Teilabschnitts in dem bislang noch nicht bestrahlten Teilabschnitt mit dem zweidimensional ausgelenkten Energiestrahl (4) bestrahlt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Teilabschnitte in einer gleichen Richtung abgefahren und bestrahlt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilabschnitte eine maximale Länge von einer hundertfachen Länge eines Schmelzbaddurchmessers, vorzugsweise 5 mm, aufweisen.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fertigungsverfahrensschritt jeweils nach einem Auftrag einer Schicht des Ausgangswerkstoffs (1) so oft wiederholt wird, bis die dünnwandige Struktur als dreidimensionales Element fertig gestellt worden ist.
  8. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Steuereinheit (5) und einer Strahlungsquelle (3), wobei die Steuereinheit (5) eingerichtet ist, die Strahlungsquelle (3) derart anzusteuern, dass eine vorab definierte durchgehende Kontur der zu fertigenden dünnwandigen Struktur von einem von der Strahlungsquelle (3) emittierten und zweidimensional auslenkbaren Energiestrahl (4) abgefahren und der Ausgangswerkstoff (1) dabei entlang der Kontur bestrahlt wird, so dass sich die dünnwandige Struktur durch einen Energieeintrag ausbildet, bei dem der Ausgangswerkstoff (1) lokal definiert aufgeschmolzen oder gesintert wird, wobei die durchgehende Kontur in mindestens vier Teilabschnitte unterteilt wird, die jeweils durch eine Einzellinienbelichtung zumindest teilweise abgefahren werden, und wobei räumlich unmittelbar aneinander angrenzende Teilabschnitte einer Schicht des Ausgangswerkstoffs (1) nicht zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend mit dem Energiestrahl (4) bestrahlt werden.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (4) einen Brennpunktdurchmesser von maximal 100 µm, vorzugsweise maximal 200 µm, besonders vorzugweise maximal 300 µm, aufweist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (3) als eine Laserstrahlungsquelle ausgebildet ist und der Energiestrahl (4) als ein Laserstrahl ausgebildet ist.
  11. Computerprogrammprodukt enthaltend eine Befehlsfolge, die ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7 durchführt und/oder eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-10 ansteuert, wenn die Befehlsfolge in der Steuereinheit (5) der Vorrichtung durchgeführt wird.
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