DE102022121182A1

DE102022121182A1 - Verfahren zur Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit

Info

Publication number: DE102022121182A1
Application number: DE102022121182.7A
Authority: DE
Inventors: Simon Vincent SANKARE
Original assignee: Oerlikon Am Europe GmbH
Current assignee: Oerlikon Am Europe GmbH
Priority date: 2022-08-22
Filing date: 2022-08-22
Publication date: 2024-02-22

Abstract

Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen durch Pulverbettfusion eines pulverförmigen Basismaterials, umfassend die Schritte des Bereitstellens (100) eines Pulverbettes aus Basismaterial mittels einer Streuvorrichtung und des Bewegens (200) eines fokussierten Laserstrahls eines Lasers über das Pulverbett aus Basismaterial entlang eines vorbestimmten Konturierungspfades (KP) zum Schmelzen von Basismaterial im Bereich des Konturierungspfades (KP), wobei der vorbestimmte Konturierungspfad (KP) in Form eines nichtlinearen Bewegungspfades auf der Basis eines vorbestimmten Musters vorliegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur additiven Fertigung von Bauteilen durch Pulverbettfusion eines pulverförmigen Basismaterials. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Bauteil, das mit einem solchen Verfahren hergestellt werden kann oder mit einem solchen System hergestellt werden kann.
Verfahren und Systeme zur additiven Fertigung von Bauteilen durch Pulverbettfusion eines pulverförmigen Basismaterials sind aus dem Stand der Technik bekannt. Nach den bekannten Verfahren werden mit einem Hochenergiestrahl, z. B. einem Laser- oder Elektronenstrahl, Bauteile schichtweise durch selektives Aufschmelzen der pulverförmigen Grundwerkstoffe hergestellt. Die einzelnen Schichten weisen typischerweise eine Dicke zwischen 10 und 150 µm auf. Während des Auftragsprozesses wird in der Regel eine Schicht des pulverförmigen Basismaterials auf einer Plattform verteilt, die mit Hilfe eines Streumechanismus in der vertikalen Achse (definiert als z-Achse) bewegt werden kann. Nach dem Auftragen des pulverförmigen Basismaterials wird ein fokussierter Hochenergiestrahl in der xy-Ebene über das pulverförmige Basismaterial bewegt. Durch die Bewegung des Hochenergiestrahls schmilzt der Strahl selektiv die Schicht des pulverförmigen Basismaterials auf. Nach dem Schmelzen härtet das Material in der gewünschten Form aus. Der Prozess wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das Bauteil fertig ist.
Nachteilig ist, dass die mit den beschriebenen Fertigungsverfahren hergestellten Strukturen eine relativ hohe Oberflächenrauhigkeit aufweisen können, was für manche Anwendungen nachteilig ist. Zwar ist es bekannt, die geometrischen Abmessungen und die Oberflächenrauheit eines Bauteils zu verbessern, insbesondere die Oberflächenrauheit zu minimieren, indem eine für den Hochenergiestrahl vorgegebene lineare Konturbahn (oder mehrere lineare Konturbahnen) erzeugt wird, die entlang der Konturen des herzustellenden Bauteils verläuft, jedoch besteht weiteres Optimierungspotenzial hinsichtlich der Oberflächenrauheit. Für bestimmte Anwendungen, insbesondere solche mit hohen Qualitätsanforderungen, ist es daher meist notwendig, die gefertigten Bauteile nachzubearbeiten. Eine solche Nachbearbeitung ist jedoch zeit- und kostenintensiv.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur additiven Fertigung von Bauteilen durch Pulverbettfusion eines pulverförmigen Basismaterials vorzuschlagen, das es erlaubt, auf einfache, schnelle und kostengünstige Weise qualitativ hochwertige Bauteile mit einer optimierten Oberflächenrauheit, insbesondere einer minimalen Oberflächenrauheit, herzustellen.
Die obige Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 17 und ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 18. Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Merkmale und Einzelheiten, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, gelten selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System oder dem erfindungsgemäßen Bauteil und jeweils umgekehrt, so dass hinsichtlich der Offenbarung der einzelnen Aspekte der Erfindung stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Verbesserung der Rauhigkeit der Oberflächentextur gemäß ISO 21920-2 bereitgestellt, insbesondere ein Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen durch Pulverbettfusion eines pulverförmigen Basismaterials. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Pulverbettes aus Basismaterial mittels einer Streuvorrichtung und des Bewegens eines fokussierten Laserstrahls eines Lasers über das Pulverbett aus Basismaterial entlang einer vorbestimmten Konturierungsbahn zum Aufschmelzen von Basismaterial im Bereich der Konturierungsbahn, wobei die vorbestimmte Konturierungsbahn in Form einer nichtlinearen Bewegungsbahn auf der Grundlage eines vorbestimmten Musters ausgebildet wird.
Erfindungsgemäß ist das vorliegende Verfahren somit darauf ausgelegt, durch die vorgesehene vorgegebene Konturbahn in Form einer nichtlinearen Bewegungsbahn auf Basis eines vorgegebenen Musters die Herstellung von hochwertigen Bauteilen mit einer optimierten Oberflächenrauhigkeit, insbesondere einer minimalen Oberflächenrauhigkeit, auf einfache, schnelle und kostengünstige Weise zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Oberflächenrauhigkeit eines durch additive Fertigung mittels Pulverbettfusion hergestellten Bauteils insbesondere durch die Art und Weise der Erstarrung des Schmelzbades und durch ungeschmolzenes Pulver beeinflusst wird. Es wurde auch erkannt, dass ein nichtlinearer Abtastpfad auf der Grundlage eines bestimmten Musters verwendet werden kann, um eine bessere Steuerung des Wärmeeintrags und der Abkühlungsrate zu erreichen und dadurch die Benetzung zwischen aufeinanderfolgenden Schichten und die Stabilität des Schmelzbads zu verbessern sowie die Menge an ungeschmolzenen Pulverpartikeln, die seitlich an den Konturen haften, zu verringern.
Im Rahmen der Durchführung des vorliegenden Verfahrens kann insbesondere vorgesehen werden, dass ein Pulverbett aus pulverförmigem Basismaterial auf eine vorzugsweise in z-Richtung (senkrecht zur Ebene der Grundfläche) verfahrbare Grundfläche, wie z. B. eine Grundplatte oder dergleichen, aufgebracht wird. Das Aufschmelzen des Basismaterials im Bereich der Konturbahn kann durch Erhitzen des Basismaterials auf seine Schmelztemperatur mittels eines Lasers mit entsprechender Energiedichte erfolgen. Der Laser ist vorzugsweise in xy-Richtung (entlang der Grundfläche) beweglich, oder der Strahl des Lasers ist entlang der xy-Richtung beweglich, z. B. über bewegliche Spiegel. Unter additiver Fertigung werden im Rahmen der Erfindung vorzugsweise Fertigungsverfahren verstanden, bei denen Material schichtweise aufgetragen wird, um dreidimensionale Bauteile herzustellen. Unter Pulverbettfusion wird im Rahmen der Erfindung vorzugsweise ein Verfahren verstanden, bei dem mittels eines Lasers oder eines Elektronenstrahls Materialpulver aufgeschmolzen und miteinander verschmolzen wird. Unter einem Pulverbett kann im Rahmen der Erfindung vorzugsweise ein flächig aufgetragenes pulverförmiges Material mit einem bestimmten Füllgrad verstanden werden. Unter einer vorbestimmten Konturierungsbahn kann im Rahmen der Erfindung weiter vorzugsweise eine Bewegungsbahn oder mehrere, vorzugsweise nebeneinander angeordnete Bewegungsbahnen entlang der Kontur eines herzustellenden Bauteils verstanden werden. Dementsprechend kann im Rahmen der Erfindung unter dem Bereich der Konturierungsbahn ein Bereich von beispielsweise 0,01 mm bis 1 mm oder dergleichen verstanden werden, der unmittelbar neben der Konturierungsbahn angeordnet ist. Unter einer nichtlinearen Bewegungsbahn wird erfindungsgemäß vorzugsweise eine Bewegungsbahn verstanden, die nicht ausschließlich aus geraden Linien besteht, sondern beispielsweise aus einzelnen miteinander verbundenen oder nicht verbundenen Wellenlinien oder geometrischen Figuren. Unter einem vorgegebenen Muster kann erfindungsgemäß insbesondere die Wellenform oder geometrische Figur verstanden werden.
Zur Bildung eines zumindest teilweise gefüllten Körpers kann im Rahmen der Herstellung eines stabilen und festen Bauteils vorteilhaft vorgesehen sein, dass ein fokussierter Laserstrahl eines Lasers zum Aufschmelzen von Basismaterial im Bereich des Füllpfades entlang eines vorgegebenen Füllpfades über das Pulverbett aus Basismaterial bewegt wird, wobei der vorgegebene Füllpfad vorzugsweise als lineare Bewegungsbahn, insbesondere in Form mehrerer nebeneinander angeordneter linearer Bewegungsbahnen, ausgebildet ist. Der Füllpfad bzw. die Füllpfade sind vorzugsweise innerhalb der Konturbahn angeordnet und sind zum Befüllen des Bauteils, d.h. zum Aufschmelzen des Materials im Inneren des Bauteils, vorgesehen. Je mehr Bewegungsbahnen nebeneinander angeordnet sind und je näher sie zueinander angeordnet sind, desto massiver kann das herzustellende Bauteil sein. Auf diese Weise können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewichtsangepasste Strukturen von Hohlkörpern bis hin zu Vollkörpern hergestellt werden.
Um mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens ein vollständiges dreidimensionales Bauteil mittels eines Schichtaufbaus zu erzeugen, kann vorzugsweise vorgesehen werden, dass die Schritte Bereitstellen eines Pulverbettes aus Basismaterial, Bewegen eines fokussierten Laserstrahls entlang einer vorbestimmten Konturierungsbahn und Bewegen eines fokussierten Laserstrahls entlang eines vorbestimmten Füllpfad zyklisch wiederholt nacheinander durchgeführt werden, wobei ein erneutes Bereitstellen eines Pulverbettes aus Basismaterial vorzugsweise erst dann erfolgt, wenn das geschmolzene Basismaterial ausgehärtet ist. Insbesondere ist es ratsam, das Aushärten des Materials abzuwarten, um einen homogenen Schichtaufbau zu gewährleisten. Vor dem erneuten Aufbringen eines Pulverbettes kann vorzugsweise vorgesehen werden, dass eine Grundfläche oder Grundplatte, auf der das Pulverbett und das aufgeschmolzene und erstarrte Basismaterial angeordnet ist, geringfügig abgesenkt wird, insbesondere genau um eine Schichtdicke des Basismaterials.
Zur effektiven Verbesserung der Oberflächenrauheit, insbesondere zur Minimierung der Oberflächenrauheit von Bauteilen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sind, kann vorzugsweise vorgesehen werden, dass die nichtlineare Bewegungsbahn in Form mindestens einer Bahn aus einzelnen überlappenden elliptischen oder polygonalen Mustern oder in Form einer Bahn aus überlappenden wobbelbasierten Mustern ausgebildet ist. Durch die Ausbildung einer Bahn in Form solcher Muster ist es insbesondere möglich, die Oberflächengüte durch Veränderung der Schmelzbadgeometrie und der Erstarrungsbedingungen zu verbessern. Durch die Ausbildung einer Bahn in Form solcher Muster ist es insbesondere möglich, den Wärmeeintrag und die Abkühlgeschwindigkeit besser zu steuern. Dadurch können insbesondere die Benetzung zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten und die Stabilität des Schmelzesees verbessert werden. Darüber hinaus kann die Menge an nicht aufgeschmolzenen Pulverpartikeln, die an den Seiten der Konturen anhaften, verringert werden. Wobbelmuster, insbesondere in Form von kontinuierlich miteinander verbundenen, spiralförmig verlaufenden Wellen, können vorzugsweise zusätzlich eingesetzt werden, um das Gefüge oder die Produktivität des Prozesses zu verbessern.
Im Rahmen einer effektiven Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die nichtlineare Bewegungsbahn als mindestens eine Bahn aus einzelnen identischen, sich überlappenden elliptischen Mustern ausgebildet ist, wobei der kleinste und/oder größte Durchmesser der elliptischen Muster größer ist als der doppelte Durchmesser des fokussierten Laserstrahls zum Aufschmelzen des Basismaterials, vorzugsweise größer als der dreifache Durchmesser des fokussierten Laserstrahls zum Aufschmelzen des Basismaterials. Dies gewährleistet insbesondere eine bessere Kontrolle des Wärmeeintrags und der Abkühlgeschwindigkeit. Der größte Durchmesser eines elliptischen Musters kann vorzugsweise durch den Durchmesser des Kreises um das elliptische Muster (an der größten Ausdehnung) bestimmt werden. Der kleinste Durchmesser liegt dementsprechend im Inneren der Ellipse (bei der kleinsten Ausdehnung).
Im Rahmen einer wirksamen Verbesserung der Oberflächenrauheit kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass die nichtlineare Bewegungsbahn in Form mindestens einer Bahn aus einzelnen identischen, sich überlappenden Polygonmustern gebildet wird, wobei die Anzahl der Seiten des Polygonmusters vorzugsweise ≥ 5 ist, wobei das Polygonmuster insbesondere in Form eines regelmäßigen Polygonmusters gebildet wird. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass es bei der Verwendung von Mustern mit 5 oder mehr Seiten möglich ist, die Oberflächengüte durch Änderung der Schmelzbadgeometrie und der Erstarrungsbedingungen deutlich zu verbessern.
Im Rahmen einer effektiven Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die nichtlineare Bewegungsbahn in Form mindestens einer Bahn aus einzelnen identischen, sich überlappenden Polygonmustern ausgebildet ist, wobei der kleinste und/oder größte Durchmesser der Polygonmuster größer ist als der doppelte Durchmesser des fokussierten Laserstrahls zum Aufschmelzen des Basismaterials, vorzugsweise größer als der dreifache Durchmesser des fokussierten Laserstrahls zum Aufschmelzen des Basismaterials. Dies gewährleistet insbesondere eine bessere Kontrolle des Wärmeeintrags und der Abkühlgeschwindigkeit. Der größte Durchmesser eines polygonalen Musters kann vorzugsweise durch den Durchmesser des Kreises um das polygonale Muster (an der größten Ausdehnung) bestimmt werden. Der kleinste Durchmesser liegt dementsprechend im Inneren des Polygonmusters (bei der kleinsten Ausdehnung).
Im Hinblick auf eine vorzugsweise zusätzliche Verbesserung des Gefüges eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbaren Bauteils bzw. der Produktivität des Verfahrens kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die nichtlineare Bewegungsbahn in Form mindestens einer Bahn identischer, sich überlappender wobbelbasierter Muster vorliegt, wobei die wobblebasierten Muster vorzugsweise mit einer Oszillationsfrequenz von 0,01 bis 50 kHz und/oder einer Oszillationsamplitude von 0,01 bis 10 mm erzeugt werden.
Im Rahmen einer effektiven Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass der Abstand zwischen zwei sich überlappenden benachbarten Mustern einer Bahn größer ist als der Durchmesser des fokussierten Laserstrahls zum Aufschmelzen des Basismaterials. Dies gewährleistet insbesondere eine bessere Steuerung des Wärmeeintrags und der Abkühlgeschwindigkeit. Unter dem Abstand wird im Rahmen der Erfindung insbesondere der kürzeste Abstand zwischen den Zentren zweier benachbarter, sich überlappender Muster einer Bahn verstanden. Ist der Abstand zwischen zwei sich überlappenden benachbarten Mustern kleiner als der Durchmesser des fokussierten Laserstrahls, kann eine effektive Steuerung eines Wärmeeintrags oder einer Abkühlrate nicht mehr erfolgen.
Im Rahmen einer effektiven Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass der Abstand zwischen zwei sich überlappenden benachbarten Mustern einer Bahn kleiner ist als der dreifache Durchmesser des fokussierten Laserstrahls zum Aufschmelzen des Basismaterials. Dies gewährleistet insbesondere eine bessere Kontrolle des Wärmeeintrags und der Abkühlgeschwindigkeit. Ist der Abstand zwischen zwei sich überlappenden benachbarten Mustern größer als das Dreifache des Durchmessers des fokussierten Laserstrahls, ist der Wärmeeintrag in der Regel zu gering, um eine wirksame Steuerung des Wärmeeintrags oder der Abkühlgeschwindigkeit zu erreichen.
Im Rahmen einer einfachen und schnellen Herstellung von Bauteilen mit möglichst geringer Oberflächenrauhigkeit kann erfindungsgemäß vorteilhaft vorgesehen werden, dass der Durchmesser des fokussierten Laserstrahls zum Aufschmelzen des Basismaterials zwischen 0,05 und 0,5 mm liegt.
Zur Herstellung von Bauteilen mit möglichst homogenem Schichtaufbau kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass das Basismaterial eine mittlere Partikelgröße von < 200 µm, vorzugsweise < 100 µm, insbesondere < 50 µm aufweist.
Im Rahmen eines möglichst weiten Anwendungsbereichs des vorliegenden Verfahrens ist es auch denkbar, dass der Grundwerkstoff in Form eines metallischen oder keramischen Werkstoffs vorliegt, wobei der Grundwerkstoff vorzugsweise mindestens eines der Elemente Ti, Al, Ni, Co oder Fe enthält.
Um die schnelle Herstellung eines Bauteils mit einem möglichst homogenen Schichtaufbau zu ermöglichen, kann auch vorgesehen werden, dass die Schichtdicke des Pulverbettes aus Basismaterial 0,05 bis 0,5 mm beträgt.
Um Verunreinigungen bzw. Verunreinigungen der Schichten des mittels des vorliegenden Verfahrens herstellbaren Bauteils zu vermeiden, kann erfindungsgemäß vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Verfahren in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt wird, wobei als Inertgas vorzugsweise Stickstoff oder Argon verwendet wird, wobei das Inertgas insbesondere mit einem Überdruck von 0,1 bis 0,5 MPa zugeführt wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Verfahren unter Vakuumbedingungen durchgeführt wird, z. B. bei Drücken von weniger als 100 mbar, vorzugsweise weniger als 10 mbar.
Im Sinne einer einfachen, zielgerichteten, schnellen und qualitativ hochwertigen Produktion ist es auch denkbar, dass die vorgegebene Konturbahn und/oder die vorgegebene Füllbahn auf Basis eines CAD-Datenmodells des zu fertigenden Bauteils erzeugt wird.
Insofern kann das vorliegende Verfahren vorzugsweise zumindest teilautomatisiert, insbesondere vollautomatisiert, durchgeführt werden. Es versteht sich auch, dass das vorliegende Verfahren als computerimplementiertes Verfahren ausgestaltet sein kann, wobei alle oder einzelne obligatorische oder optionale Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durch einen Computer implementiert werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Computerprogramm bereitgestellt. Das Computerprogramm umfasst Anweisungen, die, wenn das Computerprogramm von einem Computer ausgeführt wird, das Computerprogramm veranlassen, das oben im Detail beschriebene Verfahren durchzuführen. Somit bietet das erfindungsgemäße Computerprogramm die gleichen Vorteile, wie sie im Einzelnen unter Bezugnahme auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben wurden. Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Befehlscode in jeder geeigneten Programmiersprache, wie z. B. JAVA oder C++, implementiert werden. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert werden, z. B. auf einer Datenplatte, einem Wechsellaufwerk, einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher oder einem eingebauten Speicher/Prozessor. Der Befehlscode kann einen Computer oder ein anderes programmierbares Gerät wie z. B. ein Steuergerät so programmieren, dass es die gewünschten Funktionen ausführt. Darüber hinaus kann das Computerprogramm in einem Netz wie dem Internet zur Verfügung gestellt werden, von dem es von einem Benutzer nach Bedarf heruntergeladen werden kann. Das Computerprogramm kann in Form von Software oder in Form eines Computerprogrammprodukts vorliegen, das eine oder mehrere spezielle elektronische Schaltungen, d. h. Hardware, verwendet, oder in einer Mischform, d. h. unter Verwendung von Software- und Hardwarekomponenten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Speichermittel bereitgestellt, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, wobei das Computerprogramm so konfiguriert und angeordnet ist, dass es ein Verfahren wie oben beschrieben durchführt. Somit bietet das Speichermittel gemäß der vorliegenden Erfindung auch die oben beschriebenen Vorteile. Unter dem Speichermittel kann ein Datenträger wie ein Speicherstift verstanden werden, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist. Weiterhin ist eine Steuereinheit mit einem darauf installierten Computerprogramm vorgesehen, die zur Durchführung eines Verfahrens wie oben beschrieben konfiguriert und ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Steuereinheit weist ebenfalls die oben beschriebenen Vorteile auf.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein System zur additiven Fertigung von Bauteilen durch Pulverbettfusion eines pulverförmigen Basismaterials, insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das System umfasst eine Streuvorrichtung zum Bereitstellen eines Pulverbettes aus Basismaterial und einen Laser zum Bewegen eines fokussierten Laserstrahls entlang einer vorbestimmten Konturierungsbahn in Form einer nichtlinearen Bewegungsbahn basierend auf einem vorbestimmten Muster zum Aufschmelzen von Basismaterial im Bereich der Konturierungsbahn. Damit weist das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile auf, wie sie bereits in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren im Detail beschrieben wurden.
Zur Darstellung eines Pulverbettes kann die erfindungsgemäße Anlage vorzugsweise auch eine in z-Richtung verfahrbare Grundfläche, wie eine Grundplatte oder dergleichen, aufweisen, die vorzugsweise nach einem Streuschritt um eine Schichtdicke abgesenkt werden kann, so dass ein sukzessiver Schichtaufbau zur Herstellung eines jeweiligen Bauteils erfolgen kann.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein mittels eines additiven Fertigungsverfahrens durch Pulverbettfusion eines pulverförmigen Basismaterials herstellbares Bauteil, das vorzugsweise durch die Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Systems, herstellbar ist.
Im Rahmen eines möglichst breiten Anwendungsbereichs des betreffenden Bauteils kann es erfindungsgemäß vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Bauteil aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet ist, wobei das Bauteil mindestens eines der folgenden Elemente umfasst: Ti, Al, Ni, Co, Fe.
Im Hinblick auf die Optimierung einer Oberflächenrauheit kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass das Bauteil eine maximale Gipfel-Tal-Rauhigkeit von weniger als 60 µm, vorzugsweise von weniger als 55 µm, insbesondere von weniger als 50 µm aufweist.
Ebenso kann im Hinblick auf die Optimierung einer Oberflächenrauhigkeit vorteilhaft vorgesehen werden, dass das Bauteil eine arithmetische mittlere Oberflächenrauhigkeit von weniger als 10 µm, vorzugsweise weniger als 7 µm, insbesondere weniger als 6 µm, aufweist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen beschrieben werden. Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung genannten Merkmale können einzeln oder in beliebiger Kombination wesentlich für die Erfindung sein.
Es ist schematisch dargestellt:

die einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur additiven Fertigung von Bauteilen durch Pulverbettfusion eines pulverförmigen Ausgangsmaterials,
eine perspektivische Ansicht eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellenden Bauteils (links) zusammen mit einer Darstellung der für das Bauteil nach dem Stand der Technik ermittelten linearen Konturbahnen und linearen Füllbahnen (rechts),
eine zweidimensionale Darstellung der für das Bauteil ermittelten linearen Konturbahn(en) sowie der linearen Füllpfade (links) und ein vergrößerter Teilausschnitt der Darstellung (rechts),
eine perspektivische Ansicht eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellenden Bauteils mit einem dargestellten Schnitt durch das Bauteil (links) und einer stark vergrößerten Ansicht des Oberflächenprofils an der Grenzfläche im Bereich der Kontur des Bauteils (rechts),
eine zweidimensionale Darstellung eines für das erfindungsgemäße Bauteil ermittelten nichtlinearen Konturverlaufs sowie der linearen Füllpfade (links) sowie eine stark vergrößerte Ansicht des Oberflächenprofils an der Grenzfläche im Bereich der Kontur des Bauteils (rechts),
ein erfindungsgemäßes Polygonmuster zur Anordnung in einem Pfad aus einzelnen überlappenden Polygonmustern eines erfindungsgemäßen nichtlinearen Konturierungspfades (links) und ein erfindungsgemäßes elliptisches Muster zur Anordnung in einem Pfad aus einzelnen überlappenden elliptischen Mustern eines erfindungsgemäßen nichtlinearen Konturierungspfades,
zwei sich überlappende erfindungsgemäße Polygonmuster zur Anordnung in einem Pfad aus einzelnen sich überlappenden Polygonmustern eines erfindungsgemäßen nichtlinearen Konturierungspfades,
Messung einer Oberflächentextur eines Bauteils, das mit einer herkömmlichen linearen Konturierungsstrategie hergestellt wurde (links), und Messung einer Oberflächentextur eines Bauteils, das mit einer nichtlinearen Konturierungsstrategie gemäß der Erfindung hergestellt wurde (rechts).

zeigt die einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur additiven Fertigung von Bauteilen durch Pulverbettfusion eines pulverförmigen Ausgangsmaterials.
Wie in 1 zu sehen ist, umfasst das Verfahren die Schritte des Bereitstellens 100 eines Pulverbettes aus Basismaterial mittels einer Streuvorrichtung und des Bewegens 200 eines fokussierten Laserstrahls eines Lasers über das Pulverbett aus Basismaterial entlang eines vorbestimmten Konturierungspfades KP zum Schmelzen von Basismaterial im Bereich des Konturierungspfades KP, wobei der vorbestimmte Konturierungspfad KP in Form eines nichtlinearen Bewegungspfades basierend auf einem vorbestimmten Muster vorliegt. Nach (oder vor) dem Bewegen 200 eines fokussierten Laserstrahls eines Lasers über das Pulverbett aus Basismaterial entlang einer vorbestimmten Konturierungsbahn KP wird der fokussierte Laserstrahl 300 über das Pulverbett aus Basismaterial entlang eines vorbestimmten Füllpfades FP zum Aufschmelzen von Basismaterial im Bereich des Füllpfades FP bewegt, wobei der vorbestimmte Füllpfad FP vorzugsweise als lineare Bewegungsbahn, insbesondere als eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten linearen Bewegungsbahnen, ausgebildet ist.
Das beschriebene Verfahren umfasst die folgenden Schritte: die Bereitstellung 100 eines Pulverbettes aus Basismaterial, das Bewegen 200 eines fokussierten Laserstrahls entlang einer vorbestimmten Konturierungsbahn KP und das Bewegen 300 eines fokussierten Laserstrahls entlang eines vorbestimmten Füllpfades FP, werden zyklisch wiederholt nacheinander durchgeführt, wobei ein erneutes Bereitstellen 100 eines Pulverbettes aus Basismaterial erst erfolgt, wenn das geschmolzene Basismaterial ausgehärtet ist.
Dabei ist die nichtlineare Bewegungsbahn in Form von mindestens einer Bahn aus einzelnen sich überschneidenden elliptischen oder polygonalen Mustern oder in Form einer Bahn aus sich überschneidenden wobblebasierten Mustern.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellenden Bauteils (links) sowie eine Darstellung der für das Bauteil ermittelten linearen Konturbahnen und linearen Füllpfade nach dem Stand der Technik (rechts). 3 zeigt eine zweidimensionale Darstellung der für das Bauteil ermittelten linearen Konturbahn(en) sowie der linearen Füllpfade (links) und einen vergrößerten Teilausschnitt der Darstellung (rechts). 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellenden Bauteils mit einem dargestellten Schnitt durch das Bauteil (links) und einer stark vergrößerten Ansicht des Oberflächenprofils an der Grenzfläche im Bereich der Kontur des Bauteils (rechts).
Wie in zu sehen ist, ist die Oberflächenrauheit trotz der bekannten linearen Konturierungsstrategie immer noch relativ hoch.
zeigt eine zweidimensionale Darstellung eines für das erfindungsgemäße Bauteil ermittelten nichtlinearen Konturverlaufs sowie der linearen Füllpfade (links) und eine stark vergrößerte Ansicht des Oberflächenprofils an der Grenzfläche im Bereich der Kontur des Bauteils (rechts).
Die nichtlineare Bewegungsbahn gemäß der in gezeigten Ausführungsform hat die Form einer Bahn aus einzelnen identischen, sich überlappenden elliptischen Mustern, wobei der kleinste und/oder größte Durchmesser der elliptischen Muster größer ist als der doppelte Durchmesser des fokussierten Laserstrahls zum Schmelzen des Basismaterials.
Wie in (rechts) zu sehen ist, ist die Oberflächenrauhigkeit durch die Anwendung der erfindungsgemäßen nichtlinearen Konturierungsstrategie deutlich geringer als bei der bekannten linearen Konturierungsstrategie.
6 zeigt ein erfindungsgemäßes Polygonmuster zur Anordnung in einer Bahn aus einzelnen überlappenden Polygonmustern einer erfindungsgemäßen nichtlinearen Konturierungsbahn (links) und ein erfindungsgemäßes elliptisches Muster zur Anordnung in einer Bahn aus einzelnen überlappenden elliptischen Mustern einer erfindungsgemäßen nichtlinearen Konturierungsbahn.
Wie in zu sehen ist, hat das auf der linken Seite von gezeigte polygonale Muster die Zahl n = 6 und ist in Form eines regelmäßigen Sechsecks ausgebildet. Dabei ist der kleinste und/oder größte Durchmesser des links dargestellten polygonalen Musters oder des rechts dargestellten elliptischen Musters größer als der doppelte Durchmesser des fokussierten Laserstrahls zum Schmelzen des Basismaterials.
7 zeigt zwei sich überschneidende erfindungsgemäße Polygonmuster zur Anordnung in einer Bahn aus einzelnen sich überschneidenden Polygonmustern einer erfindungsgemäßen nichtlinearen Konturierungsbahn.
Wie in zu sehen ist, wird der Abstand P dargestellt. Unter dem Abstand P versteht man insbesondere den kürzesten Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter überlappender Muster einer Bahn. Ist der Abstand zwischen zwei sich überlappenden benachbarten Mustern kleiner als der Durchmesser des fokussierten Laserstrahls, kann eine effektive Steuerung eines Wärmeeintrags oder einer Abkühlungsrate nicht mehr erfolgen. Vorteilhafterweise ist der Abstand P zwischen zwei sich überlappenden benachbarten Mustern einer Bahn größer als der Durchmesser des fokussierten Laserstrahls zum Schmelzen des Basismaterials und kleiner als der dreifache Durchmesser des fokussierten Laserstrahls zum Schmelzen des Basismaterials.
zeigt eine Messung einer Oberflächentextur eines Bauteils, das mit einer herkömmlichen linearen Konturierungsstrategie hergestellt wurde (links), und eine Messung einer Oberflächentextur eines Bauteils, das mit einer nichtlinearen Konturierungsstrategie gemäß der Erfindung hergestellt wurde (rechts).
Wie in zu sehen ist, ist die Oberflächenrauhigkeit bzw. Oberflächentextur des erfindungsgemäßen Bauteils durch die Anwendung der erfindungsgemäßen nichtlinearen Konturierungsstrategie deutlich geringer als bei einem mit der bekannten linearen Konturierungsstrategie hergestellten Bauteil.
Liste der Bezugszeichen

100: Bereitstellung eines Pulverbettes aus Basismaterial
200: Bewegen eines fokussierten Laserstrahls entlang eines vorbestimmten Konturierungspfades
300: Bewegung eines fokussierten Laserstrahls entlang eines vorbestimmten Füllpfades
KP: Konturierungspfad
FP: Füllpfad
n: Anzahl der Seiten
P: Abstand

Claims

Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen durch Pulverbettfusion eines pulverförmigen Basismaterials, umfassend die Schritte: - Bereitstellen (100) eines Pulverbettes aus Basismaterial mit Hilfe einer Streuvorrichtung, - Bewegen (200) eines fokussierten Laserstrahls eines Lasers über das Pulverbett des Basismaterials entlang einer vorbestimmten Konturierungsbahn (KP) zum Schmelzen des Basismaterials im Bereich der Konturierungsbahn (KP), wobei der vorbestimmte Konturierungspfad (KP) die Form einer nichtlinearen Bewegungsbahn hat, die auf einem vorbestimmten Muster basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein fokussierter Laserstrahl eines Lasers über das Pulverbett aus Basismaterial entlang eines vorbestimmten Füllpfades (FP) zum Aufschmelzen von Basismaterial im Bereich des Füllpfades (FP) bewegt wird (300), wobei der vorbestimmte Füllpfad (FP) vorzugsweise als lineare Bewegungsbahn, insbesondere als mehrere nebeneinander angeordnete lineare Bewegungsbahnen, ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Bereitstellens (100) eines Pulverbettes aus Basismaterial, des Bewegens (200) eines fokussierten Laserstrahls entlang einer vorbestimmten Konturierungsbahn (KP) und des Bewegens (300) eines fokussierten Laserstrahls entlang eines vorbestimmten Füllpfades (FP) zyklisch wiederholt nacheinander durchgeführt werden, wobei ein erneutes Bereitstellen (100) eines Pulverbettes aus Basismaterial vorzugsweise erst dann erfolgt, wenn das geschmolzene Basismaterial ausgehärtet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Bewegungsbahn in Form mindestens einer Bahn aus einzelnen überlappenden elliptischen oder polygonalen Mustern oder in Form einer Bahn aus überlappenden wobbelbasierten Mustern vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Bewegungsbahn in Form mindestens einer Bahn aus einzelnen identischen, sich überlappenden elliptischen Mustern vorliegt, wobei der kleinste und/oder größte Durchmesser der elliptischen Muster größer ist als das Doppelte des Durchmessers des fokussierten Laserstrahls zum Schmelzen des Basismaterials, vorzugsweise größer als das Dreifache des Durchmessers des fokussierten Laserstrahls zum Schmelzen des Basismaterials.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Bewegungsbahn in Form mindestens einer Bahn aus einzelnen identischen, sich überlappenden Polygonmustern ausgebildet ist, wobei die Anzahl (n) der Seiten des Polygonmusters vorzugsweise > 5 ist, wobei das Polygonmuster insbesondere in Form eines regelmäßigen Polygonmusters gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Bewegungspfad in Form mindestens einer Bahn aus einzelnen identischen, sich überlappenden polygonalen Mustern ausgebildet ist, wobei der kleinste und/oder größte Durchmesser der polygonalen Muster größer ist als das Doppelte des Durchmessers des fokussierten Laserstrahls zum Schmelzen des Basismaterials, vorzugsweise größer als das Dreifache des Durchmessers des fokussierten Laserstrahls zum Schmelzen des Basismaterials.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Bewegungspfad in Form von mindestens einer Bahn identischer, sich überlappender wobblebasierter Muster vorliegt, wobei die wobblebasierten Muster vorzugsweise mit einer Oszillationsfrequenz von 0,01 bis 50 kHz und/oder einer Oszillationsamplitude von 0,01 bis 10 mm erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (P) zwischen zwei sich überlappenden benachbarten Mustern einer Bahn größer ist als der Durchmesser des fokussierten Laserstrahls zum Schmelzen des Basismaterials.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (P) zwischen zwei sich überlappenden benachbarten Mustern einer Bahn kleiner ist als der dreifache Durchmesser des fokussierten Laserstrahls zum Schmelzen des Basismaterials.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des fokussierten Laserstrahls zum Schmelzen des Basismaterials zwischen 0,05 und 0,5 mm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wobei das Ausgangsmaterial eine mittlere Partikelgröße von < 200 µm, vorzugsweise < 100 µm, insbesondere < 50 µm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial in Form eines metallischen oder keramischen Materials vorliegt, wobei das Basismaterial vorzugsweise mindestens eines der Elemente Ti, Al, Ni, Co oder Fe enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des Pulverbettes des Basismaterials 0,05 bis 0,5 mm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt wird, wobei vorzugsweise Stickstoff oder Argon als Inertgas verwendet wird, wobei das Inertgas insbesondere mit einem Überdruck von 0,1 bis 0,5 MPa zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Konturbahn (KP) und/oder der vorgegebene Füllpfad (FP) auf der Basis eines CAD-Datenmodells des zu fertigenden Bauteils erzeugt wird.
System zur additiven Fertigung von Bauteilen durch Pulverbettfusion eines pulverförmiges Ausgangsmaterial, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: - eine Streuvorrichtung zum Bereitstellen (100) eines Pulverbettes aus Basismaterial, - einen Laser zum Bewegen (200) eines fokussierten Laserstrahls entlang einer vorbestimmten Konturierungsbahn (KP) in Form einer nichtlinearen Bewegungsbahn auf der Grundlage eines vorbestimmten Musters zum Schmelzen von Basismaterial im Bereich der Konturierungsbahn (KP).
Bauteil, herstellbar in einem additiven Fertigungsverfahren durch Pulverbettfusion eines pulverförmigen Ausgangsmaterials, vorzugsweise herstellbar durch Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16, insbesondere durch Verwendung eines Systems nach Anspruch 17.
Bauteil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet ist, wobei das Bauteil mindestens eines der folgenden Elemente umfasst: Ti, Al, Ni, Co, Fe.
Bauteil nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine maximale Gipfel-Tal-Rauhigkeit von weniger als 60 µm, vorzugsweise von weniger als 55 µm, insbesondere von weniger als 50 µm aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine arithmetische mittlere Oberflächenrauhigkeit von weniger als 10 µm, vorzugsweise weniger als 7 µm, insbesondere weniger als 6 µm aufweist.