DE102022126960A1

DE102022126960A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines additiv gefertigten Bauteils

Info

Publication number: DE102022126960A1
Application number: DE102022126960.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Pascal Bogner; Christoph Heinze; Jeroen RISSE; Philipp Wagenblast
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH; Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH; Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2022-10-14
Filing date: 2022-10-14
Publication date: 2024-04-25
Also published as: WO2024079040A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines additiv gefertigten Abschnitts eines Bauteils, mit den Schritten: Berechnen von Parametern bezüglich einer Bestrahlung einer Oberfläche des additiv gefertigten Abschnitts des Bauteils mit zumindest einem Laserstrahl zur Wärmebehandlung des Bauteils, wobei die Parameter zumindest eine Laserstrahlleistung entlang einer Scanstrecke auf der Oberfläche des Bauteils umfassen, wobei die Parameter derart berechnet werden, um die Oberfläche auf einen Zieltemperaturbereich aufzuheizen, wobei eine Temperaturobergrenze des Zieltemperaturbereichs unterhalb der Schmelztemperatur des für das Bauteil verwendeten Materials liegt; Ansteuern zumindest eines Lasers und einer Strahlsteuerungseinrichtung zum periodischen Scannen der Oberfläche mit dem zumindest einen Laserstrahl gemäß der berechneten Laserstrahlleistung entlang der berechneten Scanstrecke. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils, eine entsprechende Vorrichtung zur Wärmenachbehandlung eines additiv gefertigten Abschnitts eines Bauteils, ein entsprechendes Computerprogramm und ein entsprechendes Computer-lesbares Medium.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines additiv gefertigten Bauteils, ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils, eine entsprechende Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines additiv gefertigten Bauteils, ein entsprechendes Computerprogramm und ein entsprechendes Computer-lesbares Medium.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Eine Wärmebehandlung im Anschluss an eine additive Auftragung von Schichten zur Fertigung von Bauteilen hat unter anderem den Zweck, durch eine Eigenspannungsreduktion die Gefügeeigenschaften lokal zu beeinflussen, um eine Rissbildung zu vermeiden. So beschreibt EP 3 575 018 A1 ein Verfahren zur additiven Schichtherstellung eines metallischen Bauteils. Das Verfahren umfasst die wiederholte Abtastung eines Laserstrahls zum Aufschmelzen von Pulver um eine Vielzahl von Schichten des Bauteils zu bilden. Das Verfahren umfasst ferner eine zusätzliche Wärmebehandlung zum Spannungsabbau.
Eine mögliche Form der Wärmebehandlung, die für mit einem Laser additiv gefertigte Bauteile besonders günstig ist, ist das Abscannen der gefertigten Oberfläche mit einem Laser. Dabei wird bevorzugt der oder im Falle von mehreren Lasern die gleichen Laser, die schon zur Aufschmelzung des Materials zur Fertigung der additiv aufgetragenen Schicht benutzt wurde, verwendet. Dabei muss jedoch vermieden werden, durch die in-situ Wärmebehandlung selbst Spannungen zu induzieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zu einer quasihomogenen Wärmebehandlung von additiv gefertigten Schichten eines Bauteils anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines additiv gefertigten Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17, durch eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines additiv gefertigten Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18, durch ein Computerprogramm gemäß Patentanspruch 20 und/oder durch ein Computer-lesbares Medium mit den Merkmalen des Patentanspruchs 21 gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen:

- Ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines additiv gefertigten Abschnitts eines Bauteils, mit den Schritten: Berechnen von Parametern bezüglich einer Bestrahlung einer Oberfläche des Bauteils mit zumindest einem Laserstrahl zur Wärmebehandlung des additiv gefertigten Abschnitts des Bauteils, wobei die Parameter derart berechnet werden, um den additiv gefertigten Abschnitt unterhalb der Oberfläche auf einen Zieltemperaturbereich aufzuheizen, wobei eine Temperaturobergrenze des Zieltemperaturbereichs unterhalb der Schmelztemperatur des für das Bauteil verwendeten Materials liegt; Ansteuern zumindest eines Lasers und einer Strahlsteuerungseinrichtung zum periodischen Scannen der Oberfläche mit dem zumindest einen Laserstrahl gemäß der berechneten Laserstrahlleistung entlang der berechneten Scanstrecke.
- Ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils, mit den Schritten: Bereitstellen einer Basisplatte, eines Lasers und einer Strahlsteuerungseinrichtung zur Richtungssteuerung eines von dem Laser emittierten Laserstrahls zum 3D-Drucken; Fertigen zumindest einer additiv aufgetragenen Schicht auf der Basisplatte unter Verwendung des Laserstrahls zum Schmelzen von aufgetragenem Pulvermaterial; Wärmenachbehandlung des Bauteils gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung eines additiv gefertigten Abschnitts eines Bauteils.
- Eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines additiv gefertigten Bauteils, mit einem Laser, welcher bei einer Bestrahlung einer Oberfläche des Bauteils mit einem von dem Laser emittierten Laserstrahl zum Erzeugen eines Wärmeeintrags ausgebildet ist, mit einer mit dem Laser und der Strahlsteuerungseinrichtung verbundenen Strahlsteuerungseinrichtung zur Steuerung des von dem Laser emittierten Laserstrahl auf der Oberfläche des Bauteils, mit einer Steuerungseinrichtung, welche zumindest einen computer-lesbaren Speicher und einen Prozessor aufweist, wobei der computer-lesbare Speicher Daten über eine Beschaffenheit und eine Position des Bauteils enthält; wobei der Prozessor dazu ausgelegt ist, basierend auf den im Speicher enthaltenen Daten Parameter bezüglich eines periodischen Scannens der Oberfläche mit dem zumindest einen Laserstrahl zur Wärmebehandlung des Bauteils zu berechnen, wobei die Parameter zumindest eine Laserstrahlleistung und eine Scanstrecke auf der Oberfläche umfassen, wobei der Prozessor ausgelegt ist, das periodische Scannen derart zu berechnen, um den additiv gefertigten Abschnitt unterhalb der Oberfläche auf einen Zieltemperaturbereich aufzuheizen, wobei eine Temperaturobergrenze des Zieltemperaturbereichs unterhalb der Schmelztemperatur des für das Bauteil verwendeten Materials liegt.
- Computerprogramm umfassend Befehle, die bewirken, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ausführt.
- Ein Computer-lesbares Medium, auf dem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis besteht darin, dass ein Laserstrahl bereits für die additive Fertigung verwendet wird, und somit keine zusätzlichen Komponenten benötigt werden, wenn eine anschließende Wärmebehandlung mittels des Laserstrahls erfolgt. Durch hohe Scangeschwindigkeiten kann darüber hinaus eine quasi-homogene Wärmebehandlung der Oberfläche erreicht werden, womit keine zu großen inneren Spannungen auftreten sollten, die beispielsweise eine Rissbildung verursachen könnten.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, durch ein periodisches und schnelles Abscannen der Oberfläche den additiv gefertigten Abschnitt, der ein Volumenbereich unterhalb der Oberfläche typischerweise mit einer Dicke von ca. 1 mm darstellt, auf einen Zieltemperaturbereich aufzuheizen, wobei der Zieltemperaturbereich unterhalb der Schmelztemperatur des für das Bauteil verwendeten Materials liegt. Das periodische Scannen wird daher entsprechend diesen Bedingungen von dem Prozessor berechnet. Dabei kann die erste Temperatur eine Temperatur oberhalb einer γ' (gamma-strich) Ausscheidungstemperatur des für das Bauteil verwendeten Materials insbesondere bei Nickelbasislegierungen, eine den Härtegrad des Bauteils beeinflussenden Temperatur, oder eine Rekristallisationstemperatur des für das Bauteil verwendeten Materials sein. Somit ist das Überschreiten der ersten Temperatur für die Wärmebehandlung vorteilhaft, da hier die Gefügestruktur beeinflusst werden kann. Auf der anderen Seite sollte das Überschreiten der Schmelztemperatur vermieden werden, um die geometrische Form der Oberfläche nicht zu verändern oder die Gefügestruktur zu ändern. Somit kann mit dieser Temperaturkontrolle eine effektivere Wärmebehandlung erreicht werden.
So wird eine Scanstrecke auch auf Basis einer Optimierung der Scangeschwindigkeit berechnet, um eine möglichst Schnelles Scannen der gesamten Oberfläche zu erreichen. Aus der möglichen Scangeschwindigkeit resultiert dann eine für die Wärmebehandlung geeignete Laserstrahlleistung, welche entlang der Scanstrecke variieren kann.
Die Wellenlänge des Laserstrahls bzw. des Lasers ist dabei so gewählt, dass diese bei der Bestrahlung zumindest zum Teil von dem Material des Bauteils absorbiert wird und so einen Wärmeeintrag in das Material erzeugt. Diese kann daher, je nach Material, über das komplette Spektrum von verfügbaren Lasern gewählt werden, beispielsweise von UV (z.B. 266 nm) bis zum fernen Infrarot (z.B. 10.6 µm). Insbesondere der Nahinfrarot-Bereich (z.B. 1030 bis 1080 nm) ist bevorzugt, da hier kostengünstige und leistungsstarke Laser (z.B. Yb-basierende Faserlaser) zur Verfügung stehen.
Die Strahlsteuerungseinrichtung ist typischerweise ein Scanner mit beweglichen Spiegeln, typischerweise Galvano-Spiegeln, und einer Fokussieroptik. Diese kann grundsätzlich den Scanspiegel vor- oder nachgelagert sein. Die Fokussieroptik kann ein Linsensystem mit spherischen und/oder aspherischen Linsen, beispielsweise einer F-Theta Linse, umfassen, oder auch durch Hohlspiegel gebildet sein. Alternativ kann die Strahlsteuerungseinrichtung statt einem Scanner auch ein positionierbarer Kopf mit Fokussierungsoptik oder auch Tisch sein. In jedem Fall wird bei diesem Verfahren der Strahl bevorzugt defokussiert auf die Oberfläche gerichtet, um eine geringe Intensität zu erreichen, so dass ein lokales Aufschmelzen des Materials vermieden wird.
Gesteuert werden der Laser und die Strahlsteuerungseinrichtung von der Steuerungseinrichtung, welche ein Computer, ein FPGA, ein One-Chip Computer oder ähnliches sein kann. Die Daten für das Bauteil werden typischerweise von einem in einem CAD-Format auf einem Computer-lesbaren Speicher, beispielsweise einer Festplatte oder einem Solid-State-Drive (SSD) oder sonstigem Speichermedium, bereitgestellt. Die Steuerung selbst übernimmt ein Computerprogramm, welches die berechneten Parameter mit einbezieht, und entsprechende Befehle zur Ansteuerung des Lasers und der Strahlsteuerungseinrichtung enthält.
Bei der additiven Fertigung ist der Wärmebehandlung vorausgegangen das Fertigen zumindest einer additiv aufgetragenen Schicht auf einer Basisplatte unter Verwendung des Laserstrahls zum Schmelzen von aufgetragenem Pulvermaterial. Eine nominelle Schichtdicke kann dabei im Bereich von 20 um bis 120 um (beispielsweise ein Industriestandard von 40 um) sein. Eine Wärmebehandlung wird dann nach dem Fertigen bzw. Auftragen einer Schichtdicke im Bereich von 0,3 mm bis ca. 3 mm, derzeit bevorzugt von 1 mm durchgeführt. Das bedeutet, dass beispielsweise alle ca. 25 aufgetragenen Schichten eine Wärmebehandlung erfolgt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sieht das Berechnen der Parameter durch den Prozessor das Bestimmen einer Heizfrequenz vor, welche ein Durchlaufen der Scanstrecke pro Zeiteinheit angibt. Die Heizfrequenz ergibt sich also aus der Scangeschwindigkeit und der kumulierten Belichtungslänge in einer gegebenen Fläche. Auf diese Weise wird eine quasi-homogene Wärmebehandlung gesteuert, indem das Scannen der Oberfläche auf Basis einer Heizfrequenz angegeben und berechnet wird. Effektiv oszilliert die daraus resultierende Temperatur eines bestrahlten Teilbereichs entsprechend der Heizfrequenz zwischen einem minimalen und einem maximalen Temperaturwert. Dabei ist die Abkühlung, d.h der sinkendene Teil der Oszillation durch die Wärmeabfuhr des unterliegenden Materials bestimmt. Die lokale Aufwärmung, d.h. der steigende Teil der Oszillation, ist durch die Scangeschwindigkeit und die Laserleistung des Lasers gegeben, welcher lokal einen Punkt aufheizt. Im Falle einer Aufheizphase wird die Steigung der mittleren Temperatur durch die Heizfrequenz bestimmt. Je öfter der Laserstrahl eine Stelle belichtet, desto mehr überwiegt die Aufwärmung, je seltener die Stelle belichtet wird, desto mehr überwiegt die Abkühlung. Sind Abkühlung und Energieeintrag im Gleichgewicht wird eine konstante mittlere Temperatur gehalten. Durch eine Erhöhung der Heizfrequenz die Homogenität der Wärmebehandlung verbessert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform berücksichtigt das Berechnen der Parameter zumindest eine Scangeschwindigkeit, welche der Scanstrecke zugeordnet ist, mit. Typischerweise wird die Scangeschwindigkeit aus der geometrischen Form des Bauteils und der Hardware (Scanner) bestimmt und ist somit insbesondere als eine Eingangsvariable der Berechnung zu verstehen. Bei der Scangeschwindigkeit handelt es sich in der Regel um eine abhängig von der Position entlang der Scanstrecke variable Scangeschwindigkeit. Eine maximale Scangeschwindigkeit beträgt mindestens 10 m/s, um eine möglichst homogene Wärmebehandlung zu erreichen. Die Scangeschwindigkeit entlang der Scanstrecke ist für solch eine Wärmebehandlung typischerweise im Bereich von 10 m/s und 30 m/s. So kann eine quasi-homogene Wärmebehandlung des Bauteils erreicht werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Berechnen von Parametern das Berechnen eines Laserstrahldurchmessers auf der bestrahlten Oberfläche des Bauteils. Das Ansteuern der Strahlsteuerungseinrichtung sieht dabei ein Ansteuern einer Fokussieroptik gemäß dem berechneten Strahldurchmesser vor. Dabei ist der Strahldurchmesser nicht nur auf ein rundes Strahlprofil beschränkt, sondern kann beispielsweise auch ein gemittelter Durchmesser eines komplexen Strahlprofiels sein. Typischerweise ist der Strahldurchmesser relativ groß, d.h. der Laserstrahl ist nicht fokussiert. Ein bevorzugter maximaler Strahldurchmesser auf der Oberfläche des Bauteils beträgt mindestens ca. 400 um, und ein bevorzugter Bereich des Strahldurchmessers liegt bei 500 um - 1000 um oder mehr.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird bei dem Berechnen der Laserstrahlleistung auf der bestrahlten Oberfläche ein umgebendes Volumen, insbesondere eine Bauhöhe des Bauteils, mitberücksichtigt. Die Laserstrahlleistung wird insbesondere herangezogen um den Energieeintrag zu steuern. Bei gutem Wärmeableitungsvermögen, also kleiner Bauhöhe gleich einer Bestrahlung nah am Substrat, und bei großes Bauteilvolumen wird eine größere Laserleistung verwendet, die nur begrenzt ist durch die Aufschmelzschwelle. Zusätzlich wird hier auch die erforderliche Dauer der Wärmebehandlung berechnet. Diese kann je nach Wärmeableitungsvermögen größer oder kleiner sein, bei gleicher Laserleistung. Dies dient der besseren Temperaturkontrolle in dem additiv gefertigten Abschnitt der Verhinderung eines Aufschmelzens.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Berechnen der Scanstrecke das Berechnen eines Hatchings, welches einen Scanabstand von parallel oder antiparallel angeordneten Scanvektoren aufweist. Ein typisches Hatching beschreibt gleichmäßig angeordnete gerade verlaufende Scanvektoren auf der Oberfläche. Der Scanabstand wird dabei basierend auf der Laserstrahlleistung und dem Strahldurchmesser bestimmt. Insbesondere stellt ein Scanvektor ein durch nur eine Bewegung eines optischen Elements der Strahlsteuerungseinrichtung beschreibbarer Scanteilstrecke der Scanstrecke dar. Somit wird ein Scanvektor bevorzugt über eine Bewegung des optischen Elements, beispielsweise einem Scanspiegel, ausgeführt, womit ein besonders effektives Scannen erreicht wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird bei dem Berechnen des Hatchings eine Beschleunigung der Ablenkoptik mitberücksichtigt. Damit wird die reale Scangeschwindigkeit auf der Oberfläche ermittelt, wodurch genauere Vorhersagen zur Temperaturentwicklung auf der Oberfläche ermöglicht werden. So sollte für ein schnelles Scannen eine Länge des Scanvektors möglichst lang sein, damit der Effekt der Beschleunigung minimiert wird. Ferner sieht das Berechnen der Laserstrahlleistung eine Anpassung der Laserstrahlleistung abhängig von der Beschleunigung vor. Damit wird ein Aufschmelzen des Materials verhindert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Berechnen des Strahldurchmessers, der Strahlleistung und des Hatchings basierend auf einer geometrischen Form der bestrahlten Oberfläche. So werden einige Parameter zur Bestrahlung der Oberfläche bei Bedarf angepasst, um das Material auf den gewünschten Zieltemperaturbereich zu erhitzen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden bei der Bestrahlung eines Teilbereichs der Oberfläche, welcher kleiner ist als eine Summe eines nominalen Strahldurchmessers und eines nominalen Scanabstandes des Hatchings die Laserstrahlleistung, der Strahldurchmesser und/oder der Scanabstand reduziert. Der nominale Strahldurchmesser und Scanabstand werden bei der Berechnung des Hatchings für die Wärmebehandlung festgelegt. Dies verhindert ebenfalls das Aufschmelzen des Materials bei zu kleinen Strukturen, die in der Regel die Wärme weniger gut ableiten können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt bei der Bestrahlung eines Teilbereichs der Oberfläche, welcher kleiner ist als eine Summe eines nominalen Strahldurchmessers und eines nominalen Scanabstandes des Hatchings ist, die Bestrahlung gemäß einem Kantenvektor. Die Richtung des Kantenvektors verläuft gemäß geometrischen Kanten des Teilbereichs, was konkret bedeuten kann, dass der Kantenvektor zwischen zwei sich spitz zulaufenden Kanten verläuft. Damit wird verhindert, dass ein Scanvektor zu klein wird, was effektiv eine Punktbestrahlung bedeuten würde. Damit wird die Scanstrecke für ein schnelles Scannen verbessert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt bei der Bestrahlung einer Verbindungsbrücke, welche zwei Teilbereiche der Oberfläche miteinander verbindet und eine minimale Breite kleiner des doppelten Scanabstands aufweist, die Bestrahlung gemäß einem Brückenvektor. Der zuvor berechnete Brückenvektor verläuft dabei längsseitig mittig entlang der Brücke, so dass hier ebenfalls die Scanstrecke für ein schnelles Scannen verbessert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sieht das Ansteuern der Strahlsteuerungseinrichtung das Ausrichten einer Ablenkoptik der Strahlsteuerungseinrichtung zur Steuerung einer Laserstrahlrichtung gemäß der Scanstrecke auf der Oberfläche des Bauteils vor. Dies ist beispielsweise bei handelsüblichen Scannern der Fall, die „Galvano-Spiegel“ benutzen, womit ein schnelles Scannen der Oberfläche im kHz-Bereich ermöglicht wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sieht das Berechnen der Parameter eine Mehrzahl von Laserstrahlen vor, und der Schritt des Ansteuerns das Ansteuern einer Mehrzahl von Lasern vor. Hiermit kann die Heizfrequenz, also die Belichtung der gesamten Oberfläche pro Zeiteinheit, vervielfacht werden, womit eine homogenere Wärmebehandlung ermöglicht wird. Das bedeutet auch, dass die Periodendauer für das Scannen der Oberfläche durch das Koppeln von n-Lasern n-fach verringern lässt Die Laserstrahlen können von unterschiedlichen Lasern emittiert werden, oder sie können durch eine Strahlaufteilung eines von einem Laser emittierten Laserstrahls bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sieht das Berechnen der Parameter und das Ansteuern der Strahlsteuerungseinrichtung zur Steuerung der Laserstrahlen eine Bestrahlung im Wesentlichen gleicher Teilbereiche der Oberfläche mit der Mehrzahl der Laserstrahlen vor. Somit ist vorgesehen, dass jeder Laserstrahl praktisch jeden Teilbereich der Oberfläche bestrahlen kann. Dabei werden Jeweilige Scanstrecken der Mehrzahl der Laserstrahlen zeitlich miteinander synchronisiert, um eine gleichzeitige Bestrahlung desselben Teilbereichs, was zur Aufschmelzung des Materials führen könnte, zu vermeiden. Die zeitliche Synchronisierung kann dabei nach jedem Durchlaufen der Scanstrecke, oder in vorbestimmten zeitlichen Intervallen oder Anzahl von Durchläufen der Scanstrecke erfolgen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Berechnen der Parameter und das periodische Scannen der Oberfläche des Bauteils eine Aufheizphase, in welcher die Oberfläche von einer Umgebungstemperatur auf einen Zieltemperaturbereich aufgeheizt wird, wobei der Zieltemperaturbereich zwischen einer ersten und zweiten Temperatur liegt. Diese Aufheizung kann eine bestimmte Aufheizrate vorsehen, um beispielsweise eine Entstehung von Rissen zu verhindern.
Ferner umfasst das Berechnen eine Abkühlphase, in welcher die Oberfläche bis zu der Umgebungstemperatur abkühlt. Außerdem kann eine stationäre Phase vorgesehen sein, in welcher das Bauteil auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Berechnen der Parameter und das periodische Scannen der Oberfläche des Bauteils des Weiteren noch eine stationäre Phase, in welcher das Bauteil auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten wird. Dies kann eine Restrukturierung des Materials fördern und somit die Effektivität der Wärmebehandlung erhöhen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Berechnen zumindest einer der Aufheizphase oder der Abkühlphase derart, dass eine mittlere Oberflächentemperatur der bestrahlten Oberfläche des Bauteils einen vorbestimmten zeitlichen Temperaturverlauf folgt. Diese Berechnung kann insbesondere basierend auf der Heizfrequenz erfolgen. Somit kann die Aufheizrate oder auch eine Abkühlrate auf einfachem Wege präzise gesteuert werden, womit unangenehme Nebeneffekte, wie Rissbildung oder unerwünschter Phasenausscheidungen, vermieden werden können.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Insbesondere sind sämtliche Merkmale der Verfahren zur Wärmebehandlung auf eine entsprechende Vorrichtung übertragbar, und umgekehrt.
Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
INHALTSANGABE DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines additiv gefertigten Bauteils;
2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Wärmebehandlung eines additiv gefertigten Bauteils;
3 eine schematische Darstellung einer Oberfläche mit Scanstrecke gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens;
4 eine schematische Darstellung einer Oberfläche mit Scanstrecke gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens;
5 eine schematische Darstellung einer Oberfläche mit Scanstrecke gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens;
6 eine schematische Darstellung einer Oberfläche mit Scanstrecke gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens;
7 ein schematisches Diagramm zu einem Verfahren einer Wärmebehandlung eines additiv gefertigten Bauteils gemäß einer Ausführungsform; und
8 ein schematisches Diagramm zu einem Verfahren einer Wärmebehandlung eines additiv gefertigten Bauteils gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts Anderes ausführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung 1 zur Wärmenachbehandlung eines additiv gefertigten Bauteils 6.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 weist eine Oberfläche 6 auf, die mit einem Laserstrahl 5 zur Wärmenachbehandlung eines additiv gefertigten Abschnitts 6b des Bauteils 6 verwendet wird. Die hier gezeigt Vorrichtung 1 ist hier als ein Teil einer größeren Anlage zur additiven Fertigung von Bauteilen 6, welche in der Regel unter anderem noch eine hier nicht gezeigte Pulverkammer und einen Overflow-Behälter aufweist.
Die Vorrichtung 1 weist einen Laser 2 auf, welcher bei einer Bestrahlung einer Oberfläche 6a des Bauteils 6 mit Dem von dem Laser 2 emittierten Laserstrahl 5 zum Erzeugen eines Wärmeeintrags ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die Wellenlänge des Lasers 2 so gewählt ist, dass diese zumindest zum Teil von dem Material des Bauteils 6 absorbiert wird. In diesem Fall liegt diese Wellenlänge im nahen Infraroten Bereich, kann aber in weiteren Ausführungsformen auch im UV-Bereich liegen.
Die Vorrichtung 1 weist eine Strahlsteuerungseinrichtung 3 zur Steuerung des von dem Laser 2 emittierten Laserstrahls 5 auf der Oberfläche 6a des Bauteils 6. In dieser Ausführungsform ist die Strahlsteuerungseinrichtung 3 als ein Scanner mit Scanspiegeln 3a und eingebauter nachgelagerter Fokussieroptik (nicht gezeigt) ausgebildet. Der Scanner ist dem Laser 2 nachgelagert. Zwischen Laser 2 und Scanner kann ein Strahlteiler zum Melt-pool-Monitoring angebracht sein, bei dem Emissionen von der Oberfläche 6a auf einen Detektor umgeleitet werden.
Gerichtet wird der Laserstrahl 5 auf das Bauteil 6, welches zumindest eine additiv gefertigte (3D-gedruckte) Schicht 6b oder Abschnitt 6b aufweist, und auf einer Basisplatte 7 positioniert oder gefertigt wurde. In 1 wird die Oberfläche 6a des Bauteils bestrahlt, welche auch die Oberfläche 6a des additiv gefertigten Abschnitts 6b ist, um sie eine Wärmebehandlung zu unterziehen.
Verbunden sind der Laser 2 und die Strahlsteuerungseinrichtung 3 mit einer elektronischen Steuerungseinrichtung 4, welche zumindest einen Computer-lesbaren Speicher 4b und einen Prozessor 4a aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Strahlsteuerungseinrichtung 4 ein in die Anlage zum 3D-Druck eingebundener Computer. Die elektrischen Verbindungen können dabei durch gängige Verbindungen (USB, RS232 etc.) zu den Komponenten hergestellt werden. Die Steuerungseinrichtung 4 enthält einen Computer-lesbaren Speicher 4a mit Daten über eine Beschaffenheit und eine Position des Bauteils 6. Die Position des Bauteils 6 ist dabei relativ zu der Basisplatte 7 zu verstehen.
Der Prozessor 4b der Steuerungseinrichtung 4 ist dazu ausgelegt, basierend auf den im Speicher 4a enthaltenen Daten Parameter bezüglich eines periodischen Scannens der Oberfläche 6a mit dem zumindest einen Laserstrahl 5 zur Wärmebehandlung des Bauteils 6 zu berechnen. Dies erfolgt unter der Bedingung, dass die Oberfläche 6a auf einen Zieltemperaturbereich T_Z aufgeheizt wird, wobei eine Temperaturobergrenze T₁ des Zieltemperaturbereichs T_Z unterhalb der Schmelztemperatur des für das Bauteil 6 verwendeten Materials liegt. Die Temperaturuntergrenze T₂ des Zieltemperaturbereichs T_Z ist dabei abhängig von der gewünschten Wirkung der Wärmebehandlung. So kann diese so gewählt sein, dass ein Härtegradient durch lokale Beeinflussung der Materialeigenschaften beeinflussbar ist. Außerdem kann eine γ' (gamma-strich) Ausscheidung in-situ festlegt werden. Auch können sich die Temperaturuntergrenze T₂ und weitere Parameter durch spezifische Eigenschaften, beispielsweise einer Nickelbasislegierung, ergeben, so dass eine Temperatur von ca. 1000°C in 1 mm Tiefe erzielt werden muss. Auch sollte die Maximaltemperatur unterhalb der gamma-strich Solvustemperatur liegen. Ein weiterer Aspekt ist die lokale Beeinflussung der Versetzungsdichte um Rekristallisation mit der Wärmebehandlung zu steuern oder eine Verkleinerung der Bauteiloberflächennahen Rissdichte durch rein oberflächennahe in-situ Wärmebehandlung zu erreichen.
Auf dem Computer, der die Steuereinrichtung 4 beinhaltet, ist somit auch ein Computerprogramm enthalten, was Befehle umfasst, die bewirken, dass die Vorrichtung mit den im folgenden beschriebenen Verfahrensschritten ausführt. Dieses Computerprogramm ist auf einem Computer-lesbaren Medium, beispielsweise dem gleichen Speicher 4a, gespeichert.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Wärmenachbehandlung eines additiv gefertigten Bauteils 6. Ferner schematisch gezeigt in 2 sind zusätzliche Verfahrensschritte zur Fertigung eines additiv gefertigten Bauteils gemäß einer Ausführungsform.
Das in 2 gezeigte Verfahren zur Wärmenachbehandlung eines additiv gefertigten Abschnitts 6b eines Bauteils 6, umfasst den Schritt des Berechnens (S1) von Parametern bezüglich einer Bestrahlung einer Oberfläche 6a des additiv gefertigten Abschnitts 6b des Bauteils 6 mit zumindest einem Laserstrahl 5 zur Wärmebehandlung des Bauteils 6. Die Parameter umfassen dabei zumindest eine Laserstrahlleistung 10, welche entlang einer Scanstrecke 11 auf der Oberfläche 6a des Bauteils grundsätzlich variiert werden kann. Die Parameter werden derart berechnet, um die Oberfläche 6a auf einen Zieltemperaturbereich T_Z aufzuheizen, wobei eine Temperaturobergrenze T₁ des Zieltemperaturbereichs Tz unterhalb der Schmelztemperatur des für das Bauteil 6 verwendeten Materials liegt.
Die Parameter können auch eine Heizfrequenz 12 umfassen, welche ein Durchlaufen der Scanstrecke 11 pro Zeiteinheit angibt. Diese erleichtert die Berechnung der Scanstrecke 11 und der Laserstrahlleistung 10 für eine quasi-homogene Bestrahlung der zu behandelnden Oberfläche 6a.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Berechnen der Parameter zumindest eine Scangeschwindigkeit 13 entlang der Scanstrecke 11, welche der Scanstrecke 11 zugeordnet ist. Somit kann die Scangeschwindigkeit 13 variabel entlang der Scanstrecke 11 berechnet sein. Auch kann hier eine Beschleunigung von Komponenten der Strahlsteuerungseinrichtung 3, wie der Scanspiegel 3a mitberücksichtigt sein, und die Laserstrahlleistung 10 während dieser Beschleunigungsphasen entsprechend angepasst, d.h. in der Regel reduziert werden.
Um eine quasi-homogene Wärmebehandlung zu erreichen, sollte die maximale Scangeschwindigkeit 13, bzw. die Heizfrequenz 12, so schnell wie möglich gewählt werden. Eine geeignete maximale Scangeschwindigkeit 13 dafür beträgt mindestens 10 m/s. Ein geeigneter Bereich von Scangeschwindigkeiten 13 entlang der Scanstrecke kann von 10 m/s und 30 m/s sein.
Außerdem kann das Verfahren auch das Berechnen von Parametern das Berechnen eines Laserstrahldurchmessers 14 auf der bestrahlten Oberfläche 6a des Bauteils 6 umfassen. Dieser sollte, wie weiter oben beschrieben, relativ groß gewählt werden, um eine möglichst homogene Ausleuchtung zu erreichen. In der Regel wird eine Defokussierung des Laserstrahls 5 auf der zu bestrahlenden Oberfläche 6a gewählt.
Wie schon weiter oben erwähnt, kann die Laserstrahlleistung 10 dynamisch entlang der Scanstrecke geändert werden, um ein Aufschmelzen des Materials zu verhindern. Daher kann das Berechnen der Laserstrahlleistung 5 auf der bestrahlten Oberfläche 6a auch eine Bauhöhe H des Bauteils mitberücksichtigen bzw, das damit verbundene, unter der belichteten Schicht liegende Bauteilvolumen, was für unterschiedliche Teilbereiche der Oberfläche verschieden sein kann. Außerdem kann in diesem Zusammenhang ein Wärmeableitungsvermögen eines bestrahlten Teilbereichs abhängig von der lokalen Bauhöhe H an dem bestrahlten Teilbereich mitberücksichtigt werden. Das garantiert eine größere Sicherheit, dass die Temperatur der Oberfläche 6a auch im Zieltemperaturbereich T_Z liegt, und insbesondere ein Aufschmelzen des Materials vermieden wird.
Das Berechnen der Scanstrecke 11 kann auch das Berechnen eines Hatchings 20 umfassen, wie in der folgenden 3 gezeigt und erläutert wird.
Insgesamt werden die Parameter auf Basis einer Simulation der Wärmeentwicklung im Material des Bauteils 6 berechnet. Daher werden die Parameter auch miteinander korreliert. So erfolgt das Berechnen des Strahldurchmessers 14, der Laserstrahlleistung 10, der Scangeschwindigkeit 13 und des Hatchings 20 grundsätzlich auch basierend auf einer geometrischen Form der bestrahlten Oberfläche 6a. So werden diese Parameter zur Bestrahlung der Oberfläche 6a bei Bedarf angepasst, um das Material mit größtmöglicher Genauigkeit auf den gewünschten Zieltemperaturbereich T_Z zu erhitzen und dabei ein Aufschmelzen zu verhindern.
Das Verfahren umfasst außerdem noch den Schritt des Ansteuerns zumindest eines Lasers 2 und einer Strahlsteuerungseinrichtung 3 zum periodischen Scannen der Oberfläche 6a mit dem zumindest einen Laserstrahl 5 gemäß der berechneten Laserstrahlleistung 10, der Scanstrecke 11 und der übrigen verwendeten Parameter wie der Heizfrequenz 12 entlang der berechneten Scanstrecke 11.
Das Ansteuern der Strahlsteuerungseinrichtung 3 kann ein Ansteuern Der Fokussieroptik der Strahlsteuerungseinrichtung 3 gemäß dem berechneten Strahldurchmesser 14 vorsehen. Ein geeigneter maximaler Strahldurchmesser 14 auf der Oberfläche 6a des Bauteils sollte mindestens 100~500 um betragen. In einer Ausführungsform beträgt der Strahldurchmesser 14 500 um bis 1000 um, kann aber auch größere Werte betragen.
Das Ansteuern der Strahlsteuerungseinrichtung 3 kann außerdem das Ausrichten einer Ablenkoptik der Strahlsteuerungseinrichtung 3, wie in diesem Fall den Scanspiegel 3a, zur Steuerung einer Laserstrahlrichtung 5 gemäß der Scanstrecke 11 auf der Oberfläche 6a des Bauteils 6 vorsehen.
Bei der additiven Fertigung ist der Wärmebehandlung vorausgegangen dabei das Bereitstellen S10 der Basisplatte 7, des Lasers 2 und der Strahlsteuerungseinrichtung 3 zur Richtungssteuerung des von dem Laser 2 emittierten Laserstrahls 5 zum additiven Fertigen, bzw. 3D-Drucken. Bei diesem Schritt kann auch bereits die Scanstrecke 11 festgelegt werden, die von der belichteten Geometrie des Bauteils bestimmt wird. Ferner vorausgegangen ist das Fertigen S11 zumindest einer additiv aufgetragenen Schicht auf der Basisplatte 7 unter Verwendung des Laserstrahls zum Schmelzen von aufgetragenem Pulvermaterial. Eine nominelle Schichtdicke liegt im Bereich von 20 um bis 120 um, und beträgt bevorzugt 40 um. Hierbei werden die Scangeschwindigkeit 13 und/oder die Laserstrahlleistung 10 bereits als Eingangsvariablen verwendet. Eine Wärmebehandlung wird nach dem Fertigen bzw. Auftragen einer Schichtdicke im Bereich von 0,3 mm bis ca. 3 mm, bevorzugt von 1 mm durchgeführt. Das bedeutet, dass alle ca. 25 aufgetragenen Schichten eine Wärmebehandlung erfolgt.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Oberfläche 6a mit Scanstrecke 11 gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens.
Das hier beispielhaft gezeigte Bauteil 6 weist eine quadratische Oberfläche 6a auf. Die Scanstrecke 11 auf dieser Oberfläche ist hier gemäß eines Hatchings 20 geformt, welches einen Scanabstand D_S von parallel oder antiparallel angeordneten Scanvektoren 31 aufweist. In dem obigen Verfahren umfasst das Verfahren somit auch das Berechnen des Hatchings 20.
Das Hatching 20 umfasst hier einzelne Scanvektoren 31, die eine durch nur eine Bewegung eines optischen Elements der Strahlsteuerungseinrichtung 3 beschreibbarer Scanteilstrecke der Scanstrecke darstellen. In dieser Ausführungsform sind sämtliche Scanvektoren 31 gerade ausgebildet, was einer Bewegung des Scanspiegels 3a entspricht. Doch können die Scanvektoren 31 auch kurvenförmig sein, welche durch die Bewegung beispielsweise eines in zwei orthogonalen Richtungen drehbaren X-Y Scanspiegels 3a, oder gleichzeitige Bewegung von einem X- und einem dazu orthogonal drehbaren Y-Scanspiegel 3a ausgeführt werden.
Das Berechnen des Hatchings 20 kann auch eine Beschleunigung der Ablenkoptik mitberücksichtigen, und auch eine entsprechende Anpassung der Laserstrahlleistung 10 abhängig von der Beschleunigung durchgeführt werden. Außerdem kann auch hier das Berechnen des Strahldurchmessers 14, der Laserstrahlleistung 10 und des Hatchings 20 basierend auf einer geometrischen Form der Oberfläche 6a eines bestrahlten Teilbereichs der Oberfläche 6a erfolgen, um eine möglichst hohe Genauigkeit der Oberflächentemperatur im Bereich des Zieltemperaturbereichs T_Z zu erreichen.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Oberfläche 6a mit Scanstrecke 11 gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens.
In 4 und 5 sind Spezialfälle gezeigt, welche bei der Bestrahlung eines Teilbereichs der Oberfläche 6a zu tragen kommt, welcher relativ klein in seinen Ausmaßen ist. Beispielsweise kann bei einem Teilbereich, welche kleiner ist als eine Summe des nominalen Strahldurchmessers 14 und eines nominalen Scanabstandes Ds des Hatchings 20 die Laserstrahlleistung 10, der Strahldurchmesser 14 und/oder der Scanabstand D_S reduziert werden. Der nominale Scanabstand kann hier der in 3 gezeigte Scanabstand Ds sein, der sich unter anderem in Verbindung mit der zu erreichenden Temperatur, der Laserstrahlleistung 10, der Heizfrequenz 12, der Scangeschwindigkeit 13 und dem Strahldurchmesser 14 ergibt. So kann bei kleinen Teilbereichen grundsätzlich alle diese Parameter angepasst werden, insbesondere die Laserstrahlleistung 10 durch Ansteuern des Lasers 2 und der Strahldurchmesser 14 durch Ansteuern der Strahlsteuerungseinrichtung 3, typischerweise der Fokussieroptik.
So wird in 4 gezeigt, dass bei der Bestrahlung eines Teilbereichs der Oberfläche 6a, welcher kleiner ist als eine Summe eines nominalen Strahldurchmessers 14 und des nominalen Scanabstandes Ds des Hatchings 20 ist, die Bestrahlung gemäß einem Kantenvektor 40 erfolgt. Es ist zu erkennen, dass in diesem Fall das Hatching 20 unterbrochen wird, und die Richtung des Kantenvektors 40 gemäß geometrischen Kanten 41 des gezeigten Teilbereichs der Oberfläche 6a, d.h. zwischen diesen Kanten 41 des Teilbereichs verläuft.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Oberfläche 6a mit Scanstrecke 11 gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens.
Ein anderer Spezialfall ist in 5 gezeigt, bei der Bestrahlung einer Verbindungsbrücke 50, welche zwei Teilbereiche 51 der Oberfläche 6a miteinander verbindet und eine minimale Breite D_B kleiner des doppelten Scanabstands D_S aufweist, die Bestrahlung gemäß einem Brückenvektor 52 erfolgt, welcher längsseitig mittig entlang der Brücke verläuft. Obwohl der Brückenvektor 52 in der in 5 gezeigten Verbindungsbrücke aus zwei Scanvektoren 31 mündet, wird der Brückenvektor 52 hier nur einmal Durchlaufen.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Oberfläche 6a mit Scanstrecke 11 gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens.
In der in 6 gezeigten Ausführungsform sieht das Berechnen der Parameter eine Mehrzahl von Laserstrahlen 5 vor, und der Schritt des Ansteuerns das Ansteuern einer Mehrzahl von Lasern 2 vor. Diese Laserstrahlen 5 stammen von einer entsprechenden Anzahl von Lasern 2. In weiteren Ausführungsformen können diese aber auch durch Aufteilung von ursprünglich einem Laserstrahl 5 eines Lasers 2 stammen. Das Berechnen der Parameter und das Ansteuern der Strahlsteuerungseinrichtung 3 zur Steuerung der Laserstrahlen 5 sieht außerdem eine Bestrahlung im Wesentlichen gleicher Teilbereiche der Oberfläche mit der Mehrzahl der Laserstrahlen 5 vor. So sind in 6 ein erstes Hatching 60a mit ersten Scanvektoren 61a und eingezeichnetem ersten Strahldurchmesser 62a und ein im Wesentlich 90° gedrehtes zweites Hatching 60b mit zweiten Scanvektoren 61b und eingezeichnetem zweiten Strahldurchmesser 62b auf der Oberfläche 6a des Bauteils 6 zu erkennen. Der erste Strahldurchmesser 62a und zweite Strahldurchmesser 62b können, wie hier gezeigt, gleich oder auch verschieden groß sein. Dasselbe gilt für die jeweilige Laserstrahlleistung.
Um ein Aufschmelzen zu verhindern, werden die jeweilige Scanstrecken 11 der Laserstrahlen zeitlich miteinander synchronisiert werden. Dies erfolgt hier in vorbestimmten Intervallen, beispielsweise nach acht Scanvorgängen, kann aber auch nach jedem Scanvorgang oder nach bestimmten Zeitintervallen, beispielsweise einmal pro Minute, erfolgen.
Mit der Nutzung von mehreren Laserstrahlen 5 wird die Geschwindigkeit eines Durchlaufs der Oberfläche 6a im Wesentlichen vervielfacht, so das auch eine homogenere Wärmebehandlung erreicht wird.
7 zeigt ein schematisches Diagramm 70 zu einem Verfahren einer Wärmebehandlung eines additiv gefertigten Bauteils gemäß einer Ausführungsform.
Die in 7 und 9 gezeigten Diagramme 70, 80 enthalten eine horizontale Zeitachse 71, gegen die gemäß einer vertikalen Temperaturachse 72 die Temperatur der bestrahlten Oberfläche 6a eingezeichnet ist.
In dem in 7 gezeigten Diagramm 70 ist zunächst ein Anstieg der Temperatur gemäß einer berechneten Aufheizphase 73 durch das periodische Scannen der Oberfläche 6a des Bauteils 6 zu erkennen. In dieser Aufheizphase 73 wird die Oberfläche 6a von einer Umgebungstemperatur auf eine Temperatur in dem Zieltemperaturbereich T_Z aufgeheizt. Der Zieltemperaturbereich T_Z liegt zwischen der weiter oben diskutierten Temperaturobergrenze T₁ und Temperaturuntergrenze T₂ des Zieltemperaturbereichs. Anschließend zeigt das Diagramm 70 in 7 eine Abkühlphase 74, in welcher die Oberfläche 6a bis zu der Umgebungstemperatur abkühlt.
Die Aufheizphase 73 und/oder die Abkühlphase 74 kann insbesondere basierend auf der Heizfrequenz 12 berechnet werden, so dass eine mittlere Oberflächentemperatur der bestrahlten Oberfläche 6a des Bauteils 6 einem vorbestimmten zeitlichen Temperaturverlauf folgt. So kann insbesondere die Abkühlphase 74 verlangsamt werden, um beispielsweise einen Grad der Kristallisation besser kontrollieren zu können.
8 zeigt ein schematisches Diagramm 80 zu einem Verfahren einer Wärmebehandlung eines additiv gefertigten Bauteils 6 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In dem in 8 gezeigten Diagramm 80 ist zusätzlich noch eine stationäre Phase 81 gezeigt, in welcher das Bauteil 6 auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur im Zieltemperaturbereich T_Z gehalten wird. Dies kann je nach Anwendung den gewünschten Effekt der Wärmebehandlung, beispielsweise die Reduzierung der Eigenspannungen, verstärken.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Obwohl beispielsweise einige der oben beschriebenen Ausführungsformen einen Strahldurchmesser 14 mit einbeziehen, ist damit nicht zwangsläufig ein rundes Strahlprofil verbunden. In einigen Ausführungsformen kann dies auch ein quadratisches Profil, beispielsweise mit einer Top-Hat Intensitätsverteilung, sein, wobei der Strahldurchmesser 14 auf der Oberfläche 6a dann im Wesentlichen den Bereichen hoher Intensität entspricht.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Wärmebehandlung
2: Laser
3: Strahlsteuerungseinrichtung
3a: Scanspiegel
4: Steuerungseinrichtung
4a: Speicher
4b: Prozessor
5: Laserstrahl
6: Bauteil
6a: Bestrahlte Oberfläche des Bauteils
6b: Additiv gefertigter Abschnitt des Bauteils
7: Basisplatte
10: Laserstrahlleistung
11: Scanstrecke
12: Heizfrequenz
13: Scangeschwindigkeit
14: Laserstrahldurchmesser auf der bestrahlten Oberfläche
20: Hatching
31: Scanvektor
40: Kantenvektor
41: Kante des Bauteils
50: Verbindungsbrücke
51: Teilbereiche der bestrahlten Oberfläche bei der Verbindungsbrücke
52: Brückenvektor
60: Hatching mit zwei Laserstrahl-Scanstrecken
60a: Scanstrecke/Hatching des ersten Lasers
60b: Scanstrecke/Hatching des zweiten Lasers
61a: Scanvektor des ersten Laserstrahls
61b: Scanvektor des zweiten Laserstrahls
62a: Strahldurchmesser des ersten Laserstrahls
62b: Strahldurchmesser des zweiten Laserstrahls
70: Diagramm zum Wärmeverhalten (ohne stationäre Phase)
71: Zeitachse
72: Temperaturachse
73: Aufheizphase
74: Abkühlphase
80: Diagramm zum Wärmeverhalten (ohne stationäre Phase)
81: Stationäre Phase
DS: Scanabstand
DB: Breite der Brückenverbindung
H: Bauhöhe des Bauteils
T1: Temperaturobergrenze des Zieltemperaturbereichs
T2: Temperaturuntergrenze des Zieltemperaturbereichs
TZ: Zieltemperaturbereich
S1: Verfahrensschritt der Wärmebehandlung
S2: Verfahrensschritt der Wärmebehandlung
S10: Verfahrensschritt der additiven Fertigung
S11: Verfahrensschritt der additiven Fertigung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3575018 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung eines additiv gefertigten Abschnitts (6b) eines Bauteils (6), mit den Schritten: Berechnen (S1) von Parametern bezüglich einer Bestrahlung einer Oberfläche (6a) des additiv gefertigten Abschnitts (6b) des Bauteils (6) mit zumindest einem Laserstrahl (5) zur Wärmebehandlung des Bauteils (6), wobei die Parameter zumindest eine Laserstrahlleistung (10) entlang einer Scanstrecke (11) auf der Oberfläche (6a) des Bauteils (6) umfassen, wobei die Parameter derart berechnet werden, um den additiv gefertigten Abschnitt (6b) der Oberfläche (6a) auf einen Zieltemperaturbereich (T_Z) aufzuheizen, wobei eine Temperaturobergrenze (T₁) des Zieltemperaturbereichs (T_Z) unterhalb der Schmelztemperatur des für das Bauteil (6) verwendeten Materials liegt; Ansteuern (S2) zumindest eines Lasers (2) und einer Strahlsteuerungseinrichtung (3) zum periodischen Scannen der Oberfläche (6a) mit dem zumindest einen Laserstrahl (5) gemäß der berechneten Laserstrahlleistung (10) entlang der berechneten Scanstrecke (11).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der Parameter das Bestimmen einer Heizfrequenz (12) vorsieht, welche ein Durchlaufen der Scanstrecke (11) pro Zeiteinheit angibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der Parameter zumindest eine Scangeschwindigkeit (13) mitberücksichtigt, welche der Scanstrecke (11) zugeordnet ist, wobei eine maximale Scangeschwindigkeit (13) mindestens 10 m/s beträgt, wobei die Scangeschwindigkeit (13) entlang der Scanstrecke (11) insbesondere im Bereich von 10 m/s und 30 m/s ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen von Parametern das Berechnen eines Laserstrahldurchmessers (14) auf der bestrahlten Oberfläche (6a) des Bauteils 6 umfasst, und das Ansteuern der Strahlsteuerungseinrichtung (3) ein Ansteuern einer Fokussieroptik gemäß dem berechneten Strahldurchmesser (14) vorsieht, wobei ein maximaler Strahldurchmesser (14) auf der Oberfläche (6a) des Bauteils (6) insbesondere mindestens 500 um beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der Laserstrahlleistung (10) auf der bestrahlten Oberfläche (6a) ein umgebendes Volumen, insbesondere eine lokale Bauhöhe (H) des Bauteils (6), und insbesondere ein Wärmeableitungsvermögen eines bestrahlten Teilbereichs abhängig von der lokalen Bauhöhe (H) an dem bestrahlten Teilbereich, mitberücksichtigt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der Scanstrecke (11) das Berechnen eines Hatchings (20) umfasst, welches einen Scanabstand (Ds) von parallel oder antiparallel angeordneten Scanvektoren (31) aufweist, wobei der Scanvektor (31) insbesondere ein durch nur eine Bewegung eines optischen Elements der Strahlsteuerungseinrichtung (3) beschreibbarer Scanteilstrecke der Scanstrecke (11) darstellt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen des Hatchings (20) eine Beschleunigung der Ablenkoptik mitberücksichtigt, und das Berechnen der Laserstrahlleistung (10) eine Anpassung der Laserstrahlleistung (10) abhängig von der Beschleunigung vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 4 und 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen des Strahldurchmessers (14), der Strahlleistung (10) und des Hatchings (20) basierend auf einer geometrischen Form der bestrahlten Oberfläche (6a) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestrahlung eines Teilbereichs der Oberfläche (6a), welcher kleiner ist als eine Summe eines nominalen Strahldurchmessers und eines nominalen Scanabstandes (D_S) des Hatchings (20) die Laserstrahlleistung (10), der Strahldurchmesser (14) und/oder der Scanabstand (D_S) reduziert werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestrahlung eines Teilbereichs der Oberfläche (6a), welcher kleiner ist als eine Summe eines nominalen Strahldurchmessers und eines nominalen Scanabstandes des Hatchings (20) ist, die Bestrahlung gemäß einem Kantenvektor (40) erfolgt, wobei die Richtung des Kantenvektors (40) gemäß geometrischen Kanten (41) des Teilbereichs verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestrahlung einer Verbindungsbrücke (50), welche zwei Teilbereiche (51) der Oberfläche miteinander verbindet und eine minimale Breite kleiner des doppelten Scanabstands (Ds) aufweist, die Bestrahlung gemäß einem Brückenvektor (52) erfolgt, welcher längsseitig mittig entlang der Verbindungsbrücke (50) verläuft.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuern der Strahlsteuerungseinrichtung (3) das Ausrichten einer Ablenkoptik der Strahlsteuerungseinrichtung (3) zur Steuerung einer Laserstrahlrichtung gemäß der Scanstrecke (11) auf der Oberfläche (6a) des Bauteils (6) vorsieht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der Parameter eine Mehrzahl von Laserstrahlen (5) vorsieht, und dass der Schritt des Ansteuerns das Ansteuern einer Mehrzahl von Lasern (2) vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der Parameter und das Ansteuern der Strahlsteuerungseinrichtung (3s) zur Steuerung der Laserstrahlen (5) eine Bestrahlung im Wesentlichen gleicher Teilbereiche der Oberfläche mit der Mehrzahl der Laserstrahlen (5) vorsieht, wobei jeweilige Scanstrecken (11s) der Mehrzahl der Laserstrahlen (5), insbesondere in vorbestimmten Intervallen, zeitlich miteinander synchronisiert werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der Parameter und das periodische Scannen der Oberfläche (6a) des Bauteils (6) eine Aufheizphase (73), in welcher die Oberfläche von einer Umgebungstemperatur auf eine Temperatur innerhalb des Zieltemperaturbereichs (Tz) aufgeheizt wird, eine Abkühlphase (74), in welcher die Oberfläche (6a) bis zu der Umgebungstemperatur abkühlt, und insbesondere eine stationäre Phase (80), in welcher das Bauteil (6) auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur innerhalb des Zieltemperaturbereichs (Tz) gehalten wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen zumindest einer der Aufheizphase (73) oder der Abkühlphase (74) derart erfolgt, dass eine mittlere Oberflächentemperatur der bestrahlten Oberfläche (6a) des Bauteils (6) einen vorbestimmten zeitlichen Temperaturverlauf folgt.
Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils, mit den Schritten: Bereitstellen einer Basisplatte (7), eines Lasers (2) und einer Strahlsteuerungseinrichtung (3) zur Richtungssteuerung eines von dem Laser (2) emittierten Laserstrahls (5) zum 3D-Drucken; Fertigen zumindest einer additiv aufgetragenen Schicht auf der Basisplatte (7) unter Verwendung des Laserstrahls (5) zum Schmelzen von aufgetragenem Pulvermaterial; Wärmenachbehandlung des Bauteils (6) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
Vorrichtung (1) zur Wärmebehandlung eines additiv gefertigten Abschnitts (6b) eines Bauteils (6), insbesondere unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17, mit einem Laser (2), welcher bei einer Bestrahlung einer Oberfläche (6a) des Bauteils (6) mit einem von dem Laser (2) emittierten Laserstrahl (5) zum Erzeugen eines Wärmeeintrags ausgebildet ist, mit einer Strahlsteuerungseinrichtung (3) zur Steuerung des von dem Laser (2) emittierten Laserstrahl (5) auf der Oberfläche (6a) des Bauteils (6), mit einer mit dem Laser (2) und der Strahlsteuerungseinrichtung (3) verbundenen Steuerungseinrichtung (4), welche zumindest einen Computer-lesbaren Speicher (4a) und einen Prozessor (4b) aufweist, wobei der Computer-lesbare Speicher (4a) Daten über eine Beschaffenheit und eine Position des Bauteils (6) enthält; wobei der Prozessor (4b) dazu ausgelegt ist, basierend auf den im Speicher (4a) enthaltenen Daten Parameter bezüglich eines periodischen Scannens der Oberfläche (6a) mit dem zumindest einen Laserstrahl (2) zur Wärmebehandlung des Bauteils (6) zu berechnen, wobei die Parameter zumindest eine Laserstrahlleistung (10) und eine Scanstrecke (11) auf der Oberfläche (6a) umfassen, wobei der Prozessor (4b) ausgelegt ist, das periodische Scannen derart zu berechnen, um den additiv gefertigten Abschnitt (6b) der Oberfläche (6a) auf einen Zieltemperaturbereich (T_Z) aufzuheizen, wobei eine Temperaturobergrenze (T₁) des Zieltemperaturbereichs (T_Z) unterhalb der Schmelztemperatur des für das Bauteil (6) verwendeten Materials liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter zumindest eine Heizfrequenz (12), welche ein Durchlaufen der Scanstrecke (11) pro Zeiteinheit angibt, umfassen.
Computerprogramm umfassend Befehle, die bewirken, dass eine Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 18 oder 19 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 17 ausführt.
Computer-lesbares Medium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 20 gespeichert ist.