EP4058226A1 - Verfahren zum herstellen einer stützstruktur in der additiven herstellung - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer stützstruktur in der additiven herstellung

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EP4058226A1
EP4058226A1 EP21704416.3A EP21704416A EP4058226A1 EP 4058226 A1 EP4058226 A1 EP 4058226A1 EP 21704416 A EP21704416 A EP 21704416A EP 4058226 A1 EP4058226 A1 EP 4058226A1
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EP
European Patent Office
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support structure
component
irradiation
layers
area
Prior art date
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Pending
Application number
EP21704416.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Albert
Ole Geisen
Timo HEITMANN
Lisa KERSTING
Vinzenz MÜLLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4058226A1 publication Critical patent/EP4058226A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
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    • G05B19/4099—Surface or curve machining, making 3D objects, e.g. desktop manufacturing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for the manufacture of a support structure in the additive manufacturing of a component or a novel irradiation strategy for the support structure. Furthermore, a corresponding computer program product, a device and a control are specified.
  • the component is preferably intended for use in a flow machine, preferably in the hot gas path of a stationary gas turbine for generating energy.
  • the component preferably consists of a superalloy, in particular a nickel- or cobalt-based superalloy.
  • thermal energy and / or flow energy of a hot gas generated by the combustion of a fuel is converted into kinetic energy (rotational energy) of a rotor.
  • a flow channel is formed in the gas turbine, in the axial direction of which the rotor or a shaft is mounted. If a hot gas flows through the flow channel, a force is applied to the rotor blades, which is converted into a torque acting on the shaft, which drives the turbine rotor, whereby the rotational energy can be used, for example, to operate a generator.
  • the component can be another component, such as a high-performance component for aerospace or automotive applications.
  • Additive manufacturing processes include, for example, as powder bed processes, selective laser melting (SLM) or selective laser sintering (SLS), or electron beam melting (EBM).
  • Other additive processes are, for example, “Directed Energy Deposition (DED)” “Method, in particular laser deposition welding, electron beam or plasma powder welding, wire welding, metallic powder injection molding, so-called” sheet lamination "method, or thermal spraying method (VPS LPPS, GDCS).
  • DED Directed Energy Deposition
  • a method for selective laser melting is known, for example, from EP 2 601 006 Bl.
  • Additive manufacturing processes have also proven to be particularly advantageous for complex or filigree construction parts, for example labyrinth-like structures, cooling structures and / or lightweight structures.
  • additive manufacturing is advantageous due to a particularly short chain of process steps, since a manufacturing or manufacturing step of a component can largely take place on the basis of a corresponding CAD file (“Computer-Aided Design”) and, if necessary, the selection of corresponding manufacturing parameters.
  • a computer program product - as described here - can be used, for example, as a (volatile or non-volatile) storage medium, such as a memory card, a USB stick, a CD-ROM or DVD, or also in the form of a downloadable file from a server and / or in a network provided or included. The provision can also take place, for example, in a wireless communication network by transmitting a corresponding file with the computer program product.
  • a computer program product can contain program code, machine code or numerical control instructions such as G-code and / or other executable program instructions in general.
  • support structures with an advantageously great freedom in the design of the achievable components. These become necessary as soon as an area to be supported or a critical overhang angle of a section of the component is undercut by, for example, 40 ° to the surface of a construction platform.
  • support structures can also be required for mechanical support or fixing of a component in the installation space during the construction process, in order not only to achieve a certain construction result, but also to achieve mechanical detachment ( "Tear off”) of the component from the building platform. This can occur in particular with large components and strong mechanical or thermo-mechanical stresses in the built-up structure. Such stresses continue to occur primarily in the vertical direction, i.e. along a direction of construction of the structure.
  • One aspect of the present invention relates to a method for producing a support structure in the additive, in particular special layer-wise, production of a component, for example based on a powder bed by selective laser melting or electron beam melting.
  • the method comprises providing a geometry for the component with an area to be supported, for example an overhang.
  • the geometry is usually provided via a CAD file (digital).
  • the method further comprises the provision of a support structure for the area of the component to be supported, in particular for its mechanical support.
  • a support structure for the area of the component to be supported, in particular for its mechanical support.
  • support structures supporting at least one overhang also have the effect of dissipating heat significantly more efficient or - in contrast to loose powder, which is located under an overhanging structural area - can be done in the first place.
  • the component geometry has overhangs.
  • the method further comprises establishing an irradiation pattern for irradiating layers of a raw material, in particular powder, for the support structure and / or the component, with area or area irradiation vectors or hatching vectors (so-called "hatching") for irradiation of Layers for a structure of or for the component extend in a region of the support structure or are extended into this.
  • a raw material in particular powder
  • hatching hatching vectors
  • the definition of the irradiation pattern as described in the present case can be done, for example, using CAM means (“Computer Aided Manufacturing”).
  • the area of the support structure preferably represents a lateral area or surface area of the support structure, in particular in layers next to the actual component contour.
  • the surface irradiation vectors mentioned describe preferably irradiation trajectories for inner regions of a layer to be irradiated.
  • so-called contour radiation vectors are usually required for additive component manufacture in the context described, in particular in order to realize a contour of the component with the required structure or surface quality.
  • the method further comprises the selective irradiation of layers of the raw material for the component and the provided support structure in accordance with the defined irradiation pattern.
  • the said irradiation is expediently carried out powder bed based via SLM or EBM with a laser or electron beam and a corresponding control and / or optics.
  • the described extension of the surface vectors into the region of the support structure can advantageously ensure that a temporal offset of the irradiation of the component region on the one hand and the region of the support structure on the other hand can be minimized.
  • This advantageously brings about an improved structural connection between the two areas and the reduction of thermal stresses and / or structural defects that can arise from too high or too low an energy input and / or large inherent temperature gradients.
  • Such an irradiation strategy for surface irradiation of individual layers in additive manufacturing cannot be mapped by conventional means, since when selecting an irradiation strategy for a support structure, for example, it is not possible to intervene in a corresponding irradiation for the component, and vice versa.
  • the present invention advantageously offers the possibility that the component and a corresponding volume support can be output and / or irradiated as one and the same component when defining the required hatching vectors.
  • the additive manufacturing process is a powder-bed-based process, for example selective laser melting or electron beam melting.
  • the area to be supported or a tangent or surface tangent of this area encloses an angle of less than 40 ° to a building platform or its surface.
  • the area to be supported represents a (relatively strong) overhanging area of the component which, for example, has to be mechanically and / or thermally supported during additive manufacturing. This was also the case described geometry around an area which is particularly suitable as a starting point for the support structure as a volume support. If the "support" or the support structure starts here, a stabilization of the entire built-up structure of the component and / or a tearing of the structure from the building platform due to a particularly strong state of tension can be prevented particularly expediently and advantageously.
  • the support structure - as indicated above - represents a volume support.
  • the volume support or the support structure are designed free from grids or latticework and / or free from toothing. This configuration enables a particularly robust and firm support of the area to be supported.
  • the support structure is preferably also formed from solid material, which can only have a slight porosity.
  • common hatching vectors are defined for the component and for the support structure.
  • a strategy for irradiating the contour of the component is preferably different from the exposure of the support structure.
  • the irradiation for the layers of the support structure is carried out free of contour vectors.
  • This configuration advantageously enables the process to be carried out efficiently in terms of time and dispenses with the need for costly contour exposure in the manufacture of the "support” This means that the construction of large components can take several days or even weeks to complete in an additive manner.
  • irradiation speeds can be continuously optimized or adjusted, the construction of many 1,000 up to several 10,000 layers, for example a layer thickness of 20 mpi to 40 mpi, requires many millions of individual irradiation paths or vectors for a corresponding structure.
  • a volume of the component according to the geometry provided includes at least 20% of the construction space of a corresponding manufacturing plant or device.
  • the component represents a relatively large-volume component which, in particular during manufacture, tends to detach itself from a building platform, at least in sections, due to thermomechanical stress.
  • the support structure is produced in such a way that one or more layers in a layer sequence of the additive structure are omitted. For example, one, two, three, four, five, ten or fifty layers can be omitted accordingly.
  • This implementation can also be advantageous in order to carry out the construction of the support structure more efficiently in terms of time and, at the same time, to achieve sufficient stability or support effect.
  • further irradiation parameters such as laser power
  • a more efficient construction of the support structures can be achieved, the mechanical stability of which is then hardly impaired in relation to proper irradiation of each individual layer.
  • the support structure - in contrast to the structure of the component - is carried out with changed irradiation parameters, such as an irradiation power or irradiation speed.
  • the layers for the support structure are carried out at an increased irradiation speed. This advantageously also allows a more time-efficient additive build-up process.
  • the layers for the support structure are irradiated with an adapted irradiation power, preferably an increased irradiation power in connection with the embodiment described above, in which irradiation of individual layers is omitted.
  • Another aspect of the present invention relates to a computer program or computer program product, comprising commands that, when a corresponding program is executed by a computer, cause the computer to carry out at least the described steps of providing, providing the support structure and defining the irradiation pattern.
  • Another aspect of the present invention relates to a device comprising at least one irradiation device which is set up to irradiate layers for the component and the support structure in accordance with the defined irradiation pattern.
  • Another aspect of the present invention relates to a controller which is set up to control an irradiation device for selectively irradiating layers of the raw material in accordance with the defined irradiation pattern.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional or side view of a component during its additive manufacture from a powder bed.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional or side view of a geometry of a component to be produced additively.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional or side view of a geometry of a component to be produced additively.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional or side view of a geometry of a component to be produced additively.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional or side view of a geometry of a component to be produced additively.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional or side view of a geometry of a component to be produced additively.
  • cross-sections of the additive structure irradiation patterns for the production of the component and / or a support structure are indicated.
  • FIG. 3 schematically indicates an exemplary embodiment of an irradiation strategy for the component and the support structure.
  • FIG. 4 shows a schematic flow diagram, indicating method steps according to the invention.
  • FIG. 1 shows an additive manufacturing system or manufacturing device 100.
  • the manufacturing system 100 is preferably designed as an LPBF system and for the additive construction of structural parts or components from a powder bed.
  • the system 100 can in particular also relate to a system for electron beam melting.
  • the device accordingly has a construction platform 1.
  • a component 10 'to be produced additively is made of a layer by layer Powder bed made.
  • the latter is formed by a powder P which can be distributed in layers on the building platform 1 by a coating device 30.
  • regions of the corresponding layer are selectively applied using an energy beam 21, for example a laser or electron beam, from an irradiation device 20 and / or a corresponding controller (cf. . Reference numeral 50) melted and then solidified.
  • an energy beam 21 for example a laser or electron beam
  • the building platform 1 is preferably lowered by an amount corresponding to the layer thickness L (compare arrow pointing downwards in FIG. 1).
  • the layer thickness L is usually only between 20 gm and 40 gm, so that the entire process can easily require irradiation of a number of 1,000 up to several 10,000 layers.
  • the geometry of the component is usually provided by a CAD file (see FIG. 4 below).
  • the process usually first requires the definition of a suitable irradiation strategy, for example by means of CAM ("Computer-Aided Manufacturing"), which normally also means that the component geometry is divided into the individual layers Ln he follows.
  • CAM Computer-Aided Manufacturing
  • the manufacturing complexity of the component is usually not always the same.
  • a support structure 11 ' is shown, which must support an overhanging area of the component both mechanically and thermally.
  • Such overhanging areas are particularly critical because there a molten bath (not explicitly marked), the dimensions of which usually extends over several, for example 5 layer thicknesses, extends downward into a loose powder area.
  • FIG. 2 shows parts of a component 10 to be produced additively, which is built up with means of the present invention or provided with a support structure.
  • a support structure for the component is correspondingly irradiated by the present invention.
  • the component 10 has an area 10a to be supported.
  • the area 10a can be an area partially hanging over the building platform 1.
  • it can also be an area with a vertical or only slightly overhanging wall (so-called “inskin” area), which requires increased mechanical support during construction, for example to "tear off” the component from Avoid building platform 1.
  • a so-called beam offset is usually adjusted or enlarged during process preparation. This can also increase the volume of the support structure and, under certain circumstances, lead to greater overlap and merging between layers of a support structure and the actual component.
  • this measure has the disadvantage, among other things, that the area to be illuminated is also enlarged, and thus more material or volume is required, and the construction or process time is extended.
  • the component 10 is preferably a complex-shaped component made of a high-performance material, for example a component that is thermally highly stressed and is used, for example, in the automotive sector or in the aerospace sector.
  • the component 10 is particularly preferably a component of the hot gas path of a turbomachine, such as a stationary gas turbine, for example.
  • the component can be a rotor or guide vane, a ring segment, a burner part or a burner tip, a frame, a shield, a heat shield, a nozzle, a seal, a filter, an orifice or lance, a resonator, a stem or denote a swirler, or a corresponding transition, insert, or a corresponding retrofit part.
  • the volume of the component 10 described can, for example, still occupy at least 10%, 20%, 30% or 40% of the installation space of a corresponding manufacturing device 100.
  • An overhang angle is also shown in FIG. 2, which is preferably less than 50 °, particularly preferably less than 40 °, relative to a surface of the building platform 1 or a horizontal one.
  • the advantages according to the invention are particularly clear in this angular range.
  • the proposed irradiation strategy has an advantageous effect on the areas to be supported even at angles greater than the aforementioned or less overhanging structures.
  • the region 10a to be supported is therefore provided with a support structure 11 in the present case.
  • the support structure is preferably a so-called “volume support”, in particular without cavities, lattice structures or toothing.
  • the support structure 11 is not structurally connected to the component 10 directly at the transition to the building platform 1.
  • the structures of component 10 and support structure 11 in the example shown converge to a point along the direction z, in which they connect (compare dashed horizontal line). From this point, the overhang of the component also extends in accordance with its specified geometry.
  • the dashed line which indicates the point mentioned corresponds here, for example, to the thirtieth built-up layer L30. the overhang of the area to be supported 11 it extends in the example described further up to a layer L60, which corresponds, for example, to the sixtieth built-up layer.
  • FIG. 2 At the bottom right in FIG. 2 is a plan view of a layer plane of the built-up structures according to section AA of the illustration on the left. Since the structure of the component according to a predetermined geometry is not yet materially connected to the support structure at this point in time, two separate layer cross-sections or layers are indicated on this. Even if the right part of the illustration is merely a schematic indication of a geometry and a corresponding irradiation pattern for it, for the sake of simplicity the layers shown are labeled with the reference “10” for the component and “11” for the support structure . On the left in the layer plan, hatching vectors or surface irradiation vectors Vh are indicated for the irradiation or build-up result covering the area as possible.
  • Contour radiation vectors Vk are shown on a contour of the layer or the hatching vectors Vh including.
  • An edge area of the built-up component structure is to be improved with regard to its structure and surface via a corresponding contour irradiation - usually downstream of the surface irradiation.
  • FIG. 2 At the top right in FIG. 2 is a plan view of a layer plane of the built-up structures according to section B - B of the illustration on the left.
  • This representation corresponds to an irradiation variant according to the invention, according to which the support structure 11 can preferably be constructed in the present case.
  • the surface irradiation vectors for the structure of the component or a corresponding irradiation pattern M have been established in such a way that they extend into an area of the support structure (to the right) or into it were or form common surface irradiation patterns.
  • the technical advantages according to the invention described in the present invention can be achieved.
  • the support structure 11 at the top right in the illustration in FIG. 2 is preferably irradiated in the same process step with the correspondingly adjacent layer for the component in the area.
  • the irradiation of the support structure is preferably carried out without any contour vectors. Therefore, contour radiation vectors Vk are only drawn in the left section of the top view shown.
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of a layer to be irradiated or a digital model of the same, which partly includes a component area (left) and an area of the support structure 11 (right).
  • a single surface irradiation vector is indicated as a diagonal arrow.
  • a transition between the construction part 10 and the support structure 11 is indicated by a vertical line.
  • the present invention proposes, by way of example, that the support structure 11 - in contrast to the structure of the component 10 - be irradiated with changed irradiation parameters.
  • layers for the support structure 11 can be irradiated with an increased irradiation speed v.
  • the reference symbol v indicates a radiation speed for the corresponding point.
  • the support structure 11 can be produced in such a way that one or more layers Ln in a layer sequence are only omitted for the support area, but are regularly irradiated, for example in the area of the component geometry.
  • those layers for the construction of the support structure 11, which are actively irradiated are then irradiated with an adapted, in particular increased irradiation power p, in order to remove the powdery layer areas underneath, which were spared from the irradiation, to melt.
  • an increased radiation power or power density also causes a deeper melt pool, which extends downwards, for example, over more than 5 layer thicknesses, and thus also reaches the loose powder areas.
  • irradiation parameters can of course be adjusted - either in the component area or in the area of the support structure.
  • the parameters mentioned can be, for example, the layer thickness L, a melt bath depth, a radiation power introduced, a laser wavelength, a so-called hatching distance of individual surface irradiation vectors, a beam offset, an irradiation speed, a beam focus, an irradiation angle or other parameters, such as the inert gas used for the irradiation or relate to other environmental conditions, such as an ambient pressure, or the like.
  • FIG. 4 shows a schematic flow diagram which indicates and summarizes method steps according to the invention.
  • the method described is a method for producing the supporting structure described, or specifying a corresponding irradiation strategy for it.
  • the method comprises a) providing the geometry for the component 10 with the region 10a to be supported.
  • the method further comprises, b), the provision of the support structure 11 for the region 10a of the component 10.
  • the method further comprises, c), determining the radiation pattern M for the irradiation of the powder layers Ln of a raw material P for the support structure 11, surface irradiation vectors Vh for an irradiation for a structure of the component 10 in the (lateral) area of the support structure 11 extend into it.
  • the mentioned vectors meet common area vectors for the component 10 and for the support structure 11.
  • the method further comprises, d), the selective irradiation of layers Ln for the component 10 and the intended Support structure 11 according to the specified irradiation pattern M, as described above.

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Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Stützstruktur in der additiven Herstellung eines Bauteils (10), umfassend: - a) Bereitstellen einer Geometrie für das Bauteil (10) mit einem zu stützenden Bereich (10a), - b) Vorsehen einer Stützstruktur (11) für den Bereich (10a) des Bauteils (10), - c) Festlegen eines Bestrahlungsmusters (M) für eine Bestrahlung von Schichten (Ln) eines Rohmaterials (P) für die Stützstruktur (11), wobei sich Flächenvektoren (Vh) für eine Bestrahlung für eine Struktur des Bauteils (10) in einen Bereich der Stützstruktur (11) erstrecken, wobei für das Bauteil (10) und für die Stützstruktur (11) gemeinsame Flächenvektoren (Vh) festgelegt werden, und - d) selektives Bestrahlen von Schichten (Ln) des Rohmaterials für das Bauteil (10) und die vorgesehene Stützstruktur (11) gemäß dem festgelegten Bestrahlungsmuster (M).

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINER STÜTZSTRUKTUR IN DER ADDITIVEN HERSTELLUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstel len einer Stützstruktur in der additiven Herstellung eines Bauteils bzw. eine neuartige Bestrahlungsstrategie für die Stützstruktur. Weiterhin werden ein entsprechendes Computer- programmprodukt, eine Vorrichtung und eine Steuerung angege ben.
Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz in einer Strö mungsmaschine, vorzugsweise im Heißgaspfad einer stationären Gasturbine für die Energieerzeugung vorgesehen. Das Bauteil besteht vorzugsweise aus einer Superlegierung, insbesondere einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung.
In Gasturbinen wird thermische Energie und/oder Strömungs- energie eines durch Verbrennung eines Brennstoffs, z.B. eines Gases, erzeugten Heißgases in kinetische Energie (Rotationse nergie) eines Rotors umgewandelt. Dazu ist in der Gasturbine ein Strömungskanal ausgebildet, in dessen axialer Richtung der Rotor bzw. eine Welle gelagert ist. Wird der Strömungska- nal von einem Heißgas durchströmt, werden die Laufschaufeln mit einer Kraft beaufschlagt, die in ein auf die Welle wir kendes Drehmoment umgewandelt wird, das den Turbinenrotor an treibt, wobei die Rotationsenergie z.B. zum Betrieb eines Ge nerators genutzt werden kann.
Moderne Gasturbinen sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um ihre Effizienz zu steigern. Dies führt allerdings unter ande rem zu immer höheren Temperaturen im Heißgaspfad. Die metal lischen Materialien für Laufschaufeln, insbesondere in den ersten Stufen, werden ständig hinsichtlich ihrer Festigkeit bei hohen Temperaturen, Kriechbelastung und thermomechani scher Ermüdung, verbessert. Alternativ kann das Bauteil ein anderes Bauteil sein, wie zum Beispiel ein Hochleistungsbauteil für Anwendungen in der Luftfahrt oder im Automobilsektor.
Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund ihres für die Industrie disruptiven Potenzials zunehmend interes sant auch für die Serienherstellung der beschriebenen Bau teile oder Komponenten.
Additive Herstellungsverfahren (englisch: „additive manufac- turing") umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder selektive Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Weitere ad ditive Verfahren sind beispielsweise „Directed Energy Deposi tion (DED) "-Verfahren, insbesondere Laserauftragschweißen, Elektronenstrahl-, oder Plasma-Pulverschweißen, Drahtschwei ßen, metallischer Pulverspritzguss, sogenannte „sheet lamina- tion"-Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS, GDCS).
Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispiels weise bekannt aus EP 2 601 006 Bl.
Additive Fertigungsverfahren haben sich weiterhin als beson ders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bau teile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstruk turen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei („Computer-Aided-Design") und ggf. der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann.
Ein Computerprogrammprodukt - wie vorliegend beschrieben - kann beispielsweise als (flüchtiges oder nicht-flüchtiges) Speichermedium, wie z.B. eine Speicherkarte, ein USB-Stick, eine CD-ROM oder DVD, oder auch in Form einer herunterladba ren Datei von einem Server und/oder in einem Netzwerk bereitgestellt oder umfasst werden. Die Bereitstellung kann weiterhin zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikations netzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt erfolgen. Ein Computerprogramm produkt kann Programmcode, Maschinencode bzw. numerische Steuerungsanweisungen, wie G-Code und/oder andere ausführbare Programmanweisungen im Allgemeinen beinhalten.
Die Anwendung neuartiger additiver Fertigungstechnologie, wie beispielsweise selektivem Laserschmelzen oder „Laser powder bed fusion" erfordert bei einer vorteilhaft großen Freiheit im Design der erzielbaren Bauteile teilweise die Verwendung von sogenannten Stützstrukturen. Diese werden nötig, sobald ein zu stützender Bereich oder ein kritischer Überhangwinkel eines Abschnitts des Bauteils von, beispielsweise 40° zur Oberfläche einer Bauplattform, unterschritten wird. Weiterhin können Stützstrukturen auch zu mechanischer Stützung oder Fi xierung eines Bauteils im Bauraum während des Bauprozesses erforderlich sein, um nicht nur ein bestimmtes Aufbauergebnis zu realisieren, sondern auch das mechanische Ablösen („Ab riss") des Bauteils von der Bauplattform zu verhindern. Dies kann insbesondere bei großen Bauteilen und starken mechani schen oder thermo-mechanischen Verspannungen der aufgebauten Struktur Vorkommen. Solche Spannungen treten weiterhin vor nehmlich in vertikaler Richtung, d.h. entlang einer Aufbau richtung der Struktur auf.
Das Aufkommen von starken (thermischen) Spannungen kann ins besondere zu mechanischem Verzug des Bauteils oder seiner aufgebauten Struktur führen, was - im Extremfall - zum Ab bruch des Herstellungsprozesses führen kann, insbesondere wenn ein sich aufbiegender oder abgerissener Bereich des Bau teils mit einer Beschichtungseinrichtung zum Verteilen einer neuen Pulverlage kollidiert. Wenn beispielsweise - ausgehend von Berechnungen und/oder einer Simulation - davon auszugehen ist, dass derart starke Spannungen oder Verformungen auftre- ten, welche einen Abriss oder einen Abbruch des Herstellungs verfahrens zur Folge haben, können sogenannte „Volumensupports" oder Volumenstützstrukturen herangezogen werden. Problematisch kann hier dennoch sein, dass selbst solche festen, rigiden Stützstrukturen eine ausreichende An bindung der Bauteilgeometrie an der Bauplattform nicht ver lässlich bewirken können. Dies ist bedingt durch konventio nelle Bestrahlungstechniken, welche für das Bauteil und ent sprechende Stützstrukturen normalerweise gewählt werden müs sen. Insbesondere sind diese Bestrahlungsstrategien und die damit verbundene lokal eingebrachte Wärme bzw. entsprechende Abkühlraten nachteilhaft für das Strukturergebnis des Bau teils und provozieren thermische und/oder thermo-mechanische Spannungen .
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, mit der eine verbesserte Bestrahlung, insbesondere für die genannten Stützstrukturen, bzw. ein verbessertes Wär memanagement erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Pa tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Ge genstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Stützstruktur in der additiven, insbe sondere schichtweisen, Herstellung eines Bauteils, beispiels weise pulverbettbasiert durch selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen .
Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Geometrie für das Bauteil mit einem zu stützenden Bereich, beispielsweise einem Überhang. Üblicherweise wird die Geometrie über eine CAD-Datei (digital) bereitgestellt.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Vorsehen einer Stütz struktur für den zu stützenden Bereich des Bauteils, insbe sondere zu dessen mechanischer Stützung. Neben der mechanisch stützenden Wirkung, haben zumindest einen Überhang unterstüt zende Stützstrukturen auch die Wirkung, dass ein Wärmeaustrag deutlich effizienter oder - im Gegensatz zu losem Pulver, welches sich unter einem überhängenden Strukturbereich befin det - überhaupt erst erfolgen kann.
In einer Ausgestaltung weist die Bauteilgeometrie Überhänge auf.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Festlegen eines Bestrah lungsmusters für eine Bestrahlung von Schichten eines Rohma terials, insbesondere Pulvers, für die Stützstruktur und/oder das Bauteil, wobei sich Flächen- bzw. Flächenbestrahlungsvek toren oder Schraffurvektoren (sogenanntes „hatching") für eine Bestrahlung von Schichten für eine Struktur des oder für das Bauteil in einem Bereich der Stützstruktur erstrecken o- der in diesen hinein verlängert werden.
Das Festlegen des Bestrahlungsmusters wie vorliegend be schrieben kann beispielsweise über CAM-Mittel („Computer aided Manufacturing") erfolgen.
Der Bereich der Stützstruktur, wie oben genannt, stellt vor zugsweise einen lateralen Bereich oder Flächenbereich der Stützstruktur, insbesondere schichtweise neben der eigentli chen Bauteilkontur, dar.
Die genannten Flächenbestrahlungsvektoren beschreiben vor zugsweise Bestrahlungstrajektorien für innenliegende Bereiche einer zu bestrahlenden Schicht. Demgegenüber werden für die additive Bauteilherstellung in dem beschriebenen Kontext üb licherweise sogenannte Konturbestrahlungsvektoren benötigt, insbesondere um eine Kontur des Bauteils mit der erforderli chen Struktur- oder Oberflächengüte zu realisieren.
Das Verfahren umfasst weiterhin das selektive Bestrahlen von Schichten des Rohmaterials für das Bauteil und die vorgese hene Stützstruktur gemäß dem festgelegten Bestrahlungsmuster. Das genannte Bestrahlen erfolgt zweckmäßigerweise pulverbettbasiert über SLM oder EBM mit einem Laser- oder Elektronenstrahl und einer entsprechenden Steuerung und/oder Optik.
Vorteilhafterweise kann durch die beschriebene Erstreckung der Flächenvektoren in den Bereich der Stützstruktur hinein erreicht werden, dass ein zeitlicher Versatz der Bestrahlung von Bauteilbereich auf der einen Seite und Bereich der Stütz struktur auf der anderen Seite minimiert werden kann. Dies bewirkt mit Vorteil eine verbesserte strukturelle Anbindung zwischen den beiden Bereichen und die Verminderung von ther mischen Spannungen und/oder Strukturdefekten, welche durch einen zu hohen oder zu niedrigen Energieeintrag und/oder große inhärente Temperaturgradienten entstehen können.
Eine solche Bestrahlungsstrategie für die Flächenbestrahlung von einzelnen Schichten in der additiven Herstellung ist durch konventionelle Mittel nicht abbildbar, da bei der Aus wahl einer Bestrahlungsstrategie für eine Stützstruktur bei spielsweise nicht in eine entsprechende Bestrahlung für das Bauteil eingegriffen werden kann, und umgekehrt. Die vorlie gende Erfindung bietet mit Vorteil die Möglichkeit, dass das Bauteil und ein entsprechender Volumensupport bei der Festle gung der erforderlichen Schraffurvektoren als ein und das selbe Bauteil ausgegeben und/oder bestrahlt werden kann.
In einer Ausgestaltung ist das additive Herstellungsverfahren ein pulverbett-basiertes Verfahren, beispielsweise selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen.
In einer Ausgestaltung schließt der zu stützenden Bereich bzw. eine Tangente oder Oberflächentangente dieses Bereichs einen Winkel von weniger als 40° zu einer Bauplattform bzw. deren Oberfläche ein. Gemäß dieser Ausgestaltung stellt der zu stützenden Bereich einen (verhältnismäßig stark) überhän genden Bereich des Bauteils dar, welcher beispielsweise wäh rend der additiven Herstellung mechanisch und/oder thermisch gestützt werden muss. Weiterhin handelte sich bei dieser beschriebenen Geometrie um einen Bereich, welcher sich beson ders als Ausgangspunkt für die Stützstruktur als Volumensup port eignet. Sofern der „Support" bzw. die Stützstruktur hier ansetzt, kann besonders zweckmäßig und vorteilhaft eine Sta bilisation der gesamten aufgebauten Struktur des Bauteils und/oder ein Abriss der Struktur von der Bauplattform auf grund eines besonders starken Spannungszustandes, verhindert werden.
In einer Ausgestaltung stellt die Stützstruktur - wie oben angedeutet - einen Volumensupport dar.
In einer Ausgestaltung sind der Volumensupport bzw. die Stützstruktur frei von Gittern bzw. Gitterwerk und/oder frei von Verzahnungen ausgestaltet. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders robuste und feste Stützung des zu stützenden Bereichs. Vorzugsweise ist die Stützstruktur gemäß dieser Ausgestaltung weiterhin aus Vollmaterial gebildet, welches lediglich geringfügige Porosität aufweisen kann.
In einer Ausgestaltung werden für das Bauteil und für die Stützstruktur gemeinsame Schraffurvektoren festgelegt. Eine Strategie zur Bestrahlung der Kontur des Bauteils unterschei det sich jedoch vorzugsweise von der Belichtung der Stütz struktur.
In einer Ausgestaltung wird die Bestrahlung für die Schichten der Stützstruktur frei von Konturvektoren durchgeführt. Diese Ausgestaltung ermöglicht vorteilhafterweise eine zeitlich ef fiziente Prozessdurchführung und die Entbehrung einer aufwen digen Konturbelichtung bei der Herstellung des „Supports". Es ist offensichtlich, dass insbesondere bei der Industrialisie rung additiver Fertigungsverfahren für die oben beschriebenen Komponenten, die erforderliche Prozesszeit zum Aufbau dersel ben eine wesentliche Einschränkung bedeutet, da der Aufbau großer Komponenten auf additivem Wege mehrere Tage bis hin zu Wochen in Anspruch nehmen kann. Obwohl Bestrahlungsgeschwin digkeiten ständig optimiert oder angepasst werden können, erfordert der Aufbau von vielen 1.000 bis hin zu mehreren 10.000 Schichten, beispielsweise einer Schichtdicke von 20 mpi bis 40 mpi, viele Millionen einzelner Bestrahlungspfade oder - vektoren für eine entsprechende Struktur.
In einer Ausgestaltung schließt ein Volumen des Bauteils ge mäß der bereitgestellten Geometrie mindestens 20% des Bau raums einer entsprechenden Herstellungsanlage oder Vorrich tung ein. Gemäß dieser Ausgestaltung stellt das Bauteil ein verhältnismäßig großvolumiges Bauteil dar, welches insbeson dere während der Herstellung dazu neigt, sich zumindest ab schnittsweise aufgrund von thermomechanischer Spannung von einer Bauplattform abzulösen.
In einer Ausgestaltung wird die Stützstruktur derart herge stellt, dass eine oder mehrere Schichten in einer Schichten folge des additiven Aufbaus ausgelassen werden. Beispiels weise können eine, zwei, drei, vier, fünf, zehn oder fünfzig Schichten entsprechend ausgelassen werden. Diese Umsetzung kann weiterhin vorteilhaft sein, um den Aufbau der Stütz struktur zeitlich effizienter durchzuführen und, gleichzei tig, eine ausreichende Stabilität bzw. Stützwirkung zu erzie len. Insbesondere wenn weitere Bestrahlungsparameter, wie eine Laserleistung, dann angepasst, insbesondere erhöht, wer den, lässt sich ein effizienterer Aufbau der Stützstrukturen erzielen, dessen mechanischer Stabilität dann gegenüber einer ordentlichen Bestrahlung jeder einzelnen Schicht kaum beein trächtigt ist.
In einer Ausgestaltung wird die Stützstruktur - im Gegensatz zu der Struktur des Bauteils - mit veränderten Bestrahlungs parametern, wie beispielsweise einer Bestrahlungsleistung o- der Bestrahlungsgeschwindigkeit, durchgeführt.
In einer Ausgestaltung werden die Schichten für die Stütz struktur mit einer erhöhten Bestrahlungsgeschwindigkeit durchgeführt. Dies erlaubt vorteilhafterweise ebenfalls einen zeiteffizienteren additiven Aufbauvorgang. In einer Ausgestaltung werden die Schichten für die Stütz struktur mit einer angepassten Bestrahlungsleistung, vorzugs weise einer erhöhten Bestrahlungsleistung im Zusammenhang mit der oben beschriebenen Ausgestaltung, in der eine Bestrahlung einzelner Schichten ausgelassen wird, bestrahlt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt, umfassend Be fehle, die bei der Ausführung eines entsprechenden Programms durch einen Computer, diesen veranlassen, mindestens die be schriebenen Schritte des Bereitstellens, des Vorsehens der Stützstruktur und des Festlegens des Bestrahlungsmusters durchzuführen .
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung, umfassend mindestens eine Bestrahlungseinrich tung, welche eingerichtet ist, Schichten für das Bauteil und die Stützstruktur gemäß dem festgelegten Bestrahlungsmuster zu bestrahlen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Steuerung, welche eingerichtet ist, eine Bestrahlungseinrich tung zum selektiven Bestrahlen von Schichten des Rohmaterials gemäß dem festgelegten Bestrahlungsmuster anzusteuern.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorlie gend auf das Verfahren bzw. das Computerprogramm beziehen, können ferner die Vorrichtung oder die Steuerung betreffen, oder umgekehrt.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder", wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
Figur 1 zeigt eine schematische Schnitt- oder Seitenansicht eines Bauteils während seiner additiven Herstellung aus einem Pulverbett.
Figur 2 zeigt im linken Teil der Abbildung eine schematische Schnitt- oder Seitenansicht einer Geometrie eines additiv herzustellenden Bauteils. Im rechten Teil sind zugehörig zu angedeuteten Querschnitten des additiven Aufbaus Bestrah lungsmuster für die Herstellung des Bauteils und/oder einer Stützstruktur angedeutet.
Figur 3 deutet schematisch eine beispielhafte Ausgestaltung einer Bestrahlungsstrategie für das Bauteil und die Stütz struktur an.
Figur 4 zeigt ein schematisches Flussdiagramm, andeutend er findungsgemäße Verfahrensschritte.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszei chen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Grö ßenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständ nis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
Figur 1 zeigt eine additive Herstellungsanlage bzw. Herstel lungsvorrichtung 100. Die Herstellungsanlage 100 ist vorzugs weise als LPBF-Anlage und für den additiven Aufbau von Bau teilen oder Komponenten aus einem Pulverbett ausgestaltet.
Die Anlage 100 kann im Speziellen auch eine Anlage zum Elekt ronenstrahlschmelzen betreffen. Demgemäß weist die Vorrich tung eine Bauplattform 1 auf. Auf der Bauplattform 1 wird ein additiv herzustellendes Bauteil 10' schichtweise aus einem Pulverbett hergestellt. Letzteres wird durch ein Pulver P ge bildet, welches durch eine Beschichtungseinrichtung 30 schichtweise auf der Bauplattform 1 verteilt werden kann.
Nach dem Aufträgen einer jeden Pulverschicht Ln (vergleiche Schichtdicke L) werden gemäß der vorgegebenen Geometrie des Bauteils 10' selektiv Bereiche der entsprechenden Schicht mit einem Energiestrahl 21, beispielsweise einem Laser oder Elektronenstrahl, von einer Bestrahlungseinrichtung 20 und/o der einer entsprechenden Steuerung (vgl. Bezugszeichen 50) aufgeschmolzen und anschließend verfestigt.
Nach jeder Schicht L wird die Bauplattform 1 vorzugsweise um ein der Schichtdicke L entsprechendes Maß abgesenkt (verglei che nach unten gerichtetem Pfeil in Figur 1). Die Schichtdi cke L beträgt üblicherweise lediglich zwischen 20 gm und 40 gm, so dass der gesamte Prozess leicht eine Bestrahlung einer Anzahl von 1.000 bis hin zu mehreren 10.000 Schichten erfor dern kann.
Dabei können durch den lediglich sehr lokal wirkenden Ener gieeintrag hohe Temperaturgradienten, von beispielsweise 106 K/s oder mehr auftreten. Dementsprechend groß ist selbstver ständlich während des Aufbaus und danach auch ein Verspan nungszustand des Bauteils 10', was die additiven Herstel lungsprozessen bzw. eine entsprechende Nachbearbeitung erheb lich verkompliziert.
Die Geometrie des Bauteils wird üblicherweise durch eine CAD- Datei bereitgestellt (vergleiche Figur 4 weiter unten).
Nach dem Einlesen einer solchen Datei in die Anlage 100 er fordert der Prozess üblicherweise zunächst die Festlegung ei ner geeigneten Bestrahlungsstrategie beispielsweise durch Mittel des CAM („Computer-Aided-Manufacturing"), wodurch nor malerweise auch ein Aufteilen der Bauteilgeometrie in die einzelnen Schichten Ln erfolgt. Die Herstellungskomplexität des Bauteils ist dabei üblicher weise nicht immer gleich. In Figur 1 ist beispielsweise eine Stützstruktur 11' dargestellt, welche einen überhängenden Be reich des Bauteils sowohl mechanisch als auch thermisch stüt zen muss. Solche überhängenden Bereiche sind insbesondere kritisch, da sich dort ein Schmelzbad (nicht explizit gekenn zeichnet), dessen Abmessung sich üblicherweise über mehrere, beispielweise 5 Schichtdicken, erstreckt, in einen losen Pul verbereich nach unten ausdehnt.
Die Figur 2 zeigt im linken Teil der Darstellung Teile eines additiv herzustellenden Bauteils 10, welches mit Mitteln der vorliegenden Erfindung aufgebaut bzw. mit einer Stützstruktur versehen wird. Mit anderen Worten erfolgt eine entsprechende Bestrahlung einer Stützstruktur für das Bauteil durch die vorliegende Erfindung.
Das Bauteil 10 weist einen zu stützenden Bereich 10a auf. Bei dem Bereich 10a kann es sich - wie dargestellt - um einen über die Bauplattform 1 teilweise hängenden Bereich handeln. Anders als dargestellt kann es sich jedoch auch um einen Be reich mit einer vertikalen oder nur schwach überhängenden Wand (sogenannter ,,inskin"-Bereich) handeln, welcher während des Aufbaus eine verstärkte mechanische Stützung erfordert, um beispielsweise einen „Abriss" der Komponente von der Bau plattform 1 zu vermeiden.
Um einen solchen Abriss konventionell zu verhindern, wird in Prozessvorbereitung üblicherweise ein so genannter Strahlver satz (englisch: „beam offset") angepasst oder vergrößert. Dadurch kann ein Volumen der Stützstruktur ebenfalls vergrö ßert werden und es kommt unter Umständen zu einer stärkeren Überlappung und Verschmelzen zwischen Schichten einer Stütz struktur und dem eigentlichen Bauteil. Diese Maßnahme hat un ter anderem jedoch den Nachteil, dass zusätzlich die zu be lichtende Fläche vergrößert wird, und somit mehr Material o- der Volumen erforderlich ist, und die Bau- oder Prozesszeit verlängert wird. Als Alternative dazu könnte man lediglich noch auf die „Ab bildung" des zu stützenden Bereichs verzichten, und in dem gesamten Volumen unter dem Überhang Vollmaterial aufbauen. Dadurch wird zwar eine sehr gute mechanische Anbindung er reicht; diese Strategie bedingt jedoch, dass für eine Pro zesseffizienz angepasste Prozessparameter nicht auf Stütz strukturen angewendet werden können.
Das Bauteil 10 stellt vorzugsweise ein kompliziert geformtes Bauteil aus einem Hochleistungsmaterialien dar, beispiels weise eine Komponente, welche thermisch hoch belastet wird und beispielsweise auch im Automobilsektor oder im Luftfahrt bereich eingesetzt wird.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Bauteil 10 um ein Bauteil des Heißgaspfades einer Strömungsmaschine, wie bei spielsweise einer stationären Gasturbine. In diesem Sinn kann das Bauteil eine Lauf- oder Leitschaufel, ein Ringsegment, ein Brennerteil oder eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, eine Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Resonator, einen Stem pel oder einen Wirbler bezeichnen, oder einen entsprechenden Übergang, Einsatz, oder ein entsprechendes Nachrüstteil.
Das Volumen des beschriebenen Bauteils 10 kann beispielsweise weiterhin mindestens 10%, 20%, 30% oder 40% des Bauraums ei ner entsprechenden Herstellungsvorrichtung 100 einnehmen.
In Figur 2 ist weiterhin ein Überhangwinkel eingezeichnet, welcher vorzugsweise weniger als 50°, besonders bevorzugt we niger als 40° relativ zu einer Oberfläche der Bauplattform 1 bzw. einer horizontalen, beträgt. In diesem Winkelbereich sind die erfindungsgemäßen Vorteile besonders deutlich. Je doch wirkt sich die vorgeschlagene Bestrahlungsstrategie für die zu stützenden Bereiche auch schon bei größeren Winkeln als den genannten bzw. weniger stark überhängenden Strukturen vorteilhaft aus. Der zu stützenden Bereich 10a wird vorliegend also mit einer Stützstruktur 11 versehen. Vorzugsweise handelt es sich bei der Stützstruktur um einen sogenannten „Volumensupport", ins besondere ohne Hohlräume, Gitterstrukturen oder Verzahnungen.
Es ist links in Figur 2 zu erkennen, dass die Stützstruktur 11 direkt am Übergang in die Bauplattform 1 strukturell nicht mit dem Bauteil 10 verbunden ist. Mit fortschreitendem Aufbau von Struktur entlang der vertikalen Aufbaurichtung z, konver gieren die Strukturen von Bauteil 10 und Stützstruktur 11 in dem gezeigten Beispiel bis zu einem Punkt entlang der Rich tung z, indem sie sich verbinden (vergleiche gestrichelte ho rizontale Linie). Ab diesem Punkt erstreckt sich vorliegend auch der Überhang des Bauteils gemäß seiner vorgegebenen Geo metrie.
Die gestrichelte Linie, welche den genannten Punkt andeutet, entspricht hier beispielsweise der dreißigsten aufgebauten Schicht L30. der Überhang des zu stützenden Bereich 11 er streckt sich in dem beschriebenen Beispiel weiterhin bis zu einer Schicht L60, welche beispielsweise der sechzigsten auf gebauten Schicht entspricht.
Rechts unten in Figur 2 ist eine Aufsicht auf eine Schicht ebene der aufgebauten Strukturen gemäß des Schnitts A-A der linken Darstellung gezeigt. Da die Struktur des Bauteils ge mäß einer vorgegebenen Geometrie zu diesem Zeitpunkt noch nicht stoffschlüssig mit der Stützstruktur verbunden ist, sind zwei separate Schichtquerschnitte bzw. -aufsichten auf diese angedeutet. Auch wenn es sich bei dem rechten Teil der Darstellung lediglich um eine schematische Andeutung einer Geometrie sowie ein entsprechendes Bestrahlungsmuster dafür handelt, sind die entsprechend gezeigten Schichten der Ein fachheit halber mit dem Bezugszeichen „10" für das Bauteil und „11" für die Stützstruktur gekennzeichnet. Links in der Schichtaufsicht sind Schraffurvektoren bzw. Flä chenbestrahlungsvektoren Vh für ein möglichst flächendecken des Bestrahlungs- oder Aufbauergebnis angedeutet. An einer Kontur der Schicht bzw. die Schraffurvektoren Vh einschlie ßend sind Konturbestrahlungsvektoren Vk eingezeichnet. Über eine entsprechende Konturbestrahlung soll - üblicherweise der Flächenbestrahlung noch nachgeschaltet - ein Randbereich der aufgebauten Bauteilstruktur hinsichtlich seiner Struktur und Oberfläche verbessert werden.
Rechts oben in Figur 2 ist eine Aufsicht auf eine Schicht ebene der aufgebauten Strukturen gemäß des Schnitts B - B der linken Darstellung gezeigt. Diese Darstellung entspricht ei ner erfindungsgemäßen Bestrahlungsvariante, gemäß der vorlie gend vorzugsweise die Stützstruktur 11 aufgebaut werden kann. Es ist zu erkennen (vergleiche auch Figur 4 weiter unten), dass die Flächenbestrahlungsvektoren für die Struktur des Bauteils bzw. ein entsprechendes Bestrahlungsmuster M derart festgelegt wurden, dass diese sich in einen Bereich des Stützstruktur (nach rechts) erstrecken bzw. in diesen hinein verlängert wurden bzw. gemeinsame Flächenbestrahlungsmuster bilden. Dadurch können die vorliegend beschriebenen erfin dungsgemäßen, technischen Vorteile erreicht werden.
Insbesondere wird die Stützstruktur 11 oben rechts in der Darstellung der Figur 2 zwar vorzugsweise im gleichen Pro zessschritt mit der entsprechend benachbarten Schicht für das Bauteil in der Fläche bestrahlt. Die Bestrahlung der Stütz struktur erfolgt jedoch vorzugsweise ohne jegliche Konturvek toren. Daher sind auch lediglich im linken Abschnitt der ge zeigten Aufsicht Konturbestrahlungsvektoren Vk eingezeichnet.
Die Figur 3 zeigt im linken Teil der Darstellung eine schema tische Aufsicht auf eine zu bestrahlende Schicht bzw. ein di gitales Modell derselben, welche zum Teil einen Bauteilbe reich (links) als auch einen Bereich der Stützstruktur 11 (rechts) einschließt. Insbesondere ist ein einziger Flächen bestrahlungsvektor als diagonaler Pfeil angedeutet. Weiterhin ist durch eine vertikale Linie ein Übergang zwischen dem Bau teil 10 und der Stützstruktur 11 angedeutet.
Es wird in Figur 3 insbesondere illustriert, dass die vorlie gende Erfindung beispielhaft vorschlägt, die Stützstruktur 11 - im Gegensatz zu der Struktur des Bauteils 10 - mit verän derten Bestrahlungsparametern zu Bestrahlen. Insbesondere können Schichten für die Stützstruktur 11 mit einer erhöhten Bestrahlungsgeschwindigkeit v bestrahlt werden. An unter schiedlichen Stellen des Flächenvektors Vh ist mit dem Be zugszeichen v jeweils für die entsprechende Stelle eine Be strahlungsgeschwindigkeit angedeutet. Es ist insbesondere zu erkennen, dass die Bestrahlungsgeschwindigkeit für die ent sprechende Flächenbestrahlung im Bereich des Bauteils links als auch im Bereich des Übergangs (in der Mitte) beispielhaft v = 600 mm/s betragen kann. Demgegenüber kann die Bestrah lungsgeschwindigkeit im Bereich der Stützstruktur dagegen er höht sein; wie dargestellt beispielsweise v = 800 mm/s.
Alternativ oder zusätzlich kann die Stützstruktur 11 derart hergestellt werden, dass eine oder mehrere Schichten Ln in einer Schichtenfolge lediglich für den Stützbereich ausgelas sen, beispielsweise im Bereich der Bauteilgeometrie aber re gelmäßig bestrahlt, werden. Gemäß dieser Ausgestaltung kann es vorteilhaft sein, dass diejenigen Schichten für den Aufbau der Stützstruktur 11, welche aktiv bestrahlt werden, dann mit einer angepassten, insbesondere erhöhten Bestrahlungsleistung p bestrahlt werden, um die darunterliegenden, pulverförmigen Schichtbereiche, welche von der Bestrahlung ausgespart wur den, aufzuschmelzen. Eine erhöhte Strahlungsleistung oder Leistungsdichte bewirkt bekanntlich auch ein tieferes Schmelzbad, welches sich beispielsweise über mehr als 5 Schichtdicken nach unten erstreckt, und erreicht damit auch die losen Pulverbereiche. Dadurch wird dann im Endeffekt die Formstabilität der Stützstruktur - quasi als massiges Vollma terial - gewährleistet. Im Rahmen dieser Strategie können selbstverständlich weitere Herstellungsparameter oder Bestrahlungsparameter - entweder im Bauteilbereich oder im Bereich der Stützstruktur - ange passt werden. Die genannten Parameter können beispielsweise die Schichtdicke L, eine Schmelzbadtiefe, eine eingebrachte Strahlungsleistung, eine Laserwellenlänge, ein sogenannter Schraffurabstand einzelner Flächenbestrahlungsvektoren, ein Strahlversatz, eine Bestrahlungsgeschwindigkeit, ein Strahl fokus, ein Bestrahlungswinkel oder weitere Parameter, wie beispielsweise das benutzte Inertgas für die Bestrahlung oder andere Umgebungsbedingungen, wie ein Umgebungsdruck, oder ähnliches betreffen.
Die Figur 4 zeigt ein schematisches Flussdiagramm, welches erfindungsgemäße Verfahrensschritte andeutet und zusammen fasst. Das beschriebene Verfahren ist ein Verfahren zum Her stellen der beschriebenen Stützstruktur, bzw. die Angabe ei ner entsprechenden Bestrahlungsstrategie dafür.
Das Verfahren umfasst, a), das Bereitstellen der Geometrie für das Bauteil 10 mit dem zu stützenden Bereich 10a.
Das Verfahren umfasst weiterhin, b), das Vorsehen der Stütz struktur 11 für den Bereich 10a des Bauteils 10.
Das Verfahren umfasst weiterhin, c), das Festlegen des Be strahlungsmusters M für die Bestrahlung der Pulverschichten Ln eines Rohmaterials P für die Stützstruktur 11, wobei sich Flächenbestrahlungsvektoren Vh für eine Bestrahlung für eine Struktur des Bauteils 10 in den (lateralen) Bereich der Stützstruktur 11 hinein erstrecken. Mit anderen Worten be treffen die genannten Vektoren, wie oben beschrieben, gemein same Flächenvektoren für das Bauteil 10 und für die Stütz struktur 11.
Das Verfahren umfasst weiterhin, d), das selektive Bestrahlen von Schichten Ln für das Bauteil 10 und die vorgesehene Stützstruktur 11 gemäß dem festgelegten Bestrahlungsmuster M, wie oben beschrieben.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer Stützstruktur in der ad ditiven Herstellung eines Bauteils (10), umfassend:
- a) Bereitstellen einer Geometrie für das Bauteil (10) mit einem zu stützenden Bereich (10a),
- b) Vorsehen einer Stützstruktur (11) für den Bereich (10a) des Bauteils (10),
- c) Festlegen eines Bestrahlungsmusters (M) für eine Be strahlung von Schichten (Ln) eines Rohmaterials (P) für die Stützstruktur (11), wobei sich Flächenvektoren (Vh) für eine Bestrahlung für eine Struktur des Bauteils (10) in ei nen Bereich der Stützstruktur (11) erstrecken, wobei für das Bauteil (10) und für die Stützstruktur (11) gemeinsame Flächenvektoren (Vh) festgelegt werden, und
- d) selektives Bestrahlen von Schichten (Ln) des Rohmateri als für das Bauteil (10) und die vorgesehene Stützstruktur (11) gemäß dem festgelegten Bestrahlungsmuster (M).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der zu stützenden Be reich (10a) oder eine Tangente dieses Bereichs einen Winkel von weniger als 40° zu einer Bauplattform (1) für die addi tive Herstellung einschließt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Stützstruk tur (11) ein sogenannter „Volumensupport" ist, welcher frei von Gittern oder Verzahnungen ist.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei eine Bestrahlung für die Schichten (Ln) der Stützstruktur (11) frei von Konturvektoren (Vk) durchgeführt wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die Stützstruktur (11) derart hergestellt wird, dass eine oder mehrere Schichten (Ln) in einer Schichtenfolge ausgelas sen werden.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die Stützstruktur (11) - im Gegensatz zu der Struktur des Bauteils (10) - mit veränderten Bestrahlungsparametern durch geführt werden.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die Schichten (Ln) für die Stützstruktur (11) mit einer erhöhten Bestrahlungsgeschwindigkeit (v) bestrahlt werden.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die Schichten (Ln) für die Stützstruktur (11) mit einer angepassten Bestrahlungsleistung (p) bestrahlt wird.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die Bauteilgeometrie Überhänge (10a) aufweist.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das additive Herstellungsverfahren ein pulverbett-ba- siertes Verfahren, beispielsweise selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen ist.
11. Computerprogrammprodukt (CPP), umfassend Befehle, die bei der Ausführung eines entsprechenden Programms durch einen Computer, diesen veranlassen, mindestens die Schritte a), b) und c) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzufüh ren.
12. Vorrichtung (100), umfassend mindestens eine Bestrah lungseinrichtung (20), welche eingerichtet ist, Schichten (Ln) für das Bauteil (10) und die Stützstruktur (11) gemäß dem in einem der vorhergehenden Ansprüche festgelegten Be strahlungsmuster (M) zu bestrahlen.
13. Steuerung (50), welche eingerichtet ist, eine Bestrah lungseinrichtung (20) zum selektiven Bestrahlen von Schichten (Ln) eines Rohmaterials gemäß dem in einem der vorhergehenden
Ansprüche festgelegten Bestrahlungsmuster (M) (10), anzusteu- ern.
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