EP4189503A1

EP4189503A1 - Verfahren zum ermitteln von einzelvektoren zur steuerung und/oder regelung wenigstens eines energiestrahls einer schichtbauvorrichtung und schichtbauvorrichtung

Info

Publication number: EP4189503A1
Application number: EP21749766.8A
Authority: EP
Inventors: Sebastian Rott; Katrin Friedberger; Alexander Ladewig; Christian Liebl; Steffen Schlothauer; Johannes Casper; Jonas WEICH
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2021-07-22
Publication date: 2023-06-07
Also published as: DE102020209470A1; WO2022022774A1; US20230271257A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Einzelvektoren zur Steuerung und/oder Regelung wenigstens eines Energiestrahls einer Schichtbauvorrichtung, umfassend zumindest die Schritte a) Bereitstellen von Schichtdaten, welche wenigstens eine additiv herzustellende Bauteil Schicht eines Bauteils charakterisieren, b) anhand der Schichtdaten Ermitteln von Einzelvektoren, gemäß welchen wenigstens ein Energiestrahl (28) relativ zu einer Aufbau- und Fügezone (II) der Schichtbauvorrichtung (10) zu bewegen ist, um ein Werkstoffpulver selektiv zur Bauteilschicht zu verfestigen, c) Ermitteln wenigstens eines Knotenpunkts (40) mehrerer Einzelvektoren und d) Anpassen wenigstens einer Eigenschaft wenigstens eines Einzelvektors des wenigstens einen Knotenpunkts (40), wobei die wenigstens eine Eigenschaft ausgewählt wird aus einer Gruppe, die räumliche Orientierung, Bestrahlungsreihenfolge bezüglich wenigstens eines anderen Einzelvektors und Vektorlänge umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schichtbauvorrichtung (10) zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs (12) eines Bau- teils (14) durch ein additives Schichtbauverfahren.

Description

Verfahren zum Ermitteln von Einzelvektoren zur Steuerung und/oder Regelung wenigstens eines Energiestrahls einer Schichtbauvorrichtung und Schichtbauvorrichtung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Einzelvektoren zur Steuerung und/oder Regelung wenigstens eines Energiestrahls einer Schichtbauvorrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schichtbauvorrichtung zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogrammprodukt und ein compu terlesbares Speichermedium.

Additive Schichtbauverfahren bezeichnen Prozesse, bei denen anhand eines virtuellen Modells eines herzustellenden Bauteils oder Bauteilbereichs Geometriedaten ermittelt werden. Abhängig von der Geometrie des Modells wird eine Belichtungs- bzw. Bestrahlungsstrategie bestimmt, gemäß welcher die selektive Verfestigung eines Werkstoffs erfolgen soll. Beim Schichtbauver fahren wird dann der gewünschte Werkstoff schichtweise in Pulverform abgelagert, selektiv mit tels des wenigstens einen Energiestrahls abgetastet und verfestigt, um den gewünschten Bauteil bereich additiv aufzubauen. Verschiedene Bestrahlungsparameter wie beispielsweise die Ener giestrahlleistung und die Belichtungsgeschwindigkeit eines zum Verfestigen zu verwendenden Energiestrahls sind für die entstehende Gefügestruktur von Bedeutung. Zusätzlich ist auch die Anordnung von sogenannten Scanlinien von Bedeutung. Die Scanlinien, welche auch als Schmelzspuren oder als Belichtungsvektoren bezeichnet werden können, werden definiert durch Einzelvektoren, entlang welchen der wenigstens eine Energiestrahl den Werkstoff abtastet und aufschmilzt. Damit unterscheiden sich additive bzw. generative Herstellungsverfahren von kon ventionellen abtragenden oder urformenden Fertigungsmethoden. Beispiele für additive Herstel lungsverfahren sind generative Lasersinter- bzw. Laserschmelzverfahren, die beispielsweise zur Herstellung von Bauteilen für Strömungsmaschinen wie Flugtriebwerke verwendet werden kön nen. Beim selektiven Laserschmelzen werden dünne Pulver schichten des Werkstoffs oder der verwendeten Werkstoffe auf eine Bauplattform aufgebracht und mit Hilfe eines oder mehrerer Laserstrahlen lokal im Bereich einer Aufbau- und Fügezone aufgeschmolzen und verfestigt. An schließend wird die Bauplattform abgesenkt, eine weitere Pulverschicht aufgebracht und erneut lokal verfestigt. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis das fertige Bauteil bzw. der fertige Bauteilbereich erhalten wird. Das Bauteil kann anschließend bei Bedarf weiterbearbeitet oder ohne weitere Bearbeitungsschritte verwendet werden. Beim selektiven Lasersintern wird das Bauteil in ähnlicher Weise durch laserunterstütztes Sintern von pulverförmigen Werkstoffen hergestellt. Die Zufuhr der Energie erfolgt hierbei beispielsweise durch Laserstrahlen eines CO2- Lasers, Nd:YAG-Lasers, Yb-Faserlasers, Diodenlasers oder dergleichen. Ebenfalls bekannt sind Elektronenstrahlverfahren, bei welchen der Werkstoff durch einen oder mehrere Elektronen strahlen selektiv abgetastet und verfestigt wird.

Die Erstellung bzw. Vorbereitung der Modelle der herzustellenden Bauteile erfolgt meist durch ein CAD-Programm oder dergleichen. Die damit erstellten Geometriedaten werden anschließend durch einen sogenannten Slice-Prozess in Schichtdaten verarbeitet, welche nachfolgend der Schichtbauvorrichtung übergeben werden. Die verarbeiteten Daten umfassen im Wesentlichen Einzelvektoren (XY-Paare und/oder XY-Polylines), die durch die Schichtbauvorrichtung Schicht für Schicht abgearbeitet werden und unter anderem zur Steuerung und/oder Regelung des Ener giestrahls dienen.

Aufgrund der Datenvorbereitung durch CAD folgt die Orientierung der Einzelvektoren keiner geordneten Struktur. An Knotenpunkten dünnwandiger Strukturen, in denen sich drei oder mehr Einzelvektoren treffen bzw. überlappen kommt es häufig dazu, dass mehr Material als eigentlich nötig angebunden wird, wodurch diese Knotenpunkte massiver als die restliche Bauteilstruktur sind (Aufdickung). Insbesondere bei der Herstellung dünnwandiger Strukturen wie Wabendich tungen sind derartige Aufdickungen aber unerwünscht und führen zu ungleichmäßigen mechani schen Eigenschaften.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Herstellung von dünnwandigen Bau teilen oder Bauteilbereichen mit gleichmäßigeren mechanischen Eigenschaften zu ermöglichen. Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin ein Computerprogrammprodukt und ein compu terlesbares Speichermedium anzugeben, welche eine entsprechend verbesserte Steuerung und/oder Regelung einer Schichtbauvorrichtung ermöglichen.

Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentan spruchs 1, durch eine Schichtbauvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9, durch ein Computerprogrammprodukt gemäß Patentanspruch 12 sowie durch ein computerlesbares Speichermedium gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmä- ßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der je weils anderen Erfmdungsaspekte anzusehen sind.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Einzelvektoren zur Steuerung und/oder Regelung wenigstens eines Energiestrahls einer Schichtbauvorrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die Schritte a) Bereitstellen von Schichtdaten, welche wenigstens eine additiv herzustellende Bauteilschicht eines Bauteils charakterisieren, b) anhand der Schichtdaten Ermitteln von Einzelvektoren, gemäß welchen wenigstens ein Energie strahl relativ zu einer Aufbau- und Fügezone der Schichtbauvorrichtung zu bewegen ist, um ein Werkstoffpulver selektiv zur Bauteilschicht zu verfestigen, c) Ermitteln wenigstens eines Kno tenpunkts mehrerer Einzelvektoren und d) Anpassen wenigstens einer Eigenschaft wenigstens eines Einzelvektors des wenigstens einen Knotenpunkts, wobei die wenigstens eine Eigenschaft ausgewählt wird aus einer Gruppe, die räumliche Orientierung, Bestrahlungsreihenfolge bezüg lich wenigstens eines anderen Einzelvektors und Vektorlänge umfasst. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass von wenigstens einem Einzelvektor, der zusammen mit we nigstens zwei anderen Einzelvektoren einen Knotenpunkt bildet, wenigstens eine Eigenschaft verändert wird, wobei es sich bei der Eigenschaft um die räumliche Orientierung handeln kann, das heißt, dass Startkoordinaten und Endkoordinaten des Einzelvektors vertauscht werden (der Vektor A->B wird in seinen Gegenvektor B->A umgewandelt). Die Orientierung kann damit für jeden Einzelvektor so gewählt werden, dass die resultierende Oberflächenrauheit durch anba ckende Pulverpartikel der dünnwandigen Struktur vorteilhaft beeinflusst wird. Diese Oberflä chenrauheit ist beim Auskoppeln (Endkoordinaten) größer als beim Einkoppeln (Startkoordina ten), sodass beispielsweise bei der Verbindung von dünnwandigen Strukturen zu einem Träger die ausgekoppelte Seite im Träger enden sollte. Gleiches gilt bei der Anbindung dünnwandiger Strukturen an andere massivere Bauteil Strukturen. Alternativ oder zusätzlich kann es sich um die Bestrahlungsreihenfolge bezüglich wenigstens eines anderen Einzelvektors handeln („erst Vek tor A, dann Vektor B“ wird vertauscht in „erst Vektor B, dann Vektor A“), um die Vektorlänge (der Einzelvektor wird verlängert oder verkürzt) oder um eine beliebige Kombination hieraus. Hierdurch wird eine Aufdickung im Knotenpunkt vermieden oder zumindest stark verringert, wodurch insbesondere dünnwandige Bauteil Strukturen wesentlich exakter und mit gleichmäßige ren mechanischen Eigenschaften hergestellt werden können. Generell sind „ein/eine“ im Rah men dieser Offenbarung als unbestimmte Artikel zu lesen, also ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe immer auch als „mindestens ein/mindestens eine“. Umgekehrt können „ein/eine“ auch als „nur ein/nur eine“ verstanden werden.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass als Polygonzug vorliegende Einzelvektoren vor Schritt d) in Einzelvektoren aufgeteilt werden und/oder dass wenigstens zwei als Einzelvektoren vorlie gende Einzelvektoren nach Schritt d) zu einem offenen oder geschlossenen Polygonzug zusam mengefasst werden. Unter einem Polygonzug, der auch als „Polyline“ bezeichnet werden kann, wird eine durchgehende Linie verstanden, die aus mehreren Einzelvektoren besteht, die Linien segmente bilden. Hierdurch können Ein- und Auskoppelpunkte des Energiestrahls reduziert wer den, was ebenfalls die Herstellung dünnwandiger Strukturen verbessert. Eine Polylinie kann zu dem vorteilhaft als ein einzelnes Datenobjekt behandelt werden.

Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass eine Bestrahlungsreihenfolge wenigstens zweier Einzelvektoren entgegen einer vorbestimmten Strömungsrichtung eines Schutzgasstroms der Schichtbauvorrichtung eingestellt wird. Indem die Bestrahlungs- bzw. Belichtungsreihenfolge entgegen der Strömungsrichtung angeordnet wird, kann eine nachteilige Beeinflussung durch Prozessnebenprodukte vorteilhaft verhindert werden, was zu einer höheren Bauteilqualität und einem geringeren Nachbearbeitungsaufwand führt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Knoten punkt ein Split-Knotenpunkt oder ein Fusions-Knotenpunkt ist. Unter einem Split-Knotenpunkt wird ein Knotenpunkt verstanden, bei dem sich ein Einzelvektor in zwei oder mehr Einzelvekto ren verzweigt, während unter einem Fusions-Knotenpunkt ein Knotenpunkt verstanden wird, bei dem sich zwei oder mehr Einzelvektoren treffen und den Startpunkt eines einzelnen Einzelvek tors bilden. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anpassung des oder der Einzelvektoren eines Kno tenpunkts kann bei beiden Knotenpunkt- Varianten die Entstehung von Aufdickungen im Bereich des Treffpunkts der einzelnen Einzelvektoren zuverlässig verhindert werden.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass wenigstens ein Knotenpunkt durch Veränderung der Vek torlänge wenigstens eines Einzelvektors aufgelöst wird. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Länge wenigstens eines Einzelvektors derart verändert wird, dass dieser sich nicht mehr im Knotenpunkt mit anderen Einzelvektoren des Knotenpunkts trifft bzw. sein Start- oder End punkt nicht mehr unmittelbar an die Start- oder Endpunkte anderer Einzelvektoren angrenzt, sondern von diesen beabstandet ist. Dies stellt eine einfache Möglichkeit zur Vermeidung von Aufdickungen im Knotenpunkt dar. An Knotenpunkten überlagern sich Ein- und Auskoppel punkte des Energiestrahls, wodurch eine Aufdickung des Materials entsteht. Durch die Auflö sung des Knotenpunktes durch die Veränderung der Vektorlänge wird die Mehrfachbelichtung so angepasst, dass eine Anbindung der Einzelspuren ohne Anbindungsfehler bzw. Aufdickungen stattfindet. Insbesondere bei Dichtelementen mit Einlaufbereich und ähnlichen Bauteilen ist dies von Vorteil, da die Einlauffläche kleiner wird. Zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass der Kno tenpunkt noch in Verzweigungen unterteilt wird. Je nach Kategorie der Verzweigung (Split/Fusion) kann die Änderung der Vektorlänge am Knotenpunkt unterschiedlich angepasst werden.

Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass die Bestrahlungsreihenfolge mehrerer Einzelvekto ren in eine Aufbaurichtung sortiert wird und/oder dass die räumliche Orientierung mehrerer Ein zelvektoren in die gleiche Richtung eingestellt wird. Hierdurch kann eine geordnete Bestrahlung mit einem Minimum an Richtungsänderungen des Energiestrahls erreicht werden. Neben einer Beschleunigung des Herstellungsverfahrens werden damit auch eine verbesserte Gefüge Struktur und eine geringere Interaktion mit Prozessnebenprodukten sichergestellt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bestrahlungsreihen folge mehrerer Einzelvektoren derart sortiert und/oder orientiert wird, dass eine Sprunganzahl des Energiestrahls für die Bauteilschicht minimiert wird. Durch eine derartige Minimierung der Ein- und Auskopplungen können ebenfalls eine verbesserte Gefügestruktur und eine geringere Interaktion mit Prozessnebenprodukten sichergestellt werden.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die angepassten Einzelvektoren an eine Steuereinrichtung der Schichtbauvorrichtung übermittelt und zur Steuerung und/oder Regelung des wenigstens ei nen Energie Strahls der Schichtbauvorrichtung verwendet werden, um wenigstens eine Bauteil schicht additiv herzustellen. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die erfindungsgemäß angepassten Einzelvektoren gegebenenfalls zusammen mit weiteren Daten an eine Steuereinrich tung der Schichtbauvorrichtung übermittelt werden und im Rahmen eines Schichtbauverfahrens zur optimierten Herstellung eines oder mehrerer Bauteile verwendet werden, insbesondere von dünnwandigen Bauteilen einer Strömungsmaschine wie beispielsweise einem Dichtungselement einer Wabendichtstruktur. Dabei kann es grundsätzlich vorgesehen sein, dass die Steuereinrich- tung selbst die erfindungsgemäße Anpassung der Einzelvektoren durchführt. Vorzugsweise ist das Bauteil als Wabenstruktur für eine Wabendichtung ausgebildet. Eine solche Wabenstruktur kann in Alleinstellung oder in Kombination mit einem Dichtungsträger zur Abdichtung in Strö mungsmaschinen wie Gasturbinen bzw. Flugtriebwerken verwendet werden.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren. Die Schichtbauvorrichtung umfasst mindestens eine Pulverzuführung zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer bewegbaren Bauplatt form, mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls zum schichtweisen und lokalen Verfestigen des Werkstoffs durch selektives Abtasten und Auf schmelzen des Werkstoffs entlang von Scanlinien und eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrich tung ist dazu ausgebildet, die Pulverzuführung so zu steuern, dass diese mindestens eine Pulver schicht des Werkstoffs auf die Aufbau- und Fügezone der Bauplattform aufträgt, und die Bau plattform so zu steuern, dass diese schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke abgesenkt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, ange passte Einzelvektoren, die mittels eines Verfahrens gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ermittelt sind, zur Steuerung und/oder Regelung des wenigstens einen Energiestrahls zu verwenden, um wenigstens eine Bauteilschicht additiv herzustellen. Hierdurch können insbesondere dünnwandi ge Bauteilstrukturen wesentlich besser und präziser hergestellt werden, da bisher auftretende Aufdickungen an Knotenpunkten verhindert werden können. Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung des ersten Erfindungsaspekts.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt durchzuführen. Hierdurch ist die Steuereinrichtung nicht auf die Übermittlung von bereits erfindungsgemäß angepassten Einzelvektoren angewiesen, son dern kann die entsprechenden Optimierungen selbst vornehmen. Hierdurch können auch bereits vorhandene oder noch nicht optimierte Datensätze nachträglich im Sinne der Erfindung optimiert werden.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass diese als selektive Lasersinter- und/oder - Schmelzvorrichtung ausgebildet ist. Hierdurch können Bauteilbereiche und komplette Bauteile hergestellt werden, deren mechanischen Eigenschaften zumindest im Wesentlichen richtungsun- abhängig sind. Zur Erzeugung eines Laserstrahls als der Energiestrahl können beispielsweise CO2-Laser, Nd:YAG-Laser, Yb-Faserlaser, Diodenlaser oder dergleichen vorgesehen sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Elektronen- und/oder Laserstrahlen als je weilige Energie strahlen verwendet werden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch eine Recheneinrichtung diese da zu veranlassen, das Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung auszuführen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch eine Recheneinrichtung diese dazu veranlassen, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auszuführen. Die Recheneinrichtung kann ein eigenständiges Gerät sein, dass mit der Steuereinrichtung einer Schichtbauvorrichtung zum Datenaustausch gekoppelt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Recheneinrichtung Teil der Steuerenrichtung der Schichtbauvorrichtung sein. Auch eine verteilte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfah rens auf mehreren Recheneinrichtungen kann vorgesehen sein.

Die vorliegende Erfindung kann mit Hilfe eines Computerprogrammprodukts realisiert werden, das Programmmodul e umfasst, die von einem computerverwendbaren oder computerlesbaren Medium aus zugänglich sind und Programmcode speichern, der von oder in Verbindung mit ei nem oder mehreren Computern, Prozessoren oder Befehlsausführungssystemen einer Schicht bauvorrichtung verwendet wird. Für die Zwecke dieser Beschreibung kann ein computerver wendbares oder computerlesbares Medium jede Vorrichtung sein, die das Computerprogramm produkt zur Verwendung durch oder in Verbindung mit dem Befehlsausführungssystem oder der Schichtbauvorrichtung enthalten, speichern, kommunizieren, verbreiten oder transportieren kann. Das Medium kann ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infra rot- oder Halbleitersystem oder ein Ausbreitungsmedium an sich sein, da Signalträger nicht in der Definition des physischen, computerlesbaren Mediums enthalten sind. Dazu gehören ein Halbleiter- oder Festkörperspeicher, Magnetband, eine austauschbare Computerdiskette, ein Di rektzugriffsspeicher (RAM), ein Nur-Lese-Speicher (ROM), eine starre Magnetplatte und eine optische Platte wie ein Nur-Lese-Speicher (CD-ROM, DVD, Blue-Ray etc.), oder eine be schreibbare optische Platte (CD-R, DVD-R). Sowohl Prozessoren als auch Programmcode zur Implementierung der einzelnen Aspekte der Erfindung können zentralisiert oder verteilt werden (oder eine Kombination davon). Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figu renbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskom binationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figu ren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils ange gebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeug bar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Schichtbauvorrichtung;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung mehrerer nicht- sortierter und nicht-orientierter Einzelvektoren; Fig. 3 eine Prinzipdarstellung mehrerer orientierter Einzelvektoren;

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung mehrerer sortierter und orientierter Einzelvektoren;

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung eines verbreiterten Split-Knotenpunkts;

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung eines verbreiterten Fusion-Knotenpunkts;

Fig. 7 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Split-Knotenpunkts; und Fig. 8 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Fusion-Knotenpunkts. FIG. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Schichtbauvorrichtung 10. Die Schichtbau vorrichtung 10 dient zur additiven Herstellung eines Bauteils 14 durch ein additives Schichtbau verfahren. Die Schichtbauvorrichtung 10 umfasst mindestens eine Pulverzuführung 16 mit einem Pulverbehälter 18 und einem Beschichter 20. Die Pulverzuführung 16 dient zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs 22 auf eine Aufbau- und Fügezone II einer ge mäß Pfeil B bewegbaren Bauplattform 24. Hierzu wird der Beschichter 20 gemäß Pfeil III be wegt, um Werkstoff 22 aus dem Pulverbehälter 18 zur Aufbau- und Fügezone II zu transportie ren. Die Schichtbauvorrichtung 10 umfasst weiterhin mindestens eine Strahlungsquelle 26 zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls 28, beispielsweise in Form eines Laserstrahls, zum schichtweisen und lokalen Verfestigen des Werkstoffs 22, indem der Werkstoff 22 mit dem Energiestrahl 28 entlang von Scanlinien selektiv abgetastet und aufgeschmolzen wird. Zusätzlich ist eine Steuereinrichtung 30 vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, die Pulverzuführung 16 so zu steuern, dass diese mindestens eine Pulverschicht des Werkstoffs 22 auf die Aufbau- und Fü gezone II der Bauplattform 24 aufträgt und die Bauplattform 24 schichtweise um eine vordefi nierte Schichtdicke gemäß Pfeil B absenkt. Weiterhin umfasst die Schichtbauvorrichtung 10 eine grundsätzlich optionale optische Einrichtung 32, mittels welcher der Energiestrahl 28 über die Aufbau- und Fügezone II bewegt werden kann. Die Strahlungsquelle 26 und die Einrichtung 32 sind mit der Steuereinrichtung 30 zum Datenaustausch gekoppelt. Weiterhin umfasst die Schichtbauvorrichtung 10 eine ebenfalls grundsätzlich optionale Heizeinrichtung 34, mittels welcher das Pulverbett auf eine gewünschte Basistemperatur temperierbar ist. Die Heizeinrich tung 34 kann beispielsweise eine oder mehrere feststehende oder bewegliche Induktionsspule(n) umfassen. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Heizelemente, beispielsweise IR- Strahler oder dergleichen vorgesehen sein.

Die Steuereinrichtung 30 ist erfindungsgemäß dazu eingerichtet, die Strahlungsquelle 26 anzu steuern und dadurch den Energiestrahl 28 beim selektiven Abtasten entlang der Scanlinien zu bewegen. Die Scanlinien werden auf der Datenebene durch Einzelvektoren definiert, wie sie in Fig. 2 bis Fig. 8 mit Pfeilen dargestellt sind. Bei den Pfeilen markiert die Pfeilspitze jeweils die Endkoordinate des betreffenden Einzelvektors, während das gegenüberliegende Ende des Ein zelvektors die Startkoordinate markiert.

Mittels additiver Verfahren können Bauteile 14 schichtweise aufgebaut werden. Gerade in Be reichen der Gasturbinen- und Triebwerksindustrie findet das Verfahren des pulverbettbasierten Laserschmelzens (LPBF) Anwendung und wird für Halterungen und Dichtungselemente bereits in Serie verwendet. Die Herstellung von dünnwandigen Strukturen (z. B. Wabenstruktur) wird häufig durch einen eigenen Parametersatz realisiert. Die Vorbereitung der Geometriedaten bzw. des Bauteilmodells erfolgt hierbei meist durch ein CAD-Programm. Die vorbereiteten Geomet riedaten werden anschließend durch einen sogenannten Slice-Prozess in Schichtdaten zerlegt, welche nachfolgend der Schichtbauvorrichtung 10 bzw. der Steuereinrichtung 30 übergeben werden. Der verarbeitete Datensatz besteht im Wesentlichen aus Einzelvektoren (XY-Paare und/oder XY-Polylines bzw. -Polygonzüge), die durch die Schichtbauvorrichtung 10 Schicht für Schicht abgearbeitet werden, um die jeweiligen Bauteilschichten aufzubauen. Aufgrund der Da tenvorbereitung im CAD folgt die Orientierung der Vektoren und Polylines derzeit keiner ge ordneten Struktur. Zusätzlich ist die Belichtungsreihenfolge der Vektoren nicht sortiert, was zu ungewünschten Interaktionen mit Prozessnebenprodukten führen kann. Aus der durchgängigen Belichtung jedes Einzelvektors ergibt sich darüber hinaus eine Mehrfachbelichtung an Knoten punkten 40. Diese hat zur Folge, dass hier mehr Material als gewollt aufgeschmolzen und ange bunden wird und diese Kontenpunkte 40 massiver als die restliche dünnwandige Struktur sind. Dies wird in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellt. Fig. 5 zeigt dabei eine Prinzipdarstellung eines ver breiterten Split-Knotenpunkts 40, während Fig. 6 eine Prinzipdarstellung eines verbreiterten Fu sion-Knotenpunkts 40 zeigt. Unter einem Split-Knotenpunkt 40 wird ein Knotenpunkt 40 ver standen, bei dem sich ein Einzelvektor in zwei oder mehr Einzelvektoren verzweigt, während unter einem Fusions-Knotenpunkt 40 ein Knotenpunkt 40 verstanden wird, bei dem sich zwei oder mehr Einzelvektoren treffen, so dass ihre Endpunkte auf dem Startpunkt eines einzelnen Einzelvektors liegen.

Durch eine digitale Bearbeitung der Schichtdaten können die genannten Probleme nach Bedarf behoben und korrigiert werden. Hierzu existieren verschiedene Maßnahmen, die einzeln oder in beliebiger Kombination von einer Recheneinrichtung (nicht gezeigt) oder der Steuereinrichtung 30 der Schichtbauvorrichtung 10 durchgeführt werden können: a) Vorhandene XY-Polylines werden wieder in Einzelvektoren getrennt, sodass die Belich tungsreihenfolge und Orientierung gezielt angepasst werden kann; b) die Belichtungsorientierung der Einzelvektoren (Startkoordinaten zu Endkoordinaten) kann für jeden Einzelvektor so gewählt werden, dass die resultierende Oberflächenrauheit der hergestellten dünnwandigen Struktur positiv beeinflusst wird. Die Oberflächenrauheit wird in erster Linie durch anbackende Pulverpartikel an den Einzelspuren beeinflusst.

Die Oberflächenrauheit ist generell beim Auskoppeln (Endkoordinaten eines Einzelvek tors) größer als beim Einkoppeln (Startkoordinaten eines Einzelvektors), sodass bei spielsweise bei der Verbindung von dünnwandigen Strukturen zu einer dickwandigen Struktur die ausgekoppelte Seite an der dickwandigen Struktur enden sollte. Hierzu kön nen die Start- und Endkoordinaten des betreffenden Einzelvektors vertauscht werden. c) die Belichtungsreihenfolge wird entgegen einer Strömungsrichtung einer Schutzgas Strö mung der Schichtbauvorrichtung 10 geordnet, um eine Beeinflussung durch Prozess nebenprodukte zu unterbinden. Auch hierdurch können insbesondere dünnwandige Struk turen präziser und störungsfreier hergestellt werden. Fig. 2 zeigt zur Verdeutlichung eine Prinzipdarstellung mehrerer nicht- sortierter und nicht-orientierter Einzelvektoren, wäh rend Fig. 3 eine Prinzipdarstellung mehrerer in der Abbildung von links nach rechts ori entierter Einzelvektoren und Fig. 4 eine Prinzipdarstellung mehrerer in der Abbildung von unten nach oben sortierter und von links nach rechts orientierter Einzelvektoren zeigt. d) Bei Bedarf können die Einzelvektoren an gewissen Stellen oder vollständig wieder zu ei ner oder mehreren Polylinien zusammengefasst werden, unter der Bedingung, dass eine angepasste Belichtungsreihenfolge und -Orientierung nicht verändert wird. Hierdurch können Ein- und Auskoppelpunkte des Energiestrahls 28 vorteilhaft reduziert werden. e) Abschließend können durch Anpassung der Vektorlänge bestimmter Einzelvektoren Knotenpunkte 40 auf der Datenebene aufgelöst werden. An Knotenpunkten 40 überlagern sich Ein- und Auskoppelpunkte des Energiestrahls 28, wodurch in der Praxis eine Aufdi ckung des Materials entsteht (Fig. 5, Fig. 6). Durch die mathematische Auflösung des Knotenpunktes 40 wird die Mehrfachbelichtung so angepasst, dass in der Praxis ein Kno tenpunkt 40 gebildet wird, eine Anbindung der Einzelvektoren aber ohne Anbindungsfeh ler stattfindet. Insbesondere bei Dichtelementen mit Einlaufbereich ist dies von Vorteil, da die Einlauffläche kleiner wird. Beispielsweise kann damit ein Abplatzen von Finbe- schichtungen einer einlaufenden Laufschaufel einer Strömungsmaschine reduziert wer den. Fig. 7 zeigt hierzu eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Split- Knotenpunkts 40, während Fig. 8 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Fusi on-Knotenpunkts 40 darstellt. Man erkennt, dass durch die Verkürzung der Einzelvekto ren sich die jeweiligen Schmelzbäder im Knotenpunkt 40 ohne Ausbildung einer Auf di - ckung vereinigen, wodurch eine präzise und aufdickungsfreie dünnwandige Struktur er- zeugt wird. Die Knotenpunkte können hierbei in Verzweigungstypen unterteilt werden. Je nach Kategorie der Verzweigung (Split / Fusion) kann die Änderung der Vektorlänge bestimmter Einzelvektoren an einem Knotenpunkt 40 unterschiedlich gewählt bzw. ein gestellt werden. Beispielsweise ist in Fig. 7 die Vektorlänge der V-förmig verzweigen Einzelvektoren ausgehend vom Mittelpunkt P des Knotenpunkt 40 stärker verkürzt als die Vektorlänge des einzelnen Einzelvektors (Betrag (1) größer als Betrag (2)), da die Schmelzbäder der beiden verzweigten Einzelvektoren stärker miteinander überlappen als mit dem Schmelzbad des anderen Einzelvektors. Analog sind in Fig. 8 die Vektorlängen der V-förmig verzweigten Einzelvektoren bezüglich des Mittelpunkts P stärker verkürzt als die Vektorlänge des anderen Einzelvektors (Betrag (4) größer als Betrag (3)).

Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbe dingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen - beispielsweise aufgrund von Messfehlern, System- fehlem, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen - als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.

B ezugszeichenli ste :

10 S chi chtb auvorri chtung

14 Bauteil 16 Pulverzuführung

18 Pulverbehälter

20 Beschichter

22 Werkstoff

24 Bauplattform 26 Strahlungsquelle

28 Energiestrahl

30 Steuereinrichtung

32 Einrichtung

34 Heizeinrichtung 40 Knotenpunkt

P Mittelpunkt

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Ermitteln von Einzelvektoren zur Steuerung und/oder Regelung wenigstens eines Energiestrahls einer Schichtbauvorrichtung (10), umfassend zumindest folgende Schritte: a) Bereitstellen von Schichtdaten, welche wenigstens eine additiv herzustellende Bauteil schicht eines Bauteils (14) charakterisieren; b) anhand der Schichtdaten Ermitteln von Einzelvektoren, gemäß welchen ein Energie strahl (28) relativ zu einer Aufbau- und Fügezone (II) der Schichtbauvorrichtung (10) zu bewegen ist, um ein Werkstoffpulver selektiv zur Bauteil Schicht zu verfestigen; c) Ermitteln wenigstens eines Knotenpunkts (40) mehrerer Einzelvektoren; und d) Anpassen wenigstens einer Eigenschaft wenigstens eines Einzelvektors des wenigstens einen Knotenpunkts (40), wobei die wenigstens eine Eigenschaft ausgewählt wird aus ei ner Gruppe, die räumliche Orientierung, Bestrahlungsreihenfolge bezüglich wenigstens eines anderen Einzelvektors und Vektorlänge umfasst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Polygonzug vorliegende Einzelvektoren vor Schritt d) in Einzelvektoren aufgeteilt werden und/oder dass wenigstens zwei als Einzelvektoren vorliegende Einzelvektoren nach Schritt d) zu einem offenen oder geschlossenen Polygonzug zusammengefasst werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestrahlungsreihenfolge wenigstens zweier Einzelvektoren entgegen einer vorbestimmten Strömungsrichtung eines Schutzgas Stroms der Schichtbauvorrichtung (10) eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Knotenpunkt (40) ein Split-Knotenpunkt (40) oder ein Fusions-Knotenpunkt (40) ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Knotenpunkt (40) durch Veränderung der Vektorlänge wenigstens eines Einzel vektors aufgelöst wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungsreihenfolge mehrerer Einzelvektoren in eine Aufbaurichtung sortiert wird und/oder dass die räumliche Orientierung mehrerer Einzelvektoren in die gleiche Richtung ein gestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungsreihenfolge mehrerer Einzelvektoren derart sortiert und/oder orientiert wird, dass eine Sprunganzahl des Energiestrahls (28) für die Bauteilschicht minimiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die angepassten Einzelvektoren an eine Steuereinrichtung (30) der Schichtbauvorrichtung (10) übermittelt und zur Steuerung und/oder Regelung des wenigstens einen Energiestrahls (28) der Schichtbauvorrichtung (10) verwendet werden, um wenigstens eine Bauteilschicht additiv herzu stellen.

9. Schichtbauvorrichtung (10) zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs (12) eines Bauteils (14) durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend:

- mindestens eine Pulverzuführung (16) zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs (22) auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone (II) mindestens einer bewegbaren Bauplattform (24);

- mindestens eine Strahlungsquelle (26) zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls (28) zum schichtweisen und lokalen Verfestigen des Werkstoffs (22) durch selektives Abtasten und Aufschmelzen des Werkstoffs (22) entlang von Scanlinien; und

- eine Steuereinrichtung (30), welche dazu ausgebildet ist:

- die Pulverzuführung (16) so zu steuern, dass diese mindestens eine Pulverschicht des Werkstoffs (22) auf die Aufbau- und Fügezone (II) der Bauplattform (24) aufträgt; und - die Bauplattform (24) so zu steuern, dass diese schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke abgesenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (30) dazu eingerichtet ist, angepasste Einzelvektoren, die mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ermittelt sind, zur Steuerung und/oder Regelung des wenigstens einen Energie Strahls (28) zu verwenden, um wenigstens eine Bauteilschicht addi tiv herzustellen.

10. Schichtbauvorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (30) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.

11. Schichtbauvorrichtung (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese als selektive Lasersinter- und/oder -Schmelzvorrichtung ausgebildet ist.

12. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerpro grammprodukts durch eine Recheneinrichtung diese dazu veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.

13. Computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch eine Recheneinrichtung diese dazu veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aus zuführen.