EP4347158A1 - Additives herstellungsverfahren mit gepulster bestrahlung für bauteil mit definierter oberflächentextur - Google Patents

Additives herstellungsverfahren mit gepulster bestrahlung für bauteil mit definierter oberflächentextur

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EP4347158A1
EP4347158A1 EP22738442.7A EP22738442A EP4347158A1 EP 4347158 A1 EP4347158 A1 EP 4347158A1 EP 22738442 A EP22738442 A EP 22738442A EP 4347158 A1 EP4347158 A1 EP 4347158A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
irradiation
component
contour
path
additive manufacturing
Prior art date
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Pending
Application number
EP22738442.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ole Geisen
Timo HEITMANN
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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 EP4347158A1 publication Critical patent/EP4347158A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the component is preferably intended for use in the hot gas path of a gas turbine.
  • the component relates to a component to be cooled with a thin-walled or filigree design.
  • the component can be a component for use in automobiles or in the aviation sector.
  • High-performance machine components are the subject of constant improvement, in particular to increase their efficiency in use. In the case of heat engines, in particular gas turbines, however, this leads, among other things, to ever higher operating temperatures.
  • the metallic materials and component design of heavy-duty components such as turbine rotor blades are constantly being improved in terms of their strength, service life, creep resistance and thermomechanical fatigue.
  • additive manufacturing processes colloquially also referred to as 3D printing
  • powder bed processes such as selective laser melting (SLM) or laser sintering (SLS), or electro ron beam melting (EBM)
  • SLM selective laser melting
  • SLS laser sintering
  • EBM electro ron beam melting
  • Other additive methods are, for example, “Directed Energy Deposition (DED)” methods, in particular laser deposition welding, electron beam or plasma powder welding, wire welding, metallic powder injection molding, so-called “sheet lamination” methods, or thermal spraying methods (VPS LPPS, GDCS) .
  • DED Directed Energy Deposition
  • a method for selective laser melting with pulsed radiation is known, for example, from EP 3 542 927 A1.
  • Additive manufacturing methods have proven to be particularly advantageous for complex or filigree components, 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 be carried out largely on the basis of a corresponding CAD file (computer-aided design) and the selection of corresponding manufacturing parameters.
  • LPBF powder bed-based process
  • Laser Powder Bed Fusion advantageously enables the implementation of new geometries or concepts that reduce the manufacturing costs or reduce assembly and throughput times, optimize the manufacturing process and, for example, improve a thermo-mechanical design or durability of the components.
  • Components manufactured in a conventional way, for example by casting, are far behind the additive manufacturing route, for example in terms of their freedom of shape and also in relation to the required throughput time and the associated high costs and the manufacturing effort.
  • the powder bed process inherently creates high thermal stresses in the component structure.
  • radiation paths or vectors that are too short lead to severe overheating, which in turn leads to distortion of the structure.
  • Severe warping during the build process easily leads to structural detachments, thermal distortion, or geometric deviations outside of an allowable tolerance.
  • melt pool geometry Accelerating and decelerating the beam focus ("laser spot") along vectors to be rastered - according to a specified irradiation pattern - affects the melt pool size and makes imaging very small features, for example those with a dimension less than three times or twice a corresponding (conventional) melt pool diameter, often impossible.
  • One aspect of the present invention relates to a method for selectively irradiating a material layer, in particular a powder layer, in the additive manufacture of a component, comprising the provision of (layered) geometric data, comprising a contour of a component to be produced additively.
  • the “contour” can be an edge of a solid material area in the respective layer of the component to be irradiated or it can also be a thin-walled structure, such as a thin wall, which is only imaged via a single irradiation path ("single scan"). .
  • the method also includes the computer-aided, if necessary. computer-implemented definition or provision of an irradiation pattern for layers, in particular at least one, several or all layers, of the component, wherein the irradiation pattern in one layer comprises at least one contour irradiation path, irradiation of the contour irradiation path for forming a predefined surface texture or surface topography of the component by a (additional ) pulsed irradiation is superimposed in the layer in such a way that melting baths, which in the course of manufacturing the component from irradiation of the contour irradiation path and those that result from the pulsed irradiation, overlap.
  • Said overlap is particularly expedient for producing a (layered) cohesive component structure.
  • the “contour irradiation path” described should in the present case preferably relate to a contour area of the component that is to be irradiated once or multiple times (in parallel vectors). In technical jargon, such irradiations are often casually referred to as “contour paths”.
  • the defined surface texture is not or will not be mapped in the (CAD) geometric data of the component.
  • the contour irradiation path is irradiated continuously in the course of manufacturing the component.
  • the advantages of continuous irradiation i. H . greater process efficiency as well as greater structural stability of the contour.
  • the contour irradiation path is irradiated in a pulsed manner during the production of the component.
  • the advantages of pulsed irradiation can be utilized with regard to the formation of a particularly fine structure and/or the avoidance of excessive heat input into the contour.
  • the contour defines a thin-walled area of the component, such as a thin wall, a foil, a lamella or, for example, a bellows, with the contour irradiation path for structural imaging of the contour being irradiated along only one (single) contour irradiation vector.
  • this contour irradiation vector can then be defined in a pulsed and/or continuous manner and irradiated.
  • the pulsed irradiation takes place along contour irradiation vectors that are parallel to the contour irradiation path.
  • the component has regions of a solid structure, with the irradiation pattern for imaging this solid structure in the corresponding layer comprising surface irradiation vectors (so-called “hatches”).
  • melting baths that result from irradiation of the surface irradiation vectors and those that result from irradiation (along) the contour irradiation path are overlap-free or shifted without overlapping . According to this configuration, overlapping of melting baths from surface irradiation and those from contour irradiation can advantageously be prevented, which can adversely affect the surface topology, topography or dimensional accuracy of the component.
  • a coherent and thus dimensionally stable component structure can expediently be generated by this configuration.
  • a further aspect of the present invention relates to an additive manufacturing method, comprising the method for selective irradiation (as described), wherein the selective irradiation takes place by means of a laser or an electron beam, and the material layer is a powder layer.
  • the material layer consists of a nickel-based or cobalt-based superalloy.
  • the solution presented primarily relates to the use of high-performance materials that have special requirements for additive manufacturing or corresponding selective irradiation and according to the particular The quality and freedom of design of textured surfaces has so far represented a particular challenge.
  • the component is a component to be used in the hot gas path of a turbomachine.
  • a further aspect of the present invention relates to a component which can be produced or produced according to the solution presented and which also has surface features in at least one (spatial) dimension of less than twice or three times the (conventional) melting bath diameter that encompasses continuous irradiation.
  • said component can be provided with surface features which measure less than 200 ⁇ m in at least one dimension.
  • Another aspect of the present invention relates to a computer program or Computer program product, comprising instructions which, when the program is executed by a computer, for example for controlling the irradiation in an additive manufacturing system, cause the latter to carry out the selective irradiation in accordance with the irradiation pattern defined as described herein.
  • a CAD file or a computer program product can, for example, be used as a (volatile or non-volatile) storage or playback medium, e.g. B. 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 or are available.
  • the provision can also be made, for example, in a wireless communication network by transferring a corresponding file with the computer program product.
  • a computer program product can be program code, machine code or numeric Include control instructions, such as G-code and/or other executable program instructions in general.
  • the computer program product relates to manufacturing instructions according to which an additive manufacturing system is controlled, for example via CAM means (“Computer-Aided-Manufacturing”) by a corresponding computer program, for manufacturing the component.
  • CAM means Computer-Aided-Manufacturing
  • the computer program product can also have geometry data and/or design data in a data record or data format, such as a 3D format or included as CAD data or . include a program or program code for providing this data.
  • Configurations, features and / or advantages that are present on the method for irradiation or. Manufacturing related, can also directly or the component. concern the computer program product, and vice versa.
  • the term "and/or” or “or,” when used in a series of two or more items, means that each of the listed items may be used alone, or any combination of two or more of the listed items are used .
  • FIG. 1 uses a schematic sectional representation to indicate the basic principle of powder-bed-based additive manufacturing processes.
  • FIG. 2 uses a schematic plan view to indicate an irradiation pattern according to the present invention. Similar to FIG. 2, FIG. 3 indicates an alternative irradiation pattern for the production of a component according to the present invention.
  • FIG. 4 indicates an exemplary wavy surface texture according to the invention.
  • FIGS. 5 and 6 each also indicate an exemplary contour irradiation path according to the present invention.
  • FIG. 1 shows an additive manufacturing system 100 .
  • the production plant 100 is preferably designed as an LPBF plant and for the additive construction of parts or components from a powder bed.
  • the system 100 can in particular also relate to a system for electron beam melting.
  • the system has a construction platform 1 .
  • a component 10 to be produced additively is produced in layers from a powder bed on the construction platform 1 .
  • the latter is formed by a powder material 5 which, for example, can be distributed in layers on the construction platform 1 via a reciprocating piston 4 and then a coater 7 .
  • regions of the layer are selectively melted and then melted with an energy beam 6, for example a laser or electron beam, according to the predetermined geometry of the component 10 solidified .
  • an energy beam 6 for example a laser or electron beam
  • the energy beam 6 preferably originates from a beam source 2 and is scanned in a location-selective manner over each layer L using a scanner or a controller 3 .
  • the construction platform 1 is preferably lowered by an amount corresponding to the layer thickness (cf. downward-pointing arrow on the right in FIG. 1).
  • the thickness L is usually only between 20 pm and 40 pm, so the whole process can easily involve the selective irradiation of thousands to tens of thousands of layers.
  • High temperature gradients of, for example, 10 6 K/s or more can occur as a result of the only very locally acting energy input.
  • the component 10 can be a component of a turbomachine, for example a component for the hot gas path of a gas turbine.
  • the component can be a moving or guide vane, a ring segment, a combustion chamber or burner part, such as a burner tip, a skirt, a shield, a heat shield, a nozzle, a seal, a filter, an orifice or lance, a resonator, denote a stamp or a swirler, or a corresponding transition, insert, or a corresponding aftermarket part.
  • the geometry of the component is usually defined by a CAD file. After such a file has been read into the production system 100 or its control, the process then first requires the determination of a suitable irradiation strategy, for example by means of the CAM, which also results in a division of the component geometry into the individual layers. Accordingly, the ingly described measures according to the invention in the additive production of material layers can already be expressed by a computer program product C.
  • the computer program product C preferably includes instructions which, when a corresponding program or method is executed by a computer or the controller 3, cause the latter(s) to carry out the selective irradiation of the irradiation pattern M described here.
  • FIG. 2 shows a top view of a material layer (cf. layer extension in the x-y plane), a corresponding irradiation pattern M for selective irradiation of a contour K as part of a component area that is built up in layers according to the principle shown in FIG.
  • the contour K is essentially defined by a contour irradiation path P, which extends from top to bottom in FIG.
  • the path P is indicated by a solid line and, according to the invention, can be irradiated by continuous irradiation as well as pulsed, as indicated by the circularly spaced melt pools in FIG. 1 (not explicitly marked).
  • the contour K preferably defines a thin-walled region of the component 10 which can be imaged by only one contour irradiation vector Vk.
  • the achievable wall thickness of the final component structure is essentially defined by the dimensions of the melt bath. Alternatively, several (parallel) contour irradiations can be carried out.
  • the contour K is preferably also provided by geometry data.
  • the present method also includes the preferably computer-aided definition of the irradiation pattern M, which includes at least one contour irradiation path P in layers.
  • the contour irradiation path P is also overlaid by pulsed irradiation PI (on the left in the picture) and P2 (on the right in the picture) in such a way that melt baths, which are produced in the course of production of the component from an irradiation of the contour irradiation path and those that result from the pulsed irradiation Pl, P2 overlap.
  • a speaking overlap is identified in FIG. 2 with the reference character o.
  • the pulsed irradiation or pulsing PI takes place with a pulse spacing a and in the path direction with an offset b-relative to the pulses of the contour irradiation path.
  • the pulsed irradiation or pulsing P2 takes place analogously with a pulse spacing c and in the path direction with an offset d relative to the pulses of the contour irradiation path.
  • the offset d corresponds to an offset direction opposite to the offset c.
  • the pulsing PI as well as the pulsing P2 preferably continue to run parallel to the marked contour irradiation vector Vk of the path P .
  • the radiation pulses PI and P2 expediently connect melting baths of the contour irradiation path P .
  • the pulses P1 and P2 can superimpose a continuous melting bath of a (continuous) contour irradiation vector Vk in a touching manner.
  • the melting baths can of course vary depending on the pulsing and the irradiation path and can be changed by changing the beam energy.
  • FIG. 3 shows—similarly to FIG. 2—an irradiation pattern M—also containing a contour irradiation path P—for a component layer with a solid area.
  • the selective irradiation of such solid layers usually includes the definition of surface irradiation vectors Vf (see right).
  • contour irradiation path P of the contour K is again shown in FIG.
  • Melt pools that result from irradiation of the surface irradiation vectors Vf and those that result from irradiation of the contour irradiation path P preferably do not overlap, so that no structural distortions or topology differences of the component, in particular due to excessive heat input into the layer, are caused. Instead, there is preferably an intermediate space between the mentioned melting baths, which is closed by a further filling irradiation Pf for an ultimately coherent component structure.
  • FIG. 4 shows—also in a top view—a schematic wavy profile of a surface texture produced in the manner described.
  • the texture peaks or surface features identified by the reference numeral 11 preferably correspond to the pulsing PI according to FIGS.
  • the surface texture can have a corresponding zigzag course and can be designed in any way using the described solution for forming tailor-made functional surfaces.
  • the component can finally have the described surface features 11 on functional surfaces.
  • a single surface feature 11 or a corresponding oscillation length, dimension or period of a single zigzag course can preferably correspond to three times or twice a melting bath diameter Ds of a continuous irradiation, or even less.
  • one dimension of the described surface features 11 can be, for example, less than 300 ⁇ m, less than 200 ⁇ m or even less than 100 ⁇ m. Due to the difficulty described above of controlling the dimensions of the melting bath, such values have hitherto not been possible without the solution according to the invention.
  • FIGS. 5 and 6 each indicate an alternative embodiment of the solution according to the invention on the basis of schematic irradiation courses. While in the representations described above the melt baths dimensioned by the corresponding (pulsed) energy inputs were designed in the same way, the pulse parameters can also vary according to the invention. The corresponding expansion of the melt pool and the surface properties of the component structure can then also be checked in this way.
  • FIG. 5 shows a contoured irradiation path similar to FIGS.
  • Different pulse lengths P1 and P2 are used for the path P indicated here, it being possible for corresponding pulse parameters such as energy input, (spatial and/or temporal) pulse spacing and raster speed to vary.
  • the circularly indicated melting baths resulting from the pulsing PI are smaller than the elongated or elliptical melting baths which caused by the pulses P2.
  • FIG. 6 An embodiment similar to FIG. 5 is shown in FIG. 6, in which even three different pulses P1, P2 and P3 and correspondingly different pulse parameters and different melting bath dimensions can be used in order to tailor the surface features of the resulting component layer accordingly.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum selektiven Bestrahlen einer Materialschicht (L) in der additiven Herstellung eines Bauteils (10) angegeben. Das Verfahren umfasst das: - Bereitstellen von Geometriedaten (CAD), umfassend eine Kontur eines additiv herzustellenden Bauteils (10), das - rechnergestützte Definieren eines Bestrahlungsmusters (M) für Schichten des Bauteils (10), wobei das Bestrahlungsmuster (M) in einer Schicht (L) mindestens einen Konturbestrahlungspfad (P) umfasst, und wobei eine Bestrahlung des Konturbestrahlungspfads (P) zur Ausbildung einer vordefinierten Oberflächentextur (11) des Bauteils (10) durch eine gepulste Bestrahlung (P1, P2) in der Schicht überlagert wird derart, dass Schmelzbäder, welche im Wege der Herstellung des Bauteils aus einer Bestrahlung des Konturbestrahlungspfads und solche, die aus der gepulsten Bestrahlung (P1, P2) hervorgehen, überlappen. Weiterhin werden ein Additives Herstellungsverfahren, ein entsprechend hergestelltes Bauteil und ein entsprechendes Computerprogramprodukt angegeben.

Description

Beschreibung
Additives Herstellungsverfahren mit gepulster Bestrahlung für Bauteil mit definierter Oberflächentextur
Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Verfahren zum selektiven Bestrahlen einer Materialschicht in der additiven Herstellung eines Bauteils bzw . ein entsprechendes additives Herstellungsverfahren sowie ein auf diese Weise herstellbares Bauteil . Weiterhin wird ein der selektiven Bestrahlung entsprechendes Computerprogrammprodukt angegeben .
Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen . Beispielsweise betri f ft das Bauteil eine zu kühlende Komponente mit einem dünnwandigen oder filigranen Design . Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Bauteil um eine Komponente für den Einsatz in der Automobilität oder im Luf t f ahrtsektor handeln .
Hochleistungs-Maschinenkomponenten sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um insbesondere ihre Ef fi zienz im Einsatz zu steigern . Bei Wärmekraftmaschinen, insbesondere Gasturbinen, führt dies allerdings unter anderem zu immer höheren Einsatztemperaturen . Die metallischen Materialien und das Komponentendesign hochbelastbarer Bauteile , wie Turbinenlaufschaufel werden ständig hinsichtlich ihrer Festigkeit , Lebensdauer, Kriechbelastbarkeit und thermomechanischer Ermüdung, verbessert .
Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund technischer Weiterentwicklung zunehmend interessant auch für die Serienherstellung der oben genannten Bauteile , wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten .
Additive Herstellungsverfahren (AM : „additive manufacturing" ) , umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet , umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmel zen ( SLM) oder Lasersintern ( SLS ) , oder das Elekt- ronenstrahlschmelzen (EBM) . Weitere additive Verfahren sind beispielsweise „Directed Energy Deposition ( DED) "-Verfahren, insbesondere Laserauftragschweißen, Elektronenstrahl- , oder Plasma-Pulverschweißen, Drahtschweißen, metallischer Pulverspritzguss , sogenannte „sheet lamination"-Verf ahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS , GDCS ) .
Ein Verfahren zum selektiven Laserschmel zen mit gepulster Bestrahlung ist beispielsweise bekannt aus EP 3 542 927 Al .
Additive Fertigungsverfahren haben sich insbesondere als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile , beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen . Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft , da ein Herstellungsoder Fertigungsschritt eines Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei ( Computer-Aided-Design) und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann .
Die Herstellung von Gasturbinenschaufeln mittels der beschriebenen pulverbett-basierten Verfahren ( „LPBF" englisch für „Laser Powder Bed Fusion" ) ermöglicht vorteilhaft die Implementierung von neuen Geometrien oder Konzepten, welche die Herstellungskosten bzw . die Aufbau- und Durchlauf zeit reduzieren, den Herstellungsprozess optimieren und beispielsweise eine thermo-mechanische Auslegung oder Strapazierf ähigkeit der Komponenten verbessern können .
Auf konventionelle Art , beispielsweise gusstechnisch, hergestellte Komponenten stehen der additiven Fertigungsroute , beispielsweise hinsichtlich ihrer Formgebungs freiheit und auch in Bezug auf die erforderliche Durchlauf zeit und den damit verbundenen hohen Kosten sowie dem fertigungstechnischen Aufwand, deutlich nach .
Durch den Pulverbettprozess entstehen in der Bauteilstruktur inhärent j edoch hohe thermische Spannungen . Insbesondere füh- ren zu kurz bemessene Bestrahlungswege oder -Vektoren zu starken Überhitzungen, die wiederum zum Verzug der Struktur führen . Ein starker Verzug während des Aufbauprozesses führt leicht zu strukturellen Ablösungen, thermischen Verformungen oder geometrischen Abweichungen außerhalb einer zulässigen Toleranz .
Insbesondere örtlich hoch auf zulösende , komplexe Oberflächen sind mittels AM, insbesondere LPBF, fertigbar, aber schwer oder gar nicht durch rechnerunterstützte Konstruktion ( in CAD) zu modellieren . Selbst wenn eine solche CAD-Modellierung gelänge , wäre ein entsprechender datentechnischer Aufwand übergebührend hoch und nicht praktikabel .
Übliche Bauteildimensionen liegen häufig bei mehreren hundert Millimetern; die genannten komplexen Oberflächenmerkmale sind hingegen in Größenordnungen unterhalb von 200 pm erforderlich . Der begrenzende Faktor solcher „Oberflächenfeatures" ist die Schmel zbadgeometrie . Das Beschleunigen und Abbremsen des Strahl fokus ( „laser spot" ) entlang - gemäß einem festgelegten Bestrahlungsmuster - zu rasternden Vektoren beeinflusst die Schmel zbadgröße und macht das Abbilden sehr kleiner Merkmale , beispielsweise solchen mit einer Abmessung von weniger als dem Drei fachen oder dem Doppelten eines entsprechenden ( konventionellen) Schmel zbaddurchmesser, oft unmöglich .
Weiterhin wird die Abbildung von maßgeschneiderten Oberflächenmerkmalen oder einer vorbestimmten Oberflächentextur dadurch erschwert , dass sich das Schmel zbad im Pulverbett inhärent ausdehnt bzw . benachbarte Pulverpartikel in dieses „hineinzieht" .
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die beschriebene Problematik zu lösen und insbesondere ein Mittel anzugeben, mit dem eine fein aufgelöste Oberflächentextur bei additiv hergestellten Bauteilen realisiert werden kann . Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche .
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betri f ft ein Verfahren zum selektiven Bestrahlen einer Materialschicht , insbesondere Pulverschicht , in der additiven Herstellung eines Bauteils umfassend das Bereitstellen von ( schichtweisen) Geometriedaten, umfassend eine Kontur eines additiv herzustellenden Bauteils .
Bei der „Kontur" kann es sich um einen Rand eines Vollmaterialbereichs in der j eweiligen zu bestrahlenden Schicht des Bauteils oder auch um eine dünnwandige Struktur, wie eine dünne Wand, handeln, die nur über einen einzigen Bestrahlungsweg abgebildet wird ( „single scan" ) .
Das Verfahren umfasst weiterhin das rechnergestützte , ggf . computerimplementierte Definieren oder Bereitstellen eines Bestrahlungsmusters für Schichten, insbesondere mindestens eine , mehrere oder alle Schichten, des Bauteils , wobei das Bestrahlungsmuster in einer Schicht mindestens einen Konturbestrahlungspfad umfasst , wobei eine Bestrahlung des Konturbestrahlungspfades zur Ausbildung einer vordefinierten Oberflächentextur oder Oberflächentopographie des Bauteils durch eine (weitere ) gepulste Bestrahlung in der Schicht überlagert wird derart , dass Schmel zbäder, welche im Wege der Herstellung des Bauteils aus einer Bestrahlung des Konturbestrahlungspfades und solche , die aus der gepulsten Bestrahlung hervorgehen, überlappen .
Der genannte Überlapp ist insbesondere zweckmäßig zur Herstellung einer ( schichtweise ) zusammenhängenden Bauteilstruktur .
Bei der genannten Überlagerung der Bestrahlungen, Bestrahlungspfade oder -vektoren kommt es in erster Linie auf einen räumlichen Überlapp der Bestrahlungsvektoren bzw . der daraus resultierenden Schmel zbäder an, wobei die Bestrahlungen aber auch zeitlich zusammenfallen können .
Der beschriebene „Konturbestrahlungspfad" soll vorliegend vorzugsweise einen einfach oder mehrfach ( in parallelen Vektoren) zu bestrahlenden Konturbereich des Bauteils betref fen . Im Fachj argon werden solche Bestrahlungen häufig salopp als „Konturf ährten" bezeichnet .
Die beschriebene Lösung zeichnet sich vorteilhafterweise dadurch aus , dass es überhaupt erst ermöglicht wird, komplexe , funktionale und/oder räumlich hochaufgelöste Oberflächenmerkmale oder -texturen bei additiv herzustellenden Bauteilen zu ermöglichen . Dies erlaubt wiederum erst die Realisierung von maßgeschneiderten Oberflächen, beispielsweise zur Abbildung funktionaler Kühlstrukturen mit einer vergrößerten Oberfläche , oder hinsichtlich der Beeinflussung von fluidischen Oberflächeneigenschaften von z . B . Turbulator- oder Wirbler- Komponenten .
Weiterhin werden Mittel geschaf fen, Oberflächen für Fügeoder Beschichtungsanwendungen maß zuschneidern oder ästhetische , holographische und/oder optische Oberflächeneigenschaften zu realisieren . Noch weiterhin lässt sich eine Ausnutzung solcher Oberflächeneigenschaften in additiv hergestellten sensorischen Bauteilen ausnutzen, beispielsweise hinsichtlich der Anbindungs- oder Resorptionseigenschaften für biologisches Zellwachstum oder Ähnliches .
In einer Ausgestaltung ist oder wird die definierte Oberflächentextur nicht in den ( CAD) Geometriedaten des Bauteils abgebildet .
In einer Ausgestaltung wird der Konturbestrahlungspfad im Wege der Herstellung des Bauteils kontinuierlich bestrahlt . Gemäß dieser Ausgestaltung können die Vorteile einer kontinuierlichen Bestrahlung, d . h . einer größeren Prozessef fi zienz als auch einer größeren strukturellen Stabilität der Kontur ausgenutzt werden .
In einer Ausgestaltung wird der Konturbestrahlungspfad im Wege der Herstellung des Bauteils gepulst bestrahlt . Gemäß dieser Ausgestaltung können hingegen die Vorteile einer gepulsten Bestrahlung, hinsichtlich der Bildung einer besonders feinen Struktur und/oder der Vermeidung von zu großen Wärmeeinträgen in die Kontur ausgenutzt werden .
In einer Ausgestaltung definiert die Kontur einen dünnwandigen Bereich des Bauteils , wie eine dünne Wand, eine Folie , eine Lamelle oder beispielsweise einen Faltenbalg, wobei der Konturbestrahlungspfad zur strukturellen Abbildung der Kontur entlang nur eines ( einzigen) Konturbestrahlungsvektors bestrahlt wird . Dieser Konturbestrahlungsvektor kann dann gemäß der vorliegenden Erfindung aber gepulst und/oder kontinuierlich durchgehend definiert sein, und bestrahlt werden .
In einer Ausgestaltung weist die durch eine Bestrahlung entlang des Bestrahlungsmusters - im Wege der Herstellung des Bauteils - hervorgerufene Oberflächentextur eine regelmäßige Welligkeit , beispielsweise gemäß einer Gestaltsabweichung zweiter Ordnung, auf . Durch die beschriebene Fälligkeit kann die entsprechend texturierte Oberfläche vorteilhafterweise maßgeschneidert an die oben beschriebenen Erfordernisse der Oberfläche angepasst werden .
Gleiches gilt für eine weitere Ausgestaltung, gemäß der die durch die Bestrahlung entlang des Bestrahlungsmusters hervorgerufene Oberflächentextur einen ( regelmäßigen oder unregelmäßigen) Zick-Zack-Verlauf aufweist .
In einer Ausgestaltung erfolgt die gepulste Bestrahlung entlang von zu dem Konturbestrahlungspfad parallelen Konturbestrahlungsvektoren . In einer Ausgestaltung weist das Bauteil Bereiche einer Vollkörperstruktur auf , wobei das Bestrahlungsmuster für die Abbildung dieser Vollkörperstruktur in der entsprechenden Schicht Flächenbestrahlungsvektoren ( sogenannte „hatches" ) umfasst .
In einer Ausgestaltung sind Schmel zbäder, welche aus einer Bestrahlung der Flächenbestrahlungsvektoren und solche , die aus der Bestrahlung ( entlang) des Konturbestrahlungspfades hervorgehen, überlappfrei bzw . überlappfrei versetzt . Gemäß dieser Ausgestaltung kann mit Vorteil eine Überlagerung von Schmel zbädern der Flächenbestrahlung und solchen, der Konturbestrahlung verhindert werden, welche die Oberflächentopologie , Topographie oder Maßhaltigkeit des Bauteils beeinträchtigen kann .
In einer Ausgestaltung wird ein Zwischenraum zwischen ( zusammenhängenden) Schmel zbädern aus der Flächenbestrahlung, d . h . der Bestrahlung der Flächenbestrahlungsvektoren, und Schmel zbädern aus der Konturbestrahlung (Bestrahlung der Konturbestrahlungspfade ) für eine zusammenhängende Bauteilstruktur durch eine weitere , füllende Bestrahlung bzw . durch diese hervorgerufene Schmel zbäder geschlossen . Durch diese Ausgestaltung kann zweckmäßigerweise eine zusammenhängende und damit formstabile Bauteilstruktur generiert werden .
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betri f ft ein additives Herstellungsverfahren, umfassend das Verfahren zur selektiven Bestrahlung (wie beschrieben) , wobei das selektive Bestrahlen mittels eines Lasers oder eines Elektronenstrahls erfolgt , und die Materialschicht eine Pulverschicht ist .
In einer Ausgestaltung besteht die Materialschicht aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung . Gemäß dieser Ausgestaltung betri f ft die vorgestellte Lösung in erster Linie eine Anwendung von Hochleistungsmaterialien, die besondere Anforderungen an die additive Herstellung bzw . entsprechende selektive Bestrahlung stellt und gemäß der insbesonde- re die Güte und Gestaltungs freiheit von texturierten Oberflächen bislang eine besondere Heraus forderung darstellt .
In einer Ausgestaltung ist das Bauteil eine im Heißgaspfad einer Strömungsmaschine anzuwendende Komponente .
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betri f ft ein Bauteil , welches gemäß der vorgestellten Lösung herstellbar oder hergestellt ist und welches weiterhin Oberflächenmerkmale in mindestens einer ( räumlichen) Dimension von weniger als dem Doppelten bzw . dem Drei fachen eines ( konventionellen) Schmel zbaddurchmesser das einer kontinuierlichen Bestrahlung umfasst .
Alternativ oder zusätzlich kann das besagte Bauteil gemäß der beschriebenen Lösung mit Oberflächenmerkmalen versehen werden, die in mindestens einer Dimension weniger als 200 pm messen .
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betri f ft ein Computerprogramm bzw . Computerprogrammprodukt , umfassend Befehle , die bei der Aus führung des Programms durch einen Computer, beispielsweise zur Steuerung der Bestrahlung in einer additiven Herstellungsanlage , diesen veranlassen, die selektive Bestrahlung gemäß dem wie vorliegend beschrieben definierten Bestrahlungsmuster durchzuführen .
Eine CAD-Datei oder ein Computerprogrammprodukt , kann beispielsweise als ( flüchtiges oder nicht- flüchtiges ) Speicheroder Wiedergabemedium, wie z . B . eine Speicherkarte , ein USB- Stick, eine CD-ROM oder DVD, oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server und/oder in einem Netzwerk bereitgestellt werden oder vorliegen . Die Bereitstellung kann weiterhin zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt erfolgen . Ein Computerprogrammprodukt kann Programmcode , Maschinencode bzw . numerische Steuerungsanweisungen, wie G-code und/oder andere aus führbare Programmanweisungen im Allgemeinen beinhalten .
In einer Ausgestaltung betri f ft das Computerprogrammprodukt Herstellungsanweisungen, gemäß denen eine additive Herstellungsanlage , beispielsweise über CAM-Mittel ( „Computer-Aided- Manuf acturing" ) durch ein entsprechendes Computerprogramm, zur Herstellung des Bauteils gesteuert wird .
Das Computerprogrammprodukt kann weiterhin Geometriedaten und/oder Konstruktionsdaten in einem Datensatz oder Datenformat , wie einem 3D-Format bzw . als CAD-Daten enthalten bzw . ein Programm oder Programmcode zum Bereitstellen dieser Daten umfassen .
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile , die sich vorliegend auf das Verfahren zur Bestrahlung bzw . Herstellung beziehen, können ferner das Bauteil direkt bzw . das Computerprogrammprodukt betref fen, und umgekehrt .
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder" oder „bzw . " , wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet , dass j edes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann j ede Kombination von zwei oder mehr der auf geführten Elemente verwendet werden .
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben .
Figur 1 deutet anhand einer schematischen Schnittdarstellung das Grundprinzip pulverbettbasierter additiver Herstellungsverfahren an .
Figur 2 deutet anhand einer schematischen Aufsicht ein Bestrahlungsmuster gemäß der vorliegenden Erfindung an . Figur 3 deutet ähnlich zur Figur 2 ein alternatives Bestrahlungsmuster für die Herstellung eines Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung an .
Figur 4 deutet eine beispielhafte , wellenartige , erfindungsgemäße Oberflächentextur an .
Die Figuren 5 und 6 deuten j eweils weiterhin einen beispielhaften erfindungsgemäßen Konturbestrahlungspfad gemäß der vorliegenden Erfindung an .
In den Aus führungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende Elemente j eweils mit den gleichen Bezugs zeichen versehen sein . Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente , zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein .
Figur 1 zeigt eine additive Herstellungsanlage 100 . Die Herstellungsanlage 100 ist vorzugsweise als LPBF-Anlage und für den additiven Aufbau von Bauteilen oder Komponenten aus einem Pulverbett ausgestaltet . Die Anlage 100 kann im Speziellen auch eine Anlage zum Elektronenstrahlschmel zen betref fen .
Demgemäß weist die Anlage eine Bauplattform 1 auf . Auf der Bauplattform 1 wird ein additiv herzustellendes Bauteil 10 schichtweise aus einem Pulverbett hergestellt . Letzteres wird durch ein Pulvermaterial 5 gebildet , welches beispielsweise über einen Hubkolben 4 und dann einen Beschichter 7 schichtweise auf der Bauplattform 1 verteilt werden kann .
Nach dem Aufträgen einer j eden Pulverschicht L werden gemäß der vorgegebenen Geometrie des Bauteils 10 selektiv Bereiche der Schicht mit einem Energiestrahl 6 , beispielsweise einem Laser oder Elektronenstrahl , auf geschmol zen und anschließend verfestigt . Auf diese Art wird das Bauteil 10 schichtweise entlang der gezeigten Aufbaurichtung z auf gebaut .
Der Energiestrahl 6 entstammt vorzugsweise einer Strahlquelle 2 und wird über einen Scanner oder eine Steuerung 3 ortsselektiv über j ede Schicht L gerastert .
Nach j eder Schicht L wird die Bauplattform 1 vorzugsweise um ein der Schichtdicke entsprechendes Maß abgesenkt (vgl . nach unten gerichteter Pfeil rechts in Figur 1 ) . Die Dicke L beträgt üblicherweise lediglich zwischen 20 pm und 40 pm, so dass der gesamte Prozess leicht die selektive Bestrahlung von Tausenden bis hin zu Zehntausenden von Schichten umfassen kann . Dabei können durch den lediglich sehr lokal wirkenden Energieeintrag hohe Temperaturgradienten, von beispielsweise 106 K/ s oder mehr auftreten . Dementsprechend groß ist selbstverständlich während des Aufbaus und danach auch ein Verspannungs zustand des Bauteils , was additive Herstellungsprozesse in der Regel erheblich verkompli ziert .
Bei dem Bauteil 10 kann es sich um ein Bauteil einer Strömungsmaschine , beispielsweise um ein Bauteil für den Heißgaspfad einer Gasturbine , handeln . Insbesondere kann das Bauteil eine Lauf- oder Leitschauf el , ein Ringsegment , ein Brennkammer- oder Brennerteil , wie eine Brennerspitze , eine Zarge , eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse , eine Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze , einen Resonator, einen Stempel oder einen Wirbler bezeichnen, oder einen entsprechenden Übergang, Einsatz , oder ein entsprechendes Nachrüstteil .
Die Geometrie des Bauteils wird üblicherweise durch eine CAD- Datei festgelegt . Nach dem Einlesen einer solchen Datei in die Herstellungsanlage 100 oder deren Steuerung erfordert der Prozess anschließend zunächst die Festlegung einer geeigneten Bestrahlungsstrategie beispielsweise durch Mittel des CAM, wodurch auch ein Aufteilen der Bauteilgeometrie in die einzelnen Schichten erfolgt . Dementsprechend können die im Fol- genden beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen in der additiven Herstellung von Materialschichten auch bereits durch ein Computerprogrammprodukt C ausgedrückt werden . Das Computerprogramprodukt C umfasst dazu vorzugsweise Befehle , die bei der Aus führung eines entsprechenden Programms oder Verfahrens durch einen Computer, oder die Steuerung 3 , diese (n) veranlassen, die selektive Bestrahlung des vorliegend beschriebenen Bestrahlungsmusters M durchzuführen .
Figure 2 zeigt in Aufsicht auf eine Materialschicht (vgl . Schichterstreckung in x-y-Ebene ) , ein entsprechendes Bestrahlungsmuster M zum selektiven Bestrahlen einer Kontur K als Teil eines Bauteilbereichs , der schichtweise gemäß dem in Figur 1 gezeigten Prinzip aufgebaut wird .
Die Kontur K wird im Wesentlichen definiert durch einen Konturbestrahlungspfad P, der sich in der Figur 2 von oben nach unten erstreckt . Der Pfad P ist durch eine durchgezogene Linie angedeutet und kann erfindungsgemäß durch eine kontinuierliche Bestrahlung als auch gepulst , wie durch die in Figur 1 kreis förmigen voneinander beabstandeten Schmel zbäder (nicht expli zit gekennzeichnet ) angedeutet , bestrahlt werden .
Vorzugsweise definiert die Kontur K gemäß dieser Ausgestaltung einen dünnwandigen Bereich des Bauteils 10 , welcher durch nur einen Konturbestrahlungsvektors Vk abgebildet werden kann . Bekanntlich wird die erreichbare Wanddicke der finalen Bauteilstruktur im Wesentlichen durch eine Schmel zbadabmessung definiert . Alternativ können auch mehrere (parallele ) Konturbestrahlungen, durchgeführt werden .
Die Kontur K wird erfindungsgemäß vorzugsweise ebenfalls durch Geometriedaten bereitgestellt .
Das vorliegende Verfahren umfasst also weiterhin das vorzugsweise rechnergestützte Definieren des Bestrahlungsmusters M, welches schichtweise mindestens einen Konturbestrahlungspfad P umfasst . Zur Ausbildung einer bestimmten oder definierten Oberflächentextur (vgl . auch Figur 4 weiter unten) wird der Konturbestrahlungspfad P weiterhin durch eine gepulste Bestrahlung PI ( links im Bild) und P2 ( rechts im Bild) überlagert derart , dass Schmel zbäder, welche im Wege der Herstellung des Bauteils aus einer Bestrahlung des Konturbestrahlungspfads und solche , die aus der gepulsten Bestrahlung Pl , P2 hervorgehen, überlappen . Einen sprechender Überlapp ist in Figur 2 mit dem Bezugs zeichen o gekennzeichnet .
Die gepulste Bestrahlung oder Pulsung PI erfolgt mit einem Pulsabstand a und in Pfadrichtung mit einem Versatz b - relativ zu Pulsen des Konturbestrahlungspfades .
Analog erfolgt die gepulste Bestrahlung oder Pulsung P2 mit einem Pulsabstand c und in Pfadrichtung mit einem Versatz d - relativ zu Pulsen des Konturbestrahlungspfades . Der Versatz d entspricht dabei einer zu dem Versatz c entgegengesetzten Versatzrichtung .
Die Pulsung PI als auch die Pulsung P2 verlaufen vorliegend vorzugsweise weiterhin parallel zu dem gekennzeichneten Konturbestrahlungsvektor Vk des Pfades P .
Durch den beschriebenen Überlapp o entsprechender Schmel zbäder (vgl . Schmel zbaddurchmesser Ds ) verbinden die Bestrahlungspulse PI als auch P2 zweckmäßigerweise Schmel zbäder des Konturbestrahlungspfades P .
Gemäß einer alternativen, nicht expli zit gekennzeichneten Ausgestaltung können die Pulse PI und P2 ein durchgängiges Schmel zbad eines ( kontinuierlichen) Konturbestrahlungsvektors Vk berührend überlagern .
Lediglich der Einfachheit halber sind die gezeigten Schmel zbäder des Bestrahlungsmusters M nach Figur 2 alle mit gleichen Dimensionen bzw . Durchmessern gekennzeichnet . Ohne Be- Schränkung der Allgemeinheit können die Schmel zbäder erfindungsgemäß natürlich j e nach Pulsung und Bestrahlungspfad variieren und durch eine veränderte Strahlenergie verändert werden .
Es wird verdeutlicht , dass die durch die vorliegende Erfindung erreichbare Oberflächentexturierung erst im Wege der Fertigungsvorbereitung, durch Mittel des CAM, aber vorzugsweise nicht bereits durch eine Konstruktion des Bauteils 10 oder entsprechende CAD-Geometriedaten vermittelt wird .
Figur 3 zeigt - ähnlich zur Figur 2 - ein Bestrahlungsmuster M - auch enthaltend einen Konturbestrahlungspfad P - für eine Bauteilschicht mit einem Vollkörperbereich . Die selektive Bestrahlung solcher Vollkörperschichten umfasst üblicherweise die Definition von Flächenbestrahlungsvektoren Vf (vgl . rechts ) .
Links beabstandet von der Bestrahlungsmuster für den Vollkörperbereich (nicht expli zit gekennzeichnet ) ist in Figur 3 wieder der Konturbestrahlungspfad P der Kontur K dargestellt .
Vorzugsweise überlappen Schmel zbäder, welche aus einer Bestrahlung der Flächenbestrahlungsvektoren Vf und solche , die aus der Bestrahlung des Konturbestrahlungspfads P hervorgehen, nicht , sodass dadurch auch keine strukturellen Verzerrungen oder Topologieunterschiede des Bauteils , insbesondere durch zu große Wärmeeinträge in die Schicht , hervorgerufen werden . Stattdessen ergibt sich vorzugsweise ein Zwischenraum zwischen den genannten Schmel zbädern, welcher für eine schließlich zusammenhängende Bauteilstruktur durch eine weitere füllende Bestrahlung Pf geschlossen wird .
Figure 4 zeigt - ebenfalls in einer Aufsicht - einen schematischen welligen Verlauf einer auf die beschriebene Art hergestellten Oberflächentextur . Die mit dem Bezugs zeichen 11 bezeichneten Texturspitzen oder Oberflächenmerkmale entsprechen vorzugsweise der Pulsung PI gemäß den Figuren 2 und 3 . Weiterhin kann die Oberflächentextur einen entsprechenden Zick-Zack-Verlauf aufweisen und auf beliebige Art und Weise durch die beschriebene Lösung zur Ausbildung maßgeschneiderter funktionaler Oberflächen ausgestaltet werden .
Dazu kann das Bauteil schließlich an Funktions flächen die beschriebenen Oberflächenmerkmale 11 aufweisen . Ein einziges Oberflächenmerkmal 11 bzw . eine entsprechende Os zillationslänge , Dimension oder Periode eines einzigen Zick-Zack- Verlaufs kann dabei vorzugsweise dem Drei fachen oder Doppelten eines Schmel zbaddurchmessers Ds einer kontinuierlichen Bestrahlung, oder sogar weniger entsprechen .
In absoluten Maßen kann eine Dimension der beschriebenen Oberflächenmerkmale 11 beispielsweise weniger als 300 pm, weniger als 200 pm oder sogar weniger als 100 pm betragen . Aufgrund der oben beschriebenen Schwierigkeit der Kontrolle von Schmel zbaddimensionen, sind solche Werte bislang ohne die erfindungsgemäße Lösung nicht möglich .
Die Figuren 5 und 6 deuten anhand von schematischen Bestrahlungsverläufen j eweils eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung an . Während in den oben beschriebenen Darstellungen die durch die entsprechenden ( gepulsten) Energieeinträge dimensionierten Schmel zbäder gleichartig ausgestaltet waren, können die Pulsparameter erfindungsgemäß auch variieren . Damit lassen sich dann auch die entsprechende Schmel zbadausdehnung und die Oberflächeneigenschaften der Bauteilstruktur kontrollieren .
Figur 5 zeigt einen Konturbestrahlungspfad ähnlich zu den Figuren 2 und 3 . Bei dem hier angedeuteten Pfad P werden unterschiedlich Pulslänge PI und P2 angewendet , wobei entsprechende Pulsparameter, wie Energieeintrag, ( räumlicher und/oder zeitlicher ) Pulsabstand als auch Rastergeschwindigkeit variieren können . Beispielsweise sind die aus der Pulsung PI resultierenden kreis förmig angedeuteten Schmel zbäder kleiner als die länglichen oder elliptischen Schmel zbäder, welche durch die Pulse P2 hervorgerufen werden . Dadurch lässt sich im Ergebnis ebenfalls eine maßgeschneiderte Oberflächentextur erreichen . Eine zu Figur 5 ähnliche Ausgestaltung ist in Figur 6 gezeigt , bei der sogar drei verschiedene Pulse Pl , P2 und P3 und entsprechend unterschiedliche Pulsparameter und unterschiedliche Schmel zbadabmessungen angewendet werden können, um die Oberflächenmerkmale der so entstehenden Bauteilschicht entsprechend zu konfektionieren .
Auch in den Figuren 5 und 6 ist zu erkennen, dass durch die unterschiedlichen Schmel zbaddimensionen beispielweise eine Welligkeit der Oberfläche erfindungsgemäß realisiert werden kann .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum selektiven Bestrahlen einer Materialschicht (L) in der additiven Herstellung eines Bauteils (10) , umfassend die folgenden Schritte:
Bereitstellen von Geometriedaten, umfassend eine Kontur eines additiv herzustellenden Bauteils (10) , rechnergestütztes Definieren eines Bestrahlungsmusters (M) für Schichten des Bauteils (10) , wobei das Bestrahlungsmuster (M) in einer Schicht (L) mindestens einen Konturbestrahlungspfad (P) umfasst, wobei eine Bestrahlung des Konturbestrahlungspfads (P) zur Ausbildung einer vordefinierten Oberflächentextur (11) des Bauteils (10) durch eine gepulste Bestrahlung (Pl, P2) in der Schicht überlagert wird derart, dass Schmelzbäder, welche im Wege der Herstellung des Bauteils aus einer Bestrahlung des Konturbestrahlungspfads und solche, die aus der gepulsten Bestrahlung (Pl, P2) hervorgehen, überlappen, wobei die durch eine Bestrahlung entlang des Bestrahlungsmusters (M) hervorgerufene Oberflächentextur (11) eine regelmäßige Welligkeit und/oder einen Zick-Zack-Verlauf aufweist.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die definierte Oberflächentextur (11) nicht in den Geometriedaten (CAD) des Bauteils (10) abgebildet wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Konturbestrahlungspfad (P) im Wege der Herstellung des Bauteils (10) kontinuierlich oder gepulst bestrahlt wird.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontur (K) einen dünnwandigen Bereich des Bauteils (10) definiert und wobei der Konturbestrahlungspfad (P) zur strukturellen Abbildung der Kontur (K) entlang nur eines Konturbestrahlungsvektors (Vk) bestrahlt wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gepulste Bestrahlung entlang von zu dem Konturbestrah- lungspfad (P) parallelen Konturbestrahlungsvektoren (Vk, PI, P2 ) erfolgt.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (10) Bereiche einer Vollkörperstruktur aufweist, und wobei das Bestrahlungsmuster (M) für die Abbildung der Vollkörperstruktur in der Schicht Flächenbestrahlungsvektoren
(Vf) umfasst.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei Schmelzbäder, welche aus einer Bestrahlung der Flächenbestrahlungsvektoren (Vf) und solche, die aus der Bestrahlung des Konturbestrahlungspfads (P) hervorgehen, überlappfrei sind.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei ein Zwischenraum zwischen Schmelzbädern aus der Flächenbestrahlung (Vf) und Schmelzbädern aus der Konturbestrahlung (Vk) für eine zusammenhängende Bauteilstruktur durch eine weitere füllende Bestrahlung (Pf) geschlossen wird.
9. Additives Herstellungsverfahren, umfassend ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das selektive Bestrahlen mittels eines Lasers oder eines Elektronenstrahls erfolgt, und die Materialschicht (L) eine Pulverschicht ist.
10. Additives Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Materialschicht (L) aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung besteht, und das Bauteil (10) eine im Heißgaspfad einer Strömungsmaschine anzuwendende Komponente ist .
11. Bauteil (10) , welches gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist und welches weiterhin Oberflächenmerkmale (11) in mindestens einer Dimension von weniger als dem Doppelten eines Schmelzbaddurchmessers (Ds) einer kontinuierlichen Bestrahlung aufweist. 19
12. Bauteil (10) , welches gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist und welches weiterhin Oberflächenmerkmale (11) in mindestens einer Dimension von weniger als 200 pm aufweist.
13. Computerprogrammprodukt (C) , umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer, beispielsweise zur Steuerung der Bestrahlung in einer additiven Herstellungsanlage (100) , diesen veranlassen, die selektive Bestrahlung gemäß dem nach einem der vorhergehenden Ansprüche definierten Bestrahlungsmuster (M) durchzuführen.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023130184A1 (de) * 2023-10-31 2025-04-30 Krones Aktiengesellschaft Additive Fertigung eines Bauteils in der Lebensmittelindustrie

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060000814A1 (en) * 2004-06-30 2006-01-05 Bo Gu Laser-based method and system for processing targeted surface material and article produced thereby
GB201209415D0 (en) * 2012-05-28 2012-07-11 Renishaw Plc Manufacture of metal articles
EP2868422A1 (de) 2013-10-29 2015-05-06 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung eines Bauteils sowie optische Bestrahlungsvorrichtung
JP2015168228A (ja) * 2014-03-10 2015-09-28 日本電子株式会社 三次元積層造形装置及び三次元積層造形方法
DE102017202843B3 (de) * 2017-02-22 2018-07-19 SLM Solutions Group AG Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Bestrahlungssystems zur Werkstückherstellung
US20180250744A1 (en) * 2017-03-02 2018-09-06 Velo3D, Inc. Three-dimensional printing of three-dimensional objects
DE102017212110A1 (de) * 2017-07-14 2019-01-17 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren für ein additiv herzustellendes Bauteil mit vorbestimmter Oberflächenstruktur
DE102017220153A1 (de) * 2017-11-13 2019-06-19 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur schichtweisen additiven Fertigung von Bauteilen mittels eines kontinuierlichen und eines gepulsten Laserstrahls und zugehöriges Computerprogrammprodukt
EP3542927A1 (de) 2018-03-20 2019-09-25 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum selektiven bestrahlen einer materialschicht, verfahren zum bereitstellen eines datensatzes, vorrichtung und computerprogrammprodukt

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