EP4444493A1 - Additive herstellung einer dünnen angeschrägten bauteilstruktur - Google Patents

Additive herstellung einer dünnen angeschrägten bauteilstruktur

Info

Publication number
EP4444493A1
EP4444493A1 EP23701455.0A EP23701455A EP4444493A1 EP 4444493 A1 EP4444493 A1 EP 4444493A1 EP 23701455 A EP23701455 A EP 23701455A EP 4444493 A1 EP4444493 A1 EP 4444493A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
irradiation
layer
component
component structure
thin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23701455.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Timo HEITMANN
Jan Pascal Bogner
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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 EP4444493A1 publication Critical patent/EP4444493A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264—Arrangements for irradiation
    • B29C64/268—Arrangements for irradiation using laser beams; using electron beams [EB]
    • B29C64/273—Arrangements for irradiation using laser beams; using electron beams [EB] pulsed; frequency modulated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B22F10/366—Scanning parameters, e.g. hatch distance or scanning strategy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/38—Process control to achieve specific product aspects, e.g. surface smoothness, density, porosity or hollow structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/41—Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam
    • B22F12/43—Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam pulsed; frequency modulated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/46—Radiation means with translatory movement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/10—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of articles with cavities or holes, not otherwise provided for in the preceding subgroups
    • B22F5/106—Tube or ring forms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264—Arrangements for irradiation
    • B29C64/268—Arrangements for irradiation using laser beams; using electron beams [EB]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B29C64/393—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2995/00—Properties of moulding materials, reinforcements, fillers, preformed parts or moulds
    • B29K2995/0037—Other properties
    • B29K2995/0094—Geometrical properties
    • B29K2995/0097—Thickness
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2023/00—Tubular articles
    • B29L2023/22—Tubes or pipes, i.e. rigid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive 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 additive, in particular powder-bed-based, production of a thin, beveled, thin-walled or chamfered component structure. Furthermore, a correspondingly manufactured component and a corresponding computer program product are the subject matter of the present invention.
  • the component in question 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.
  • additive manufacturing processes colloquially also referred to as 3D printing
  • powder bed processes such as selective laser melting (SLM) or laser sintering (SLS), or electron beam melting (EBM).
  • SLM selective laser melting
  • SLS laser sintering
  • EBM electron beam melting
  • 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 and the selection of corresponding manufacturing parameters.
  • the use of the additive LPBF process already makes it possible to produce complex and small geometries with high accuracy.
  • the resolution limit a minimum structure width or wall thickness is usually in the range of 120 ⁇ m to 200 ⁇ m with conventional exposure strategies.
  • "structural thicknesses" down to 100 pm can be implemented. This is primarily achieved with a single-track exposure.
  • the respective scan strategy is also usually defined by the thickness defined via CAD (“Computer-Aided-Design”) by way of a CAM process (“Computer-Aided-Manuf acting” ) determined . It is therefore the object of the present invention to specify an improved or adapted build-up and/or irradiation strategy in additive manufacturing, with which particularly filigree, thin and/or slanted component structures can be imaged with improved contour and/or surface quality.
  • One aspect of the present invention relates to a method for the additive, in particular powder-bed-based additive manufacturing of a thin, beveled or thin-walled component structure. Accordingly, the component to be produced can also have only one area with a thin wall, a geometry that spreads out or tapers to a point or conically or tapers.
  • the method includes the adjustment of irradiation parameters starting from a first layer in the production of the component to a following (second) layer in the direction of construction, with a line energy or irradiation power, in particular a scanning laser or electron beam, and/or a scanning speed for the irradiation of the following layer is changed in order to change a melting bath width of a radiation or exposure path for the following layer, d. H . in particular to reduce or enlarge .
  • the method also includes the (simultaneous) shifting of an irradiation path for the following layer (perpendicular to the build-up direction) starting from the first layer in such a way that a sloping flank is formed on a side of the component structure that is created counter to a shifting direction.
  • the expression oblique or In this context, “beveled” should primarily mean that the corresponding flank encloses an angle other than zero (less than 90°) with the horizontal.
  • Said beveled flank preferably designates only one side of the component structure, so that, for example, a side of the component opposite the flank can run perpendicularly or not bevelled.
  • the beveled flank is a chamfer.
  • An adaptive irradiation strategy with process parameters adapted layer by layer is therefore specified in order in particular to be able to produce very thinly beveled or thin-walled geometries by means of LPBF.
  • contour fidelity of structures that vary in thickness along the build-up direction can be decisively improved by the means presented, and furthermore a step effect (“stair-step” effect) can be advantageously reduced or even completely prevented.
  • the line energy which can be varied in particular via the laser power, is reduced.
  • the energy input can be reduced and the contour fidelity of the structure to be built up additively can be improved.
  • the raster speed is increased. According to this configuration, in particular an energy introduced into the powder bed per unit of time and space can be reduced in an equivalent manner.
  • an energy input for the production of the thin component structure is pulsed or pulse modulated applied.
  • the pulsed irradiation operation preferably relates to a low-frequency range of, for example, between 1 kHz and 5 kHz.
  • This parameter and in particular- re the mentioned frequency range have proven to be particularly advantageous for the pulsed irradiation.
  • this advantageously enables discrete solidification of individual melting baths between each laser pulse. This in turn results in a useful reduction of dynamic instabilities in the melt bath.
  • irradiation of the first layer forms a thicker component region than irradiation of the following layer(s), with the component structure tapering to a point in the build-up direction.
  • the component structure tapering to a point is irradiated, in particular for the following layer(s), exclusively via individual tracks or individual irradiation vectors .
  • no so-called “hatching” or hatching irradiation strategy is used.
  • the beveled or tapered component structure has a wall thickness of less than 250 pm.
  • the irradiation of the first layer mentioned forms a thin or thinner region than the irradiation of the following layer(s), such that the component structure according to this configuration widens along the build-up direction.
  • a further aspect of the present invention relates to a component to be manufactured or manufactured accordingly, with a thin, "chamfered" component area or one that narrows or widens along a construction direction, the component area being designed in particular without steps and in such a way that it a conventional additive irradiation strategy cannot be mapped
  • the inventive advantages of the presented method manifest themselves So directly in the structural advantages of the correspondingly manufactured component.
  • Another aspect of the present invention relates to a computer program or Computer program product, e.g. as part of a numerical control instruction, comprising instructions which, when the program is executed by a device, e.g. for controlling irradiation in an additive manufacturing system, cause it to select the line energy and/or the raster speed and the thin component structure accordingly to produce .
  • a CAD file or a computer program product can, for example, be used as a (volatile or non-volatile) storage or playback medium, such as 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 include numerical 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 by a corresponding computer program, for manufacturing the component.
  • 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 as CAD data, included or . include a program or program code for providing this data. Configurations, features and / or advantages that are present on the method or. refer to the computer program (product) can also directly affect the component structure, 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 shows a schematic sectional view of an exemplary tubular component structure.
  • a schematic perspective representation of this structure is shown in the right section of the figure.
  • Three partial views of the sectional planes B, C and D shown in the upper left area are shown in the lower area of the illustration.
  • Figure 2 shows u. a. Details of a layer subdivision according to the invention mirrored on the component structure of FIG.
  • FIG. 3 indicates a top view of a production area or a corresponding irradiation pattern.
  • FIG. 3 indicates a schematic sectional view of a thin, beveled component structure (cf. also FIG. 1) with details according to the invention is shown.
  • FIG. 4 shows the thin, beveled component area shown on the right in FIG. 3 with further details according to the invention.
  • elements that are the same or have the same effect can each be provided with the same reference symbols.
  • the elements shown and their proportions to one another are not to be regarded as true to scale, rather individual elements may be shown with exaggerated thickness or large dimensions for better representation and/or better understanding.
  • a component structure is usually produced in layers on a construction platform according to a predetermined geometry by selectively melting and solidifying a previously applied powder layer using an irradiation device, in particular a laser or electron beam.
  • the geometry of the component is usually defined by a CAD file ("Computer-Aided-Design"). After reading such a file into the manufacturing facility, the process then first requires the definition of a suitable irradiation strategy, for example by CAM, which usually means that the component geometry is divided takes place in the individual layers.
  • CAD file Computer-Aided-Design
  • the construction platform 101 is preferably lowered by an amount corresponding to the layer thickness L.
  • the layer thickness is usually only between 20 ⁇ m and 40 ⁇ m, so that the entire 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.
  • FIG. 1 indicates an at least partially conventional irradiation or scanning strategy based on an exemplary tube-like component geometry.
  • a cross-section of the tube with a chamfer at the upper inner edge is indicated.
  • the reference sign 11 indicates a correspondingly thin-walled or pointed component area 11 .
  • the hatching of the structure should also make it clear that the corresponding component 10 can largely be produced by surface or hatching exposure.
  • the wall thickness of the structure allows "hatching" in any case.
  • a single track exposure with individual irradiation vectors (cf. reference sign V n below) can begin, since a minimum wall thickness (structure imaging limit ) may have been reached for this type of irradiation .
  • FIG. 1 A schematic perspective view of the structure is shown in the upper right area of the illustration in FIG.
  • the present invention now successfully solves the problem described with an improved inventive irradiation strategy, in particular an adapted choice of parameters, and an optimized arrangement of irradiation vectors.
  • the process according to the invention can be applied to the image of structures that are inclined in the direction of construction, for example. from a wall thickness of 0.25 mm (250 ⁇ m) upwards exclusively by irradiating individual tracks or individual irradiation vectors.
  • the procedure includes the adjustment of the line energy or Irradiation power in each new layer to reduce the melt pool width or dimension.
  • the exposure or irradiation path of the or of the scan vector in order to obtain the defined outer contour of the component.
  • a single track exposure takes place in the layer along the build-up direction Z, from which the build-up of the slanted features begins.
  • a sectional plane associated with a first layer Li is marked in FIG.
  • a subsequent, second layer L2 is now selectively irradiated and hardened to form the starting tapering of the component structure 11 .
  • a further subsequent (third) layer L 3 then occurs even further along the build-up direction Z.
  • FIG. 3 In the left part of Figure 3 is a plan view of a production area or. a powder bed is shown which corresponds to the section planes or the radiation vectors V n associated with their layers for the circular contour of the component 10 are illustrated.
  • vector V 3 In the uppermost layer L 3 drawn in, vector V 3 in particular can be seen on the outside as an individual irradiation vector.
  • the radiation vector V2 In the middle of the top view, there is in particular the radiation vector V2 for the display shown in the second, middle layer L2.
  • the inner vector Vi represents the lower layer Li shown.
  • the right part of Figure 3 shows the oblique or chamfered profile 12 of the component structure 11 increases. It can be seen that even all layers Li, L2 and L3 can be implemented as individual irradiation vectors, although a melting bath or a melting bath width (cf. horizontal extent of the layers on the right in FIG. 3) are reduced as construction progresses. This is implemented in particular by adjusting the irradiation parameters.
  • a line energy or laser power P2 of the second layer L2 is selected to be smaller than an energy Pi of the first layer Li.
  • a raster speed V2 of the second layer L2 can be selected to be greater than a raster speed vi of the first layer Li.
  • the beam energy or Reduced laser power and/or increased a raster speed can be particularly expediently influenced or reduced via these parameters. Furthermore, this is advantageously made possible while keeping the external geometry of the structure constant.
  • the energy input is preferably pulsed in order to additionally reduce the expansion of the melt pools during production and to ensure high contour accuracy and surface quality of the component structure.
  • FIG. 1 A further element of the method according to the invention is illustrated in FIG.
  • the exposure vectors are used with increasing height in the Z-direction to form the bevel or of the slanted thin course of the structure 11 on one side preferably shifted towards the (vertical) outer edge.
  • a distance a between the melting bath and the the outer edge (s) of the component structure 11 is preserved. This distance preferably corresponds to a center distance or a half wall thickness or wall thickness of the structure 11 .
  • the exposure vector V2 is directed to the right along the arrow shown, ie. H . towards the outer edge, slightly shifted so that the marked distance b is maintained.
  • the center of the melting bath is shifted outwards over the length or displacement o in such a way that the distance c can be maintained. It is therefore preferably still the case that a>b>c.
  • FIG. 4 also schematically indicates a device 20, which can be designed, for example, as a processor, computer, control unit or 3D printer device and according to the invention can have appropriate means for selecting the parameters mentioned, in particular via CAM and their process-related implementation.
  • the device 20 can be set up to execute computer programs and to provide a computer program product according to the present invention.
  • a beveled area of a thin component structure with particular contour accuracy, dimensional accuracy and surface quality is advantageously imaged via the described “design rule” of the present invention.
  • the advantages according to the invention can be used to depict a component structure which widens in the direction of build-up, for example, in a different way than shown in the figures described above, with the parameters described for successive layers then having to be correlated in exactly the opposite way.
  • the introduced line energy can then be used to formation of a wider melt pool for a lower component layer can be selected to be particularly small and then increased in the build-up direction.
  • the raster speed is correspondingly reduced in the build-up direction.
  • the difficulty lies primarily in the implementation of the respective thinner (further down) component area.
  • the component 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 blade 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, a mouth or lance, a resonator, a stamp or designate a swirler, or a corresponding transition, insert, or a corresponding aftermarket part.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren zur additiven Herstellung einer dünnen, angeschrägten Bauteilstruktur (10, 11) angegeben. Das Verfahren umfasst, das Anpassen von Bestrahlungsparametern (P, v) ausgehend von einer ersten Schicht (L1) zu einer in Aufbaurichtung (Z) folgenden Schicht (L2, L3), wobei eine Linienenergie (P) und/oder eine Rastergeschwindigkeit (v) für die Bestrahlung der folgenden Schicht (L2) verändert wird, um eine Schmelzbadbreite eines Bestrahlungspfades (V1, V2, V3) für die folgende Schicht (L2) zu verändern, und das Verschieben eines Bestrahlungspfades (V1, V2, V3) für die folgende Schicht (L2) ausgehend von der ersten Schicht (L1) derart, dass an einer entgegen einer Verschiebungsrichtung (o) entstehenden Seite der Bauteilstruktur (11) eine angeschrägte Flanke (12) gebildet wird. Weiterhin werden ein entsprechend hergestelltes Bauteil sowie ein Computerprogrammprodukt angegeben.

Description

Beschreibung
Additive Herstellung einer dünnen angeschrägten Bauteilstruktur
Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Verfahren zur additiven, insbesondere pulverbett-basierten, Herstellung einer dünnen, angeschrägten, dünnwandigen oder gefasten Bauteilstruktur . Weiterhin sind ein entsprechend hergestelltes Bauteil sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt Gegenstand der vorliegenden Erfindung .
Das betref fende 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 .
Design und Materialeigenschaften von Hochleistungs-Maschinenkomponenten sind Gegenstand stetiger Entwicklung, um Funktionalität und/oder Einsatzgebiete der entsprechenden Bauteile im Einsatz zu steigern bzw . zu erweitern . Bei Wärmekraftmaschinen, insbesondere Gasturbinen, zielt die Entwicklung häufig auf immer höhere Einsat ztemperaturen . Um beispielsweise den Heraus forderungen sich wandelnder industrieller Anforderungen gerecht zu werden, erstrebt die Entwicklung weiterhin die Umsetzung von komplexen Geometriemerkmalen mit immer größerer Konturtreue und Oberflächengüte . Dadurch lässt sich z . B . wiederum eine Kühlperformance der Bauteile verbessern .
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 Elektronenstrahlschmel zen (EBM) . Additive Fertigungsverfahren haben sich insbesondere als besonders vorteilhaft für kompliziert gestaltete Bauteile , beispielsweise labyrinthartige Strukturen 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 und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann .
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 . 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 .
Die Verwendung des additiven LPBF-Verf ährens ermöglicht es bereits j etzt , komplexe und kleine Geometrien mit hoher Genauigkeit zu produzieren . Die Auflösungsgrenze bzw . eine minimale Strukturbreite oder Wanddicken liegt bei konventionellen Belichtungsstrategien üblicherweise im Bereich von 120 pm bis 200 pm . Durch Anwendung einer pulsmodulierten Belichtungsstrategie sind grundsätzlich „Strukturdicken" bis herab zu 100 pm umsetzbar . Dies wird in erster Linie mit einer Einzelspurbelichtung erreicht .
Standardmäßig wird zwischen einer Flächenbelichtung ( „hatching" ) und einer Einzelspurbelichtung unterschieden . Die j eweilige Scanstrategie wird weiterhin üblicherweise durch die über CAD ( „Computer-Aided-Design" ) definierte Dicke im Wege eines CAM-Prozesses ( „Computer-Aided-Manuf acturing" ) bestimmt . Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte oder angepasste Aufbau- und/oder Bestrahlungsstrategie in der additiven Herstellung anzugeben, mit der besonders filigrane , dünne , und/oder angeschrägte Bauteilstrukturen mit verbesserter Kontur- und/oder Oberflächengüte abgebildet werden können .
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 zur additiven, insbesondere pulverbett-basierten additiven Herstellung einer dünnen, angeschrägten bzw . dünnwandigen Bauteilstruktur . Demgemäß kann das herzustellende Bauteil auch nur einen Bereich mit einer dünnen Wand, einer sich verbreitenden oder spitz oder konisch zulaufenden oder verj üngten Geometrie aufweisen .
Das Verfahren umfasst das Anpassen von Bestrahlungsparametern ausgehend von einer erste Schicht in der Herstellung des Bauteils zu einer in Aufbaurichtung folgenden ( zweiten) Schicht , wobei eine Linienenergie oder Bestrahlungsleistung, insbesondere eines rasternden Laser- oder Elektronenstrahls , und/oder eine Rastergeschwindigkeit für die Bestrahlung der folgenden Schicht verändert wird, um eine Schmel zbadbreite eines Be- strahlungs- oder Belichtungspfades für die folgende Schicht zu verändern, d . h . insbesondere zu verkleinern oder zu vergrößern .
Das Verfahren umfasst weiterhin das ( gleichzeitige ) Verschieben eines Bestrahlungspfades für die folgende Schicht ( senkrecht zur Aufbaurichtung) ausgehend von der ersten Schicht derart , dass an einer entgegen einer Verschiebungsrichtung entstehenden Seite der Bauteilstruktur eine angeschrägte Flanke gebildet wird . Der Ausdruck schräg bzw . „angeschrägt" soll in diesem Zusammenhang vornehmlich bedeuten, dass die entsprechende Flanke im Verlauf einen von Null verschiedenen Winkel ( kleiner 90 ° ) mit der Hori zontalen einschließt .
Die besagte angeschrägte Flanke bezeichnet vorzugsweise nur eine Seite der Bauteilstruktur, sodass beispielsweise eine der Flanke gegenüberliegende Seite des Bauteils senkrecht oder nicht angeschrägt verlaufen kann .
In einer Ausgestaltung ist die angeschrägte Flanke eine Fase .
Mithin wird eine adaptive Bestrahlungsstrategie mit schichtweise angepassten Prozessparametern angegeben, um insbesondere sehr dünn angeschrägte oder dünnwandige Geometrien mittels LPBF produzieren zu können . Insbesondere lässt sich durch die vorgestellten Mittel die Konturtreue von sich entlang der Aufbaurichtung in der Dicke variierenden Strukturen entscheidend verbessern, und weiterhin ein Stufenef fekt ( „stair- step"-Ef fekt ) vorteilhaft verringern oder sogar komplett unterbinden .
In einer Ausgestaltung wird die Linienenergie , welche insbesondere über die Laserleistung variiert werden kann, verringert . Gemäß dieser Ausgestaltung kann insbesondere der Energieeintrag reduziert und eine Konturtreue der additiv auf zubauenden Struktur verbessert werden .
In einer Ausgestaltung wird die Rastergeschwindigkeit erhöht . Gemäß dieser Ausgestaltung kann insbesondere eine pro Zeit- und Raumeinheit in das Pulverbett eingetragene Energie in gleichwertiger Weise reduziert werden .
In einer Ausgestaltung wird ein Energieeintrag für die Herstellung der dünnen Bauteilstruktur gepulst bzw . pulsmoduliert angewendet . Vorzugsweise betri f ft der gepulste Bestrahlungsbetrieb einen niederfrequenten Bereich von beispielsweise zwischen 1 kHz und 5 kHz . Dieser Parameter und insbesonde- re der genannte Frequenzbereich haben sich als besonders vorteilhaft für die gepulste Bestrahlung erwiesen . Insbesondere wird dadurch vorteilhafterweise eine diskrete Erstarrung einzelner Schmel zbäder zwischen j edem Laserpuls ermöglicht . Dadurch kommt es wiederum zur nutzbringenden Reduktion von dynamischen Instabilitäten im Schmel zbad . Außerdem ergeben sich auf diese Weise Vorteile hinsichtlich der Bestrahlungszeit und damit der Prozessef fi zienz .
In einer Ausgestaltung bildet eine Bestrahlung der ersten Schicht einen dickeren Bauteilbereich aus als eine Bestrahlung der folgenden Schicht ( en) , wobei die Bauteilstruktur in Aufbaurichtung spitz zuläuft .
In einer Ausgestaltung erfolgt eine Bestrahlung der spitz zulaufenden Bauteilstruktur, insbesondere für die folgende (n) Schicht ( en) , ausschließlich über Einzelspuren bzw . individuelle Bestrahlungsvektoren . Gemäß dieser Ausgestaltung wird also gerade keine sogenannte „ha tching-" oder Schraf fur- Bestrahlungsstrategie angewendet .
In einer Ausgestaltung hat die angeschrägte bzw . spitz zulaufende Bauteilstruktur eine Wanddicke von weniger als 250 pm .
In einer alternativen Ausgestaltung bildet die Bestrahlung der genannten ersten Schicht einen dünnen oder dünneren Bereich als eine Bestrahlung der folgenden Schicht ( en) , sodass oder wobei sich die Bauteilstruktur gemäß dieser Ausgestaltung entlang der Aufbaurichtung verbreitert .
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betri f ft ein entsprechend herzustellendes oder hergestelltes Bauteil mit einem dünnen, „gefasten" oder sich entlang einer Aufbaurichtung verj üngenden oder verbreitenden Bauteilbereich, wobei der Bauteilbereich insbesondere frei von Stufen ausgebildet ist und in einer Art , dass er über eine konventionelle additive Bestrahlungsstrategie nicht abbildbar ist . Die erfinderischen Vorteile des vorgestellten Verfahrens mani festieren sich also direkt in den Strukturvorteilen des entsprechend hergestellten Bauteils .
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betri f ft ein Computerprogramm bzw . Computerprogrammprodukt , beispielsweise als Teil einer numerischen Steuerungsanweisung, umfassend Befehle , die bei der Aus führung des Programms durch eine Vorrichtung, beispielsweise zur Steuerung der Bestrahlung in einer additiven Herstellungsanlage , diese veranlassen, die Linienenergie und/oder die Rastergeschwindigkeit zu wählen und die dünnen Bauteilstruktur entsprechend herzustellen .
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 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 bzw . das Computerprogram (produkt ) beziehen, können ferner die Bauteilstruktur direkt 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 .
Die Figur 1 zeigt im linken Bereich der Darstellung eine schematische Schnittansicht einer beispielhaften röhrenartigen Bauteilstruktur . Im rechten Bildabschnitt ist eine schematische perspektivische Darstellung dieser Struktur gezeigt . Im unteren Bereich der Darstellung sind drei Teilansichten der im oberen linken Bereich eingezeichneten Schnittebenen B, C und D dargestellt .
Die Figur 2 zeigt u . a . erfindungsgemäße Details einer Schichtunterteilung gespiegelt auf die Bauteilstruktur der Figur 1 .
Figur 3 deutet im linken Bereich der Ansicht eine Aufsicht auf eine Herstellungs fläche bzw . ein entsprechendes Bestrahlungsmuster an . Im rechten Bereich der Darstellung der Figur 3 ist eine schematische Schnittansicht einer dünnen angeschrägten Bauteilstruktur (vgl . ebenfalls Figur 1 ) mit erfindungsgemäßen Details dargestellt .
Figur 4 stellt den in der Figur 3 rechts dargestellten dünnen angeschrägten Bauteilbereich mit weiteren erfindungsgemäßen Details dar . 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 .
In der pulverbett-basierten additiven Herstellung wird eine Bauteilstruktur üblicherweise gemäß einer vorgegebenen Geometrie schichtweise auf einer Bauplattform hergestellt , indem eine zuvor aufgetragene Pulverschicht selektiv durch eine Bestrahlungsvorrichtung, insbesondere einen Laser- oder Elektronenstrahl , auf geschmol zen und verfestigt wird .
Die Geometrie des Bauteils wird üblicherweise durch eine CAD Datei ( „Computer-Aided-Design" ) festgelegt . Nach dem Einlesen einer solchen Datei in die Herstellungsanlage erfordert der Prozess anschließend zunächst die Festlegung einer geeigneten Bestrahlungsstrategie beispielsweise durch CAM, wodurch üblicherweise ein Aufteilen der Bauteilgeometrie in die einzelnen Schichten erfolgt .
Nach j eder Schicht Ln wird die Bauplattform 101 vorzugsweise um ein der Schichtdicke L entsprechendes Maß abgesenkt . Die Schichtdicke 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 .
Figur 1 deutet anhand einer beispielhaften röhrenartigen Bauteilgeometrie eine zumindest teilweise konventionelle Be- strahlungs- oder Scanstrategie an . Im oberen linken Abschnitt des Bildes ist insbesondere ein Querschnitt der Röhre mit einer Fase am oberen inneren Rand angedeutet . Im Bereich der Fase deutet das Bezugs zeichen 11 einen dementsprechend dünnwandigen oder spitz zulaufenden Bauteilbereich 11 an . Die Schraf fur der Struktur soll weiterhin verdeutlichen, dass das entsprechende Bauteil 10 größtenteils durch eine Flächenoder Schraf furbelichtung hergestellt werden kann .
In der Ebene des gekennzeichneten Schnittes B erlaubt die Wanddicke der Struktur j edenfalls ein „hatching" . Ab der Ebene des Schnittes C kann hingegen eine Einzelspurbelichtung mit einzelnen Bestrahlungsvektoren (vgl . Bezugs zeichen Vn weiter unten) beginnen, da eine minimale Wanddicke ( Strukturabbildungsgrenze ) für diese Art der Bestrahlung möglicherweise erreicht ist .
Weiter oben entlang der (vertikalen) Aufbaurichtung Z weist daher auch die Schnittebene D eine Einzelspurbelichtung auf . Daraus resultiert eine geringere Wanddicke für die Struktur . Über eine konventionelle additive Bestrahlungsstrategie , welche die Vorzüge der vorliegenden Erfindung nicht aufweist , kann die gezeigte Fase bzw . stufenlose Verj üngung der Struktur, wie sie in der Darstellung gezeigt ist , nicht wiedergegeben, bzw . abgebildet werden .
Im rechten oberen Bereich der Darstellung der Figur 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht der Struktur gezeigt .
Im unteren Bereich der Figur 1 sind drei schematische perspektivische Teildarstellungen entlang der Schnitte B - B, C - C und D - D (von links nach rechts ) eingefügt .
Durch die vorliegende Erfindung gelingt nun eine Lösung des beschriebenen Problems mit einer verbesserten erfinderischen Bestrahlungsstrategie , insbesondere eine angepasste Parameterwahl , sowie einer optimierten Anordnung von Bestrahlungsvektoren .
Insbesondere kann der erfindungsgemäße Prozess auf die Abbildung beispielsweise in Aufbaurichtung angeschrägter Struktu- ren ab einer Wanddicke von 0 , 25 mm ( 250 pm) abwärts ausschließlich über die Bestrahlung von Einzelspuren oder Einzelbestrahlungsvektoren abzielen . Weiterhin beinhaltet das Verfahren die Anpassung der Linienenergie bzw . Bestrahlungsleistung in j eder neuen Schicht zur Reduktion der Schmel zbadbreite oder -dimension . Gleichzeitig erfolgt eine Verschiebung des Belichtung- oder Bestrahlungspfade des bzw . des Scanvektors , um die definierte Außenkontur des Bauteils zu erhalten .
Insbesondere erfolgt in der Schicht entlang der Aufbaurichtung Z , ab der der Aufbau der angeschrägten Merkmale beginnt , eine Einzelspurbelichtung . In der Figur 2 ist dazu eine zu einer ersten Schicht Li zugehörige Schnittebene gekennzeichnet . Mit weiterem Aufbaufortschritt in Z-Richtung wird nun eine darauf folgende , zweite Schicht L2 zur Ausbildung der einsetzenden Verj üngung der Bauteilstruktur 11 selektiv bestrahlt und verfestigt . Noch weiter entlang der Aufbaurichtung Z erfolgt dann eine weitere folgende ( dritte ) Schicht L3.
Ohne Beschränkung der Allgemeingültigkeit können natürlich noch deutlich mehr Schichten Ln erforderlich sein, um die dünne , angeschrägte Bauteilstruktur - j e nach Neigung oder vorbestimmtem Verlauf der Schräge oder Fase - herzustellen .
Im oberen rechten Teil der Darstellung der Figur 2 ist der Übersichtlichkeit halber wieder eine perspektivische Ansicht gezeigt .
Im linken Teil der Figur 3 ist eine Aufsicht auf eine Herstellungs fläche bzw . ein Pulverbett gezeigt , welche die zu den oben angezeigten Schnittebenen bzw . deren Schichten zugehörigen Bestrahlungsvektoren Vn für die kreis förmige Kontur des Bauteils 10 veranschaulicht . Für die oberste eingezeichnete Schicht L3 ist außen insbesondere der Vektor V3 als Einzelbestrahlungsvektor zu erkennen . In der Mitte der Aufsicht ist insbesondere Bestrahlungsvektor V2 für die Darstellung der zweiten, mittleren Schicht L2 gezeigt . Der innere Vektor Vi repräsentiert schließlich die untere dargestellte Schicht Li .
In diesem Zusammenhang zeigt der rechte Teil der Figur 3 den schrägen bzw . gefasten Verlauf 12 der Bauteilstruktur 11 vergrößert . Es ist zu erkennen, dass sogar alle Schichten Li, L2 und L3 als Einzelbestrahlungsvektoren umgesetzt werden können, wobei j edoch ein Schmel zbad oder eine Schmel zbadbreite (vgl . hori zontale Ausdehnung der Schichten rechts in Figur 3 ) mit zunehmendem Aufbaufortschritt verkleinert werden . Dies wird insbesondere über eine Anpassung der Bestrahlungsparameter umgesetzt .
Insbesondere wird eine Linienenergie oder Laserleistung P2 der zweite Schicht L2 kleiner gewählt als eine Energie Pi der ersten Schicht Li . Umgekehrt kann zusätzlich oder alternativ eine Rastergeschwindigkeit V2 der zweiten Schicht L2 größer gewählt werden als eine Rastergeschwindigkeit vi der ersten Schicht Li . Mit anderen Worten wird in Aufbaurichtung schichtweise die Strahlenergie bzw . Laserleistung reduziert und/oder eine Rastergeschwindigkeit erhöht . Uber diese Parameter kann eine Schmel zbadbreite , angedeutet durch die rechteckig dargestellten Schichtaufträge , besonders zweckmäßig beeinflusst oder reduziert werden . Weiterhin wird dies vorteilhaft unter Konstanthaltung der Außengeometrie der Struktur ermöglicht .
Zusätzlich erfolgt der Energieeintrag vorzugsweise gepulst , um die Ausdehnung der Schmel zbäder während der Herstellung zusätzlich zu reduzieren und eine hohe Konturtreue und Oberflächengüte der Bauteilstruktur zu gewährleisten .
In Figur 4 ist ein weiteres Element des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht . Zusätzlich zu der angedeuteten Parameteranpassung werden die Belichtungsvektoren mit zunehmender Höhe in Z-Richtung zur Ausbildung der Fase bzw . des angeschrägten dünnen Verlaufs der Struktur 11 auf einer Seite vorzugsweise in Richtung der (vertikalen) Außenkante verschoben . Insbesondere ist zu erkennen, dass für die erste Schicht Li ein Abstand a des Schmel zbades von der bzw . den Außenkante (n) der Bauteilstruktur 11 gewahrt wird . Dieser Abstand entspricht vorzugsweise einem Mittenabstand bzw . einer halben Wanddicke oder Wandstärke der Struktur 11 .
In der auf die erste Schicht Li folgenden Schicht L2 wird der Belichtungsvektor V2 entlang des eingezeichneten Pfeiles nach rechts , d . h . hin zu der Außenkante , leicht verschoben, so dass der eingezeichnete Abstand b eingehalten wird . Gleiches gilt entsprechend für die dritte dargestellte Schicht L3, deren Schmel zbadmitte über die Länge oder Verschiebung o derart nach außen verschoben wird, dass der Abstand c eingehalten werden kann . Vorzugsweise gilt daher weiterhin : a > b > c .
In der Figur 4 ist weiterhin schematisch eine Vorrichtung 20 angedeutet , welche beispielsweise als Prozessor, Computer, Steuereinheit oder 3D-Druckervorrichtung ausgeführt sein und erfindungsgemäß entsprechende Mittel zur Wahl der genannten Parameter, insbesondere über CAM sowie deren prozesstechni- sche Umsetzung aufweisen kann . Insbesondere kann die Vorrichtung 20 zur Aus führung von Computerprogrammen und zur Bereitstellung eines Computerprogrammproduktes gemäß der vorliegenden Erfindung eingerichtet sein .
Uber die beschriebene „Designregel" der vorliegenden Erfindung wird vorteilhafterweise ein angeschrägter Bereich einer dünnen Bauteilstruktur mit besonderer Konturtreue , Maßhaltigkeit und Oberflächengüte abgebildet .
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann über die erfindungsgemäßen Vorteile - auch anders als in den bisher beschriebenen Figuren dargestellt - eine sich beispielsweise in Aufbaurichtung verbreiternde Bauteilstruktur abgebildet werden, wobei dann die beschriebenen Parameter für aufeinanderfolgende Schichten genau entgegengesetzt zu korrelieren sind . Beispielsweise kann die eingebrachte Linienenergie dann zur Aus- bildung eines breiteren Schmel zbades für eine untere Bauteilschicht besonders gering gewählt werden und dann in Aufbaurichtung vergrößert werden . Alternativ oder zusätzlich gilt entsprechend für die Rastergeschwindigkeit , dass diese korrespondierend in Aufbaurichtung reduziert wird . Für solche Strukturen liegt die Schwierigkeit in erster Linie aber ebenfalls in der Umsetzung des j eweils dünneren (weiter unten liegenden) Bauteilbereichs .
Bei dem Bauteil 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 Brennkammeroder 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 .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur additiven Herstellung einer dünnen, angeschrägten Bauteilstruktur (10, 11) , umfassend:
- Anpassen von Bestrahlungsparametern (P, v) ausgehend von einer ersten Schicht (LI) zu einer in Aufbaurichtung (Z) folgenden Schicht (L2, L3) , wobei eine Linienenergie (P) und/oder eine Rastergeschwindigkeit (v) für die Bestrahlung der folgenden Schicht (L2) verändert wird, um eine Schmelzbadbreite eines Bestrahlungspfades (VI, V2, V3) für die folgende Schicht (L2) zu verändern, und
- Verschieben eines Bestrahlungspfades (VI, V2, V3) für die folgende Schicht (L2) ausgehend von der ersten Schicht (LI) derart, dass an einer entgegen einer Verschiebungsrichtung (o) entstehenden Seite der Bauteilstruktur (11) eine angeschrägte Flanke (12) gebildet wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Linienenergie (P) verringert und/oder die Rastergeschwindigkeit (v) erhöht wird .
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die angeschrägte Flanke (12) eine Fase ist.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Energieeintrag für die Herstellung der dünnen Bauteilstruktur gepulst angewendet wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Bestrahlung der ersten Schicht (LI) einen dickeren Bereich bildet als eine Bestrahlung der folgenden Schicht (L2, L3) und wobei die Bauteilstruktur in Aufbaurichtung (Z) spitz zuläuft .
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei eine Bestrahlung der spitz zulaufenden Bauteilstruktur (11) ausschließlich über Einzelspuren (V2, V3) erfolgt.
7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die spitz zulaufende Bauteilstruktur (11) eine Wanddicke von weniger als 250 pm hat .
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Bestrahlung der ersten Schicht einen dünneren Bereich bildet als eine Bestrahlung der folgenden Schicht und wobei sich die Bauteilstruktur in Aufbaurichtung verbreitert.
9. Bauteil (10) hergestellt oder herstellbar nach dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (10) einen dünnen Bauteilbereich (11) aufweist, welcher frei von Stufen ausgebildet ist.
10. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Vorrichtung (20) , beispielsweise zur Steuerung der Bestrahlung in einer additiven Herstellungsanlage, diese veranlassen, die Linienenergie (P) und/oder die Rastergeschwindigkeit (v) zu wählen und die Herstellung der dünnen Bauteilstruktur (11) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
EP23701455.0A 2022-02-18 2023-01-20 Additive herstellung einer dünnen angeschrägten bauteilstruktur Pending EP4444493A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022201696.3A DE102022201696A1 (de) 2022-02-18 2022-02-18 Additive Herstellung einer dünnen angeschrägten Bauteilstruktur
PCT/EP2023/051384 WO2023156132A1 (de) 2022-02-18 2023-01-20 Additive herstellung einer dünnen angeschrägten bauteilstruktur

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4444493A1 true EP4444493A1 (de) 2024-10-16

Family

ID=85036296

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP23701455.0A Pending EP4444493A1 (de) 2022-02-18 2023-01-20 Additive herstellung einer dünnen angeschrägten bauteilstruktur

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20250144880A1 (de)
EP (1) EP4444493A1 (de)
CN (1) CN118715076A (de)
DE (1) DE102022201696A1 (de)
WO (1) WO2023156132A1 (de)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011087374A1 (de) 2011-11-29 2013-05-29 Matthias Fockele Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus Werkstoffpulver
EP3127635A1 (de) 2015-08-06 2017-02-08 TRUMPF Laser-und Systemtechnik GmbH Zusatzstoffherstellung von down-skin-schichten
US20180292146A1 (en) * 2017-04-10 2018-10-11 United Technologies Corporation Partially additively manufactured heat exchanger
WO2018210436A1 (de) 2017-05-19 2018-11-22 Eos Gmbh Electro Optical Systems Optimierung des energieeintrags im downskin
DE102018204024A1 (de) 2018-03-16 2019-09-19 Continental Reifen Deutschland Gmbh Rippen-oder lamellenförmiges Element, Profilringsegment und Verfahren zur Herstellung eines Profilringsegmentes

Also Published As

Publication number Publication date
US20250144880A1 (en) 2025-05-08
CN118715076A (zh) 2024-09-27
DE102022201696A1 (de) 2023-08-24
WO2023156132A1 (de) 2023-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2019179690A1 (de) Verfahren zum selektiven bestrahlen einer materialschicht, verfahren zum bereitstellen eines datensatzes, vorrichtung und computerprogramprodukt
EP3710182B1 (de) Schichtselektive belichtung im überhangbereich bei der generativen fertigung
EP3621758B1 (de) Verfahren für ein additiv herzustellendes bauteil mit vorbestimmter oberflächenstruktur
EP3242762A1 (de) Vorrichtung und generatives schichtbauverfahren zur herstellung eines dreidimensionalen objekts mit mehrzahligen strahlen
DE102017213720A1 (de) Optimiertes Segmentierungsverfahren
EP3520929A1 (de) Verfahren zum selektiven bestrahlen einer materialschicht, herstellungsverfahren und computerprogrammprodukt
DE102018202506A1 (de) Additives Herstellverfahren mit kontrollierter Verfestigung und zugehörige Vorrichtung
WO2018197443A1 (de) Homogenisierung des energieeintrags
DE102016224060A1 (de) Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils mit Stützstruktur und reduzierter Energiedichte
EP3461571A1 (de) Verfahren zum bestrahlen einer pulverschicht in der additiven herstellung mit kontinuierlich definierten herstellungsparametern
WO2023083575A1 (de) Verfahren, planungsvorrichtung und computerprogrammprodukt zum planen einer lokal selektiven bestrahlung eines arbeitsbereichs mit einem energiestrahl, sowie verfahren, fertigungsvorrichtung und computerprogrammprodukt zum additiven fertigen von bauteilen aus einem pulvermaterial
WO2021115756A1 (de) Hatchumkehr mit keyhole-übergabe
WO2022167408A1 (de) Bestrahlungsstrategie für die additive herstellung mit gepulster bestrahlung
WO2018188757A1 (de) Verfahren zum pulverbettbasierten additiven herstellen eines werkstücks, verfahren zum erstellen von korrekturparametern für das erstgenannte verfahren und computerprogrammprodukt für das zweitgenannte verfahren
EP4491376A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur additiven fertigung
DE102020209386A1 (de) Verfahren zum Herstellen von Hohlräumen in einer schichtweise additiv herzustellenden Struktur
EP4444493A1 (de) Additive herstellung einer dünnen angeschrägten bauteilstruktur
EP3995237A1 (de) Bestrahlungsstrategie für die additive herstellung eines bauteils und entsprechendes bauteil
EP4161721B1 (de) Verfahren zur additiven herstellung eines bauteils mit stützstruktur
WO2019034259A1 (de) Vefahren zur bearbeitung einer werkstoffschicht mit energetischer strahlung variabler energieverteilung
DE102024207373A1 (de) Hatch-Strategie beim Verfestigen des Aufbaumaterials in einem additiven Herstellverfahren
EP3702132B1 (de) Verfahren zur lithographiebasierten generativen fertigung eines dreidimensionalen bauteils
WO2026027777A1 (de) Hatch-strategie beim verfestigen des aufbaumaterials in einem additiven herstellverfahren
DE102024103261A1 (de) Verfahren zum Kalibrieren, Verfahren zum Planen, Verfahren und Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial, Steuervorrichtung für eine solche Fertigungsvorrichtung und Computerprogramm
DE102022115803A1 (de) Verfahren zur Planung der lokalen Verfestigung einer Schicht pulverförmigen Materials bei der schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20240712

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)