WO2019120847A1 - Verfahren und vorrichtung zum additiven herstellen eines bauteils sowie bauteil - Google Patents

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WO2019120847A1
WO2019120847A1 PCT/EP2018/082124 EP2018082124W WO2019120847A1 WO 2019120847 A1 WO2019120847 A1 WO 2019120847A1 EP 2018082124 W EP2018082124 W EP 2018082124W WO 2019120847 A1 WO2019120847 A1 WO 2019120847A1
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temperature distribution
material layer
component
energy beam
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Johannes Casper
Henning Hanebuth
Matthias Goldammer
Herbert Hanrieder
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Siemens Aktiengesellschaft
MTU Aero Engines AG
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for additive production of a component, in particular for a turbomachine, in which successively provided a plurality of layers of a particular powdery material and each materi allage with at least one energy beam, in particular at least one laser beam according to a predetermined component geometry scanned is, with an additional heating ei nes already manufactured component section and / or the ever-provided material layer and / or a working platform on which the component is constructed takes place.
  • the invention relates to a device for ad ditive production of a component, in particular for a turbomachine, comprising
  • Means for providing superimposed, preferably powdered material layers in the working area are provided.
  • tion which is designed and set up to emit at least one energy, in particular laser beam and materials provided in the work area with the at least one energy, in particular laser, beam according to a predetermined component geometry
  • the invention relates to a component, in particular for a turbomachine.
  • a plurality of particular powdery layers of material are successively provided one above the other and each layer is scanned by one or more energy beams, in particular laser or electron beams according to a predetermined component geometry and thereby locally melted or sintered.
  • energy beams in particular laser or electron beams according to a predetermined component geometry and thereby locally melted or sintered.
  • additive manufacturing processes include selective laser melting (SLM) or selective electron beam melting (SEBM) and selective laser or electron beam sintering (English: Selective Laser Singing).
  • SLS or Selective Electron Beam Sintering - SEBS) from the powder bed is called laser powder overlay welding (LPA).
  • the layer-wise construction of a component takes place on a height-adjustable work platform which forms the bottom of a production cylinder and means are provided for providing powder.
  • V erlagen the one next to the work platform to parent storage cylinder with a liftable floor and egg ne trained as a squeegee distribution device, by means of which powder can be conveyed from the stock in the production cylinder and smoothed, include.
  • the powder provided is pressed from this gradually by lifting the bottom up and with the Ra angle in layers on the adjacent building platform trans feriert and distributed there.
  • resistive heating inductive heating
  • IR heating inductive heating
  • electron beam heating electron beam heating
  • the latter type of heating is seen for example in accordance with DE 10 2015 201 637 Al in the context of SLM from the powder bed before.
  • means for additional heating are IN ANY, the nenstrahletti arranged above the powder bed electric, by means of which an electron beam can be directed from above perpendicular to the powder bed include.
  • the electron beam is directed to the material layer before, during and / or after the laser melting.
  • the laser source is located on the side of the powder bed and the scan beam is directed diagonally from the side towards the powder bed, so that the electron beam is not blocked.
  • DE 10 212 206 122 Al shows, in the context of egg nes additive manufacturing process, such as the Laserpulverauf contract welding or selective irradiation of a powder bed to perform an additional, specifically inductive heating of herzustel sirloin component.
  • the means for additional inductive heating also comprise at least one coil
  • the DE 10 212 206 122 Al provides that the at least one coil is movable and their position is changed during the additive production.
  • the additional heating makes it possible to obtain better results, in particular the preservation of components with improved properties, since the formation of cracks is avoided or at least reduced - even when using materials which are difficult to weld.
  • This object is achieved in a method of the type mentioned fact that for at least one, in particular for each material layer, the temperature distribution on the surface on which the material layer is provided, in particular before provision of the position metrologically it is summarized, and / or the temperature distribution is detected on the Oberflä surface of the layer provided by measurement, and that in the context of scanning the material layer, the amount of energy introduced with the at least one energy beam depending on the detected temperature distribution on the upper surface on which the situation is provided, and / or in dependence the detected temperature distribution on the Oberflä surface of the layer is varied, in particular such that an inhomogeneity of the temperature distribution is reduced or compensated.
  • the present invention is based on the finding that in the context of additional heating or heating in Additi ven production process, which in particular allows processing even of difficult-to-weld materials, usually no homogeneous temperature distribution is obtained.
  • an at least to some extent inhomogeneous temperature profile results in the respectively provided material. allage, or an underlying hergestell th component section with which various disadvantages are connected.
  • Significant disadvantages of an inhomogeneous temperature distribution are, for example, an uneven temperature expansion in the material and associated inaccuracies in the application of material, uncontrollable lateral heat flow in the resulting component and risk of cracking due to stresses in remote component regions.
  • the component quality can be adversely affected, process-related defects can not be reliably avoided, a slowing down of the construction process may become necessary and it may result in limiting conditions with regard to design freedom.
  • the additional heating and scanning, in particular on melting or sintering process with the at least one energy beam are optimally matched to each other, specifically the we least one energy beam is selectively controlled to Inho mogenticianen that themselves due to the additional, as inductive heating adjust adjust.
  • the flexibility of the at least one energy beam is used according to the invention to absorb an uneven temperature distribution.
  • the at least one energy beam, scanned with the material layer is controlled compensating depending on the measurement.
  • the introduced via the at least one energy, in particular laser energy input during the scanning process by varying suitable parameters is adjusted. In particular, the amount of energy introduced per volume and / or time unit is varied.
  • the procedure according to the invention results in a particularly homogeneous introduction of energy and thus a clear quality. improved.
  • the process stability is increased and the requirements for the concept for the additional heating can be reduced. If, for example, an existing heating concept delivers only a comparatively inhomogeneous temperature distribution, this can be tolerated and compensated for in a comparatively simple manner by an adapted energy beam control alone.
  • Another great advantage of the procedure according to the invention is that fast heating times and thus a reduction of the construction time and costs can be achieved.
  • the materials from which components can be manufactured additive by carrying out the inventions to the invention process may in particular be all inductively heatable metals, preferably nickel-based, iron-based or Cobaltbasiswerkstof fe.
  • the metrological detection of the temperature distribution on the surface of a material layer or on the surface on which it is provided, for example, can take place at predetermined, suitable times, for example before or after the provision of a layer. Particularly preferably it follows the metrological detection and / or the evaluation of the detected temperature distribution, such as a detected Tem perature image in temporal proximity to the subsequent Scanvor gang with at least one energy beam.
  • the temperature distribution in the manner of a conven- tional video continuously or quasi-continuously recorded and then in particular single images boastge be resorted.
  • a plurality of successive recordings but with a high temporal resolution is to understand, for example, several o or several ten frames per second.
  • a block-by-block approach in which a temperature distribution is detected per section or a completely continuous recording, in which an adjustment is made to control the energy input, eg the power with each recorded temperature image of the camera.
  • the detection of the temperature distribution takes place according to a further embodiment at least over that area of the surface over which the area of the respective material layer to be scanned extends. It can also be provided that the measured area "mitwandert", as the tempera ture established always over a range of predetermined extent occurs, which always includes the current impact point at least ei Nes energy beam and / or that area, the additional Lich in particular inductively heated or re is defined to this.
  • the additional Lich in particular inductively heated or re is defined to this.
  • the temperature distribution on the surface of a work platform on which the first layer is provided is present for the first and lowest materials Provision of the first layer is detected by measurement, and within the scope of the scanning of the first layer, the amount of energy introduced with the at least one energy beam is varied depending on the detected temperature distribution on the surface of the working platform.
  • a further embodiment of the method according to the invention is characterized in that the amount of energy introduced with the at least one energy beam during the scanning process Ganges is varied by the intensity and / or the power and / or the pulse duration and / or the beam or focus diameter and / or the traversing speed of the least one energy beam, and / or the density of Scanvekto ren, in particular scan lines , along which the at least one energy beam is moved over the material layer, is varied during the scanning process.
  • These parameters have proven to be particularly suitable for the energy yield during the scanning process as a function of a detected temperature distribution to compensate for inhomogeneities of this Anlagenpas sen. If, for example, the energy beam, in particular laser line, is increased while the energy beam is moved along a scan line over a provided material layer, a temperature gradient resulting in the direction of this scan line can be compensated for and swept around.
  • the temperature distribution at the surface on which the material layer is provided is detected by measurement, by means of egg ner thermal camera, a temperature image of this surface is taken up.
  • the temperature distribution on the surface of the material layer can be detected metrologically by using a Ther mogro a temperature image of the surface of the material layer is recorded.
  • a thermal camera is to be understood in particular as any type of camera which makes it possible to determine the temperatures of object surfaces in a contactless and flat manner, such as thermal imaging cameras.
  • a thermal camera works in particular analogous to a camera in the visual wavelength range, but as a rule recordings are made in the infrared wavelength range. Accordingly, a thermal camera usually has a particularly in inf raroten wavelength range sensitive detector. The wavelength of a camera used, in particular the detector of such, expediently corresponds insofar as the target temperature of the heating, that a heat radiation sufficient in the wavelength range of the camera is removed. will be in order to be detected by the camera.
  • the intensity of the emitted radiation correlates with the temperature, so that can be converted by a calibration of the received radiation intensity on the temperature umgerech net.
  • a temperature image is taken, this can be evaluated, in which case preferably the energy introduced with the at least one energy beam is varied as a function of the result of the evaluation.
  • Temperature images obtained are in particular in the form of temperature values for each camera pixel and can be used for further processing.
  • the temperatures can be displayed, for example, in the form of false color or grayscale images.
  • An associated scale can then assign gray or color values to temperatures.
  • At least one temperature gradient is determined or calculated on the basis of a temperature image.
  • the energy introduced with the at least one energy beam can then be varied during the scanning process as a function of the calculated temperature gradient.
  • the energy beam, in particular laser, line along a scan vector, in particular along a scan line to be modulated such that an inhomogeneity of a detected temperature distribution is counteracted.
  • the variation during a scanning process may in particular be such that where, according to the detected temperature distribution, there is a comparatively lower temperature, the amount of energy introduced by the at least one energy beam is increased, and / or where, according to the detected temperature distribution, an im Comparison higher temperature is present, which is reduced by the at least one energy beam introduced amount of energy.
  • comparison means then in particular compared to another location of a material layer which has already been scanned with the at least one energy beam.
  • An increase in the amount of energy introduced can be achieved, for example, by increasing the intensity and / or the power of at least one energy beam and / or increasing the density of scan vectors, in particular scan lines, along which at least one energy beam is moved over the material position, and / or a reduction in the Verfahrge speed at least one energy beam can be achieved.
  • a reduction in the amount of energy introduced can be achieved by reducing the intensity and / or the power of at least one energy beam and / or reducing the density of scan vectors, in particular scan lines, along which at least one energy beam is moved over the material layer, and / or an increase in the travel speed at least one energy beam can be achieved.
  • the power of the at least one energy beam can be modulated, for example, along a scan vector and / or from scan vector to scan vector as a function of a detected temperature distribution.
  • the additional heating of the respectively provided material layer and / or of an already produced component section and / or a working platform on which the component is constructed takes place in ductile fashion by means of at least one induction coil.
  • an induction coil is to understand any device that can cause inductive heating.
  • a single induction loop, for example, should also be understood as an induction coil.
  • the procedure according to the invention has proven to be very particularly suitable for those cases in which the additional heating takes place inductively.
  • the additional heating takes place inductively.
  • for Erracer tion by means of one or more induction coils Wirbelströ me especially in a location under the location, already produced component section and / or located under a provided material layer work platform he testifies.
  • heating usually takes place indirectly above the inductively heated solid bodies below, since an induction of eddy currents in the powder particles is generally negligible due to the small size of the particles.
  • the taking place in the context of the inventive method to additional heating of an already manufactured Bauteilab section and / or a work platform on which the component is constructed, and / or each provided material layer can also be done simultaneously to the scanning process of the material layer with the at least one energy beam and / or this upstream and / or downstream.
  • each of the material layers required for the production of a component of the desired geometry requires additional heating before and / or after and / or simultaneously or only for a part of the material layers.
  • Detection means are provided for the metrological detection of the temperature distribution on the surface of the working platform and / or a component section already produced above the working platform and / or a material layer provided on the working platform or an already manufactured construction section;
  • Control means which are adapted and arranged to vary the amount of energy introduced during a scan with at least one provided by the energy beam device energy amount depending on detected with the detection means temperature distribution, in particular such that a Inhomogeni ity of the temperature distribution is compensated or reduced.
  • the detection means may in particular comprise or be given by at least one thermal camera.
  • the means for heating may comprise at least one induction coil or be formed by a sol chen.
  • control means of the device according to the invention are fer ner preferably designed and set up to carry out the method according to the invention described above.
  • the control means may be constituted by or comprise a computer. They are in particular connected to the energy beam direction on the one hand and the detection means for metrological detection of the temperature distribution on the other hand, so that the measurement result can be passed to the temperature of a material layer provided to it and possibly evaluated, and at least one of the energy Beam direction provided energy, in particular laser beam is then controlled based on the result. So that an evaluation of the measurement result for temperature distribution can take place, the control means are preferably designed as control and evaluation means or else evaluation means are provided and connected to the control means.
  • Another object of the invention is a component, in particular for a turbomachine, which was prepared by carrying out the method according to the invention.
  • Figure 1 is a purely schematic perspective view of egg ner device for additive manufacturing of a construction part according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a purely schematic sectional view of the device before direction of Figure 1;
  • FIG. 3 shows a graph in which the temperature profile along a predetermined line is represented by a temperature image of the surface of a component section already provided by means of the thermal camera of the device of FIG. and
  • Figure 4 is a graph in which a the temperature profile
  • FIGS. 1 and 2 show purely schematic and highly simplified representations of an exemplary embodiment of an embodiment of the invention.
  • inventive device for the additive production of a component of which in the figures an already manufactured component section 1 can be seen.
  • FIG. 1 shows a perspective view
  • FIG. 2 shows a sectional view. It should be noted that in both figures, components of the device are not shown, but which can be taken from the respective other figure.
  • the device comprises, as previously known from the prior art, a defined by a cylinder 2 working space 3, in which a working platform 4 is arranged vertically movable over a punch 5. Cylinder 2, Ar beitsraum 3 and 5 stamp are only in the figure 2 Darge presents.
  • the device further comprises means for providing a plurality of superimposed powder layers, which also in the prior art also known manner, not shown in the figures, directly adjacent to the cylinder 2 arranged powder reservoir and also not he detectable squeegee.
  • the cylinder 2 is filled with powder 6.
  • powder 6 from the powder reservoir is in each case conveyed in a sufficiently well-known manner into the working space 3 and smoothed out there.
  • each of the powder layers provided on top of each other is selectively melted by means of a laser beam 7 in accordance with a predetermined component geometry.
  • the laser beam 7 is provided by a set only in the figure 1 Darge laser beam device 8 of the device sheerge and by means of a scanning device 9 this process according to the predetermined geometry on the powder layer.
  • the device further comprises means for inductive heating of the working platform 4 or on this be already constructed component section 1, which are presently given by an induction coil 10. With the help of the coil 10 eddy currents are induced during operation during a manufacturing process in the working platform 4 and / or on this already herge imputed component section 1 and this inductively heated. In particular, the formation of hot cracks is avoided or reduced by the additional inductive heating and it is also difficult to weld materials can be processed.
  • a nickel base material is used.
  • detection means for measuring technical temperature distribution on the upper surface of the working platform 4 or one above this be prepared already manufactured component section 1 and on the Oberflä surface of a provided powder layer are formed.
  • the detection means are provided by a thermal imaging camera 11, which can only be seen in FIG. 1, of the apparatus which "looks at” from above in the direction of the work platform 4 or a substructure 1 already constructed thereon (see FIG. ,
  • a further component of the device described here is a central control device 12, which with the punch 5, the means for providing powder layers, the laser beam device 8, the scanning device 9, the coil 10 and the thermal imaging camera 11 or a respectively associated further, Connected in the figures unrecognizable control device.
  • the temperature distribution at that surface is measured detected, on which the respective powder layer is provided.
  • the metrological detection of the temperature distribution is carried out in each case before the provision of the situation by a Tempe is taken raturstory of the respective loading riding surface with the thermal imaging camera 11.
  • the detection and / or the time Liche evaluation of a detected temperature image is done as in preferably in temporal proximity to the subsequent scan process with the at least one energy, in particular La serstrahl.
  • the thermal imaging camera continuously records and then the tempera tures of appropriate times are used.
  • the thermal imaging camera 11 takes in a conventional manner, an image of the radiated from the respective surface heat mestrahlung in the infrared wavelength range.
  • the surface temperature images obtained are in the form of temperature values for each camera pixel and can be used for further processing.
  • the temperatures can be displayed, for example, in the form of false color or grayscale images.
  • the first, lowermost layer is the surface of the working platform 4 pointing upwards in the figures and, for all other layers, the surface of the side of the respectively already constructed component section 1 pointing upwards in FIG.
  • the temperature image recorded in advance for each layer is evaluated in each case, with concrete along predetermined lines which correspond to later scan lines of the laser beam 7, long of which the laser beam 7 on the respective position is procedural Ren, in order to selectively melt this, the temperature gradient is determined.
  • the laser beam 7 is moved in the x and y direction over the layers, which is indicated in the figure 1 with two orthogonal zuei nander oriented double arrows.
  • the determined temperature profile 13 along a predetermined line is shown by a temperature image detected for a component section 1.
  • the y-axis is marked with "T” for the temperature and the x-axis with "s" for the distance along the component. It can be seen that there is a not inconsiderable inhomogeneity in the temperature distribution along the considered line. Specifically, there is a significantly higher temperature in the edge region than in the middle, which is due to a before ferred heating of component edges in the context of inductive heating.
  • the amount of energy introduced by the laser beam 7 is varied during the process along the scan lines as a function of the determined temperature gradient during the subsequent Scanvor, and the art that the existing inhomogeneity is reduced or compensated.
  • this is realized by adjusting the power of the laser beam 7 during the process along the respective scan line.
  • An exemplary course of the laser power 14, wel holes for the temperature profile 13 shown in Figure 3 is compensating, can be seen from Figure 4.
  • the y-axis with "P" for the laser power and the x-axis in turn with "s" for the route along the construction part is called.
  • control device 12 includes u.a. a computer.
  • the laser power and the traversing speed of the laser beam 7 can be adjusted to compensate for the inhomogeneous temperature distribution. It is also possible to change the density of the scanli nien. An additional or alternative Anpas solution of further laser parameters is also conceivable, as long as this compensation of an existing inhomogeneity due to the additional inductive heating is possible. Also, it is of course possible that, alternatively or in addition to the inductive heating, a heating is carried out on ande re way, for example, a resistive He warming or heating by means of IR rays. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils, bei dem nacheinander eine Mehrzahl von Lagen aus einem insbesondere pulverförmigen Material bereitgestellt und jede Materiallage mit einem Energiestrahl gemäß einer vorgegebenen Bauteilgeometrie gescannt wird, wobei eine zusätzliche Erwärmung eines bereits hergestellten Bauteilabschnitts (1) und/oder der jeweils bereitgestellten Materiallage und/oder einer Arbeitsplattform (4), auf welcher das Bauteil aufgebaut wird, erfolgt, wobei für wenigstens eine Materiallage die Temperaturverteilung an derjenigen Oberfläche, auf welcher die Materiallage bereitgestellt wird, und/oder die Temperaturverteilung an der Oberfläche der bereitgestellten Lage messtechnisch erfasst wird, und dass im Rahmen des Scanvorgangs der Materiallage die mit dem Energiestrahl (7) eingebrachte Energiemenge in Abhängigkeit der erfassten Temperaturverteilung an der Oberfläche, auf der die Lage bereitgestellt wird, und/oder in Abhängigkeit der erfassten Temperaturverteilung an der Oberfläche der Lage variiert wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils sowie ein Bauteil.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum additiven Herstellen eines Bau teils sowie Bauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils, insbesondere für eine Strömungsmaschine, bei dem nacheinander eine Mehrzahl von Lagen aus einem insbeson dere pulverförmigen Material bereitgestellt und jede Materi allage mit wenigstens einem Energiestrahl, insbesondere we nigstens einem Laserstrahl gemäß einer vorgegebenen Bauteil geometrie gescannt wird, wobei eine zusätzliche Erwärmung ei nes bereits hergestellten Bauteilabschnitts und/oder der je weils bereitgestellten Materiallage und/oder einer Arbeits plattform, auf welcher das Bauteil aufgebaut wird, erfolgt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur ad ditiven Herstellung eines Bauteils, insbesondere für eine Strömungsmaschine, umfassend
- einen insbesondere oberhalb einer Arbeitsplattform defi nierten Arbeitsbereich,
- Mittel zur Bereitstellung übereinanderliegender, bevor zugt pulverförmiger Materiallagen in dem Arbeitsbereich,
- eine Energiestrahl-, insbesondere Laserstrahleinrich
tung, die ausgebildet und eingerichtet ist, um wenigs tens einen Energie-, insbesondere Laserstrahl zu emit tieren und in dem Arbeitsbereich bereitgestellte Materi allagen mit dem wenigstens einen Energie-, insbesondere Laserstrahl gemäß einer vorgegebenen Bauteilgeometrie zu scannen,
- Mittel zur insbesondere induktiven Erwärmung einer in dem Arbeitsbereich bereitgestellten Materiallage
und/oder eines bereits hergestellten Bauteilabschnitts und/oder der Arbeitsplattform. Schließlich betrifft die Erfindung ein Bauteil, insbesondere für eine Strömungsmaschine.
Bauteile, insbesondere solche mit komplexen geometrischen Formen, lassen sich durch spanende Fertigungsverfahren mitun ter nur vergleichsweise aufwendig bzw. gar nicht realisieren. Hier haben sich in den vergangenen Jahren als Alternativen sogenannte generative bzw. additive Fertigungsverfahren her vorgetan (englisch : Additive Manufacturing - AM).
Verfahren und Vorrichtung zur additiven Herstellung von Bau teilen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
Bei diesen Aufbauverfahren werden nacheinander eine Vielzahl von insbesondere pulverförmigen Materiallagen übereinander liegend bereitgestellt und jede Lage wird mittels eines oder mehrerer Energiestrahlen, insbesondere Laser- bzw. Elektron strahlen gemäß einer vorgegebenen Bauteilgeometrie gescannt und hierdurch lokal aufgeschmolzen bzw. gesintert. Dabei wer den so viele Lagen bereitgestellt, und jeweils mit dem we nigstens einen Energiestrahl gescannt, bis das herzustellende Bauteil fertiggestellt ist.
Als Beispiele für additive Herstellungsverfahren seien das selektive Laserschmelzen (englisch: Selective Laser Melting - SLM) bzw. selektive Elektronenstrahlschmelzen (englisch: Sel ective Electron Beam Melting - SEBM) und das selektive Laser- bzw. Elektronenstrahlsintern (englisch: Selective Laser Sin- tering - SLS bzw. Selective Elektron Beam Sintering - SEBS)aus dem Pulverbett siwe das Laserpulverauftragsschweißen (LPA) genannt.
Aus der DE 10 2014 222 302 Al beispielsweise gehen ein Ver fahren und eine Vorrichtung zur additiven Herstellung von Bauteilen durch SLM aus dem Pulverbett hervor. Der schicht weise Aufbau eines Bauteils erfolgt dabei auf einer den Boden eines Fertigungszylinders bildenden höhenverstellbaren Ar- beitsplattform und es sind Mittel zur Bereitstellung von Pul- Verlagen vorgesehen, die einen neben der Arbeitsplattform an geordneten Vorratszylinder mit einem anhebbaren Boden und ei ne als Rakel ausgebildete Verteileinrichtung, mittels derer Pulver aus dem Vorrats- in den Fertigungszylinder gefördert und glattgezogen werden kann, umfassen. In dem Vorratszylin der bereitgestelltes Pulver wird aus diesem allmählich durch Anheben von dessen Bodens nach oben gedrückt und mit der Ra kel schichtweise auf die daneben liegende Bauplattform trans feriert und dort verteilt.
Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur additiven Fer tigung haben sich prinzipiell bewährt. Sie bieten u.a. den großen Vorteil eines hohen Maßes an Flexibilität hinsichtlich der erzielbaren Bauteilgeometrien.
Im Rahmen additiver Verfahren ist jedoch der Energieeintrag durch den einen oder die mehreren Scan-, etwa Laser- oder Elektronstrahlen stark lokal und die Möglichkeit der Wärmeab leitung ist insbesondere im Pulverbett vergleichsweise schlecht. Daher können hohe thermische Gradienten auftreten und es kann zur Bildung von Warmrissen führen. Diese Proble matik ist insbesondere in demjenigen Falle gegeben, dass Bau teile aus schwer schweißbaren Materialien herzustellen sind. Rein beispielhaft seien hier hochwarmfeste Legierungen sowie Ni-, Co- und Fe-Basiselemente genannt, wie sie u.a. für Lauf und Leitschaufein sowie Brennerkomponenten von Turbinen zum Einsatz kommen.
Im Lichte dieser Problematik können schwer schweißbare Werk stoffe im Rahmen der additiven Fertigung in der Regel nicht in hoher Qualität verarbeitet werden, so dass die mit dieser Fertigungsart verbundenen Vorteile eher gut schweißbaren Werkstoffen Vorbehalten bleiben.
Um auch schwer schweißbare Werkstoffe im Rahmen der additiven Fertigung einsetzen zu können, bietet eine zusätzliche Erwär mung, insbesondere Vorwärmung auf Temperaturen von beispiels weise über 1000°C eine vielversprechende Möglichkeit. Werden die zu scannende Materiallage und/oder ein darunter ggf. be reits vorhandener Bauteilabschnitt vor und/oder während des Scanvorganges erwärmt, kann ein schnelles Auskühlen und das damit verbundene Heißrissbildungsrisiko vermieden bzw. zumin dest reduziert werden. Zur Erwärmung von Materiallage
und/oder Bauteil bzw. auch einer gesamten Prozesskammer, in welcher die additive Fertigung erfolgt, stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, u.a. die resistive Heizung, die induktive Heizung, die Heizung mittels IR-Strahlen oder auch die Heizung mittels Elektronenstrahlen.
Die letztgenannte Heizungsart ist beispielsweise gemäß der DE 10 2015 201 637 Al im Rahmen von SLM aus dem Pulverbett vor gesehen. Dabei sind Mittel zur zusätzlichen Erwärmung vorhan den, die eine oberhalb des Pulverbettes angeordnete Elektro nenstrahlquelle, mittels derer ein Elektronenstrahl von oben senkrecht auf das Pulverbett gerichtet werden kann, umfassen. Der Elektronenstrahl wird vor, während und/oder nach dem La serschmelzen der Materiallage auf diese gerichtet. Die Laser quelle befindet sich seitlich des Pulverbettes und der Scan strahl wir von der Seite her schräg auf das Pulverbett ge richtet, so dass der Elektronenstrahl nicht blockiert wird.
Eine zusätzliche Erwärmung durch induktive Heizung mittels wenigstens einer oberhalb und/oder um das Pulverbett angeord neten Spule im Rahmen von SLM bzw. SLS ist in der EP 2 572 815 Al beschrieben.
Auch aus der DE 10 212 206 122 Al geht hervor, im Rahmen ei nes additiven Fertigungsverfahrens, etwa dem Laserpulverauf tragsschweißen oder selektiven Bestrahlen eines Pulverbetts, eine zusätzliche, konkret induktive Erwärmung des herzustel lenden Bauteils durchzuführen. Hierfür umfassen die Mittel zur zusätzlichen induktiven Erwärmung ebenfalls wenigstens eine Spule, wobei die DE 10 212 206 122 Al vorsieht, dass die wenigstens eine Spule bewegbar ist und ihre Position während der additiven Herstellung verändert wird. Die zusätzliche Erwärmung ermöglicht den Erhalt besserer Er gebnisse, insbesondere den Erhalt von Bauteilen mit verbes serten Eigenschaften, da die Bildung von Rissen - auch unter Verwendung schwer schweißbarer Werkstoffe - vermieden oder zumindest reduziert wird.
Es besteht jedoch noch Bedarf daran, die Fertigung weiter zu optimieren und insbesondere Komponenten auch aus schwer schweißbaren Werkstoffen von exzellenter Qualität zu erhal ten .
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfah ren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzuge ben, welche bzw. welches dies ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass für wenigstens eine, insbesondere für jede Materiallage die Temperaturverteilung an derjenigen Oberfläche, auf welcher die Materiallage bereitgestellt wird, insbesondere vor Bereitstellung der Lage messtechnisch er fasst wird, und/oder die Temperaturverteilung an der Oberflä che der bereitgestellten Lage messtechnisch erfasst wird, und dass im Rahmen des Scanvorgangs der Materiallage die mit dem wenigstens einen Energiestrahl eingebrachte Energiemenge in Abhängigkeit der erfassten Temperaturverteilung an der Ober fläche, auf der die Lage bereitgestellt wird, und/oder in Ab hängigkeit der erfassten Temperaturverteilung an der Oberflä che der Lage variiert wird, insbesondere derart, dass eine Inhomogenität der Temperaturverteilung reduziert oder ausge glichen wird.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass im Rahmen einer zusätzlichen Erwärmung bzw. Heizung bei additi ven Herstellungsverfahren, die insbesondere eine Verarbeitung auch von schwer-schweißbaren Werkstoffen ermöglicht, in der Regel keine homogene Temperaturverteilung erhalten wird.
Vielmehr resultiert ein zumindest in gewissem Maße inhomoge nes Temperaturprofil in der jeweils bereitgestellten Materi- allage, bzw. einem darunter befindlichen bereits hergestell ten Bauteilabschnitt womit verschiedene Nachteile verbunden sind. Wesentliche Nachteile einer inhomogenen Temperaturver teilung sind beispielsweise eine ungleichmäßige Temperatur ausdehnung im Material und damit verbundenen Ungenauigkeiten im Materialauftrag, unkontrollierbarer lateraler Wärmefluss im entstehenden Bauteil sowie Rissgefahr durch Spannungen in entfernt liegenden Bauteilbereichen. Die Bauteilqualität kann negativ beeinträchtigt werden, prozessbedingte Defekte können nicht zuverlässig vermeiden werden, eine Verlangsamung des Bauprozess kann notwendig werden und es können sich begren zende Rahmenbedingungen bezüglich der Designfreiheit ergeben.
Dieser Problematik wird erfindungsgemäß damit begegnet, dass die zusätzliche Heizung und der Scan-, insbesondere Auf schmelz- bzw. Sinterprozess mit dem wenigstens einen Energie strahl optimal aufeinander abgestimmt werden, konkret der we nigstens eine Energiestrahl gezielt gesteuert wird, um Inho mogenitäten, die sich infolge der zusätzlichen, etwa indukti ven Erwärmung einstellen, auszugleichen. Die Flexibilität des wenigstens einen Energiestrahls wird erfindungsgemäß genutzt, um eine ungleichmäßigen Temperaturverteilung aufzufangen.
Hierzu wird erfindungsgemäß - zumindest über einen Bereich einer bereitgestellten Materiallage, etwa den zu scannenden Bereich - messtechnisch erfasst, welche Wärmeverteilung sich insbesondere infolge der zusätzlichen Heizung ergeben hat und/oder ergibt, und dann wird der wenigstens eine Energie strahl, mit dem die Materiallage gescannt wird, in Abhängig keit der Messung ausgleichend gesteuert. Hierfür wird der über den wenigstens einen Energie-, insbesondere Laserstrahl eingebrachte Energieeintrag während des Scanvorgangs durch Variation geeigneter Parameter angepasst. Insbesondere wird dabei die pro Volumen- und/oder Zeiteinheit eingebrachte Energiemenge variiert.
Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise wird eine besonders homogene Energieeinbringung und somit eine deutliche Quali- tätsverbesserung erhalten. Die Prozessstabilität wird erhöht und die Anforderungen an das Konzept für die zusätzliche Hei zung können reduziert werden. Liefert etwa ein bestehendes Heizkonzept eine nur vergleichsweise inhomogene Temperatur verteilung, kann dies hingenommen und auf vergleichsweise einfache Weise allein durch eine angepasste Energiestrahl steuerung aufgefangen werden. Ein weiterer großer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise besteht darin, dass schnel ler Heizzeiten und somit eine Reduktion der Bauzeit und Kos ten erzielt werden kann.
Bei den Materialien, aus denen unter Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens Bauteile additiv fertigbar sind, kann es sich insbesondere um alle induktiv erwärmbaren Metalle, bevorzugt Nickelbasis-, Eisenbasis- oder Cobaltbasiswerkstof fe handeln.
Die messtechnische Erfassung der Temperaturverteilung an der Oberfläche einer Materiallage bzw. an der Oberfläche, auf welcher diese bereitgestellt wird, kann beispielsweise zu vorgegebenen, geeigneten Zeitpunkten, etwa vor bzw. nach der Bereitstellung einer Lage erfolgen. Besonders bevorzugt er folgt die messtechnische Erfassung und/oder die Auswertung der erfassten Temperaturverteilung, etwa eines erfassten Tem peraturbildes in zeitlicher Nähe zum anschließenden Scanvor gang mit wenigstens einem Energiestrahl.
Auch kann, beispielsweise unter Verwendung einer geeigneten Kamera, die Temperaturverteilung in der Art eines konventio nellen Videos kontinuierlich bzw. quasi-kontinuierlich aufge nommen und dann insbesondere auf einzelne Bilder zurückge griffen werden. Es sei angemerkt, dass unter kontinuierlich bzw. quasi kontinuierlich in üblicher Weise auch eine Mehr zahl hintereinander erfolgender Aufnahmen jedoch mit einer hohen zeitlichen Auflösung zu verstehen ist, z.B. mehrere o- der mehrere zehn Bilder pro Sekunde. Es ist ferner sowohl eine blockweise Vorgehensweise möglich, bei der pro Abschnitt eine Temperaturverteilung erfass wird oder auch eine vollständig kontinuierliche Aufzeichnung, bei der zur Regelung des Energieeintrags, z.B. der Leistung mit jedem aufgenommenen Temperaturbild der Kamera eine Anpassung vorgenommen wird.
Die Erfassung der Temperaturverteilung erfolgt gemäß einer weiteren Ausführungsform zumindest über denjenigen Bereich der Oberfläche, über den sich der zu scannende Bereich der jeweiligen Materiallage erstreckt. Auch kann vorgesehen sein, dass der vermessene Bereich "mitwandert", etwa die Tempera turerfassung immer über einen Bereich vorgegebener Ausdehnung erfolgt, der immer den aktuellen Auftreffpunkt wenigstens ei nes Energiestrahls und/oder denjenigen Bereich, der zusätz lich insbesondere induktiv erwärmt wird einschließt oder re lativ zu diesem definiert wird. Um eine Übersättigung zu ver meiden, die zu nicht repräsentativen Ergebnissen führen kann, ist in besonders vorteilhafter Ausführungsform vorgesehen, dass das im Bereich des Auftreffens des wenigstens einen Energie-, insbesondere Laserstrahls vorhandene Schmelzbad bei der messtechnischen Erfassung der Temperaturverteilung ausge blendet und/oder unberücksichtigt gelassen.
Da der Aufbau eines herzustellenden Bauteils in der Regel auf einer Arbeitsplattform erfolgt, kann gemäß einer Ausführungs form vorgesehen sein, dass für die erste und unterste Materi allage die Temperaturverteilung an der Oberfläche einer Ar- beitsplattform, auf der die erste Lage bereitgestellt wird, insbesondere vor Bereitstellung der ersten Lage messtechnisch erfasst wird, und im Rahmen des Scanvorgangs der ersten Lage die mit dem wenigstens einen Energiestrahl eingebrachte Ener giemenge in Abhängigkeit der erfassten Temperaturverteilung an der Oberfläche der Arbeitsplattform variiert wird.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die mit dem wenigstens einen Energiestrahl eingebrachte Energiemenge während des Scanvor- ganges variiert wird, indem die Intensität und/oder die Leis tung und/oder die Pulsdauer und/oder der Strahl- bzw. Fokus durchmesser und/oder die Verfahrgeschwindigkeit des wenigs tens einen Energiestrahls, und/oder die Dichte von Scanvekto ren, insbesondere Scanlinien, entlang derer der wenigstens eine Energiestrahl über die Materiallage bewegt wird, während des Scanvorganges variiert wird. Diese Parameter haben sich als besonders geeignet erwiesen, um den Energieertrag während des Scanvorganges in Abhängigkeit einer erfassten Temperatur verteilung zum Ausgleich von Inhomogenitäten dieser anzupas sen. Wird etwa die Energiestrahl-, insbesondere Laserleitung erhöht, während der Energiestrahl entlang einer Scanlinie über eine bereitgestellte Materiallage bewegt wird, kann ein in Richtung dieser Scanlinie abfallender, aus der Vorwärmung resultierender Temperaturgradient ausgeglichen werden und um gekehrt .
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird die Temperatur verteilung an der Oberfläche, auf welcher die Materiallage bereitgestellt wird messtechnisch erfasst, indem mittels ei ner Thermokamera ein Temperaturbild dieser Oberfläche aufge nommen wird. In analoger Weise kann alternativ oder zusätz lich die Temperaturverteilung an der Oberfläche der Material lage messtechnisch erfasst werden, indem mittels einer Ther mokamera ein Temperaturbild der Oberfläche der Materiallage aufgenommen wird. Unter einer Thermokamera ist insbesondere jede Art von Kamera zu verstehen, die es ermöglicht, die Tem peraturen von Objektoberflächen berührungslos und flächig zu bestimmen, wie etwa Wärmebildkameras. Eine Thermokamera funk tioniert insbesondere analog zu einer Kamera im visuellen Wellenlängenbereich, wobei jedoch in der Regel Aufnahmen im infraroten Wellenlängenbereich erstellt werden. Entsprechend weist eine Thermokamera üblicherweise einen vor allem im inf raroten Wellenlängenbereich empfindlichen Detektor auf. Die Wellenlänge einer zum Einsatz kommenden Kamera, insbesondere des Detektors einer solchen, entspricht zweckmäßiger Weise insofern der Zieltemperatur der Erwärmung, dass ein im Wel lenlängenbereich der Kamera ausreichende Wärmestrahlung abge- geben wird, um von der Kamera detektiert werden zu können.
Die Intensität der ausgesandten Strahlung korreliert dabei mit der Temperatur, so dass über eine Kalibrierung von der empfangenen Strahlungsintensität auf die Temperatur umgerech net werden kann.
Wird ein Temperaturbild aufgenommen, kann dieses ausgewertet werden, wobei dann bevorzugt die mit dem wenigstens einen Energiestrahl eingebrachte Energie in Abhängigkeit des Ergeb nisses der Auswertung variiert wird.
Erhaltene Oberflächen-Temperaturbilder liegen insbesondere in Form von Temperaturwerten für jeden Kamerapixel vor und kön nen für die Weiterverarbeitung verwendet werden. Zur Darstel lung für den Anwender können die Temperaturen beispielsweise in Form von Falschfarben- oder Graustufenbildern dargestellt werden. Eine zugehörige Skala kann dann Grau- bzw. Farbwerten Temperaturen zuordnen.
Beispielsweise ist es möglich, dass auf Basis eines Tempera turbildes wenigstens ein Temperaturgradient ermittelt bzw. berechnet wird. Die mit dem wenigstens einen Energiestrahl eingebrachte Energie kann dann während des Scanvorgangs in Abhängigkeit des berechneten Temperaturgradienten variiert werden. Zum Beispiel ist es möglich, dass die Energiestrahl-, insbesondere Laserleitung entlang eins Scanvektors, insbeson dere entlang einer Scanlinie derart moduliert wird, dass ei ner Inhomogenität einer erfassten Temperaturverteilung entge gengewirkt wird.
Die Variation während eines Scanvorganges kann insbesondere derart sein, dass dort, wo gemäß der erfassten Temperaturver teilung eine im Vergleich niedrigere Temperatur vorliegt, die durch den wenigstens einen Energiestrahl eingebrachte Ener giemenge erhöht wird, und/oder dort, wo gemäß der erfassten Temperaturverteilung eine im Vergleich höhere Temperatur vor liegt, die durch den wenigstens einen Energiestrahl einge brachte Energiemenge reduziert wird. Im Vergleich bedeutet dann insbesondere im Vergleich zu einer anderen Stelle einer Materiallage, welche bereits mit dem wenigstens einen Ener giestrahl gescannt wurde.
Eine Erhöhung der eingebrachten Energiemenge kann dabei zum Beispiel durch eine Erhöhung der Intensität und/oder der Leistung wenigstens eines Energiestrahls und/oder eine Erhö hung der Dichte von Scanvektoren, insbesondere Scanlinien, entlang derer wenigstens ein Energiestrahl über die Material lage bewegt wird, und/oder eine Reduktion der Verfahrge schwindigkeit wenigstes einen Energiestrahls erreicht werden. In analoger Weise kann eine Reduktion der eingebrachten Ener giemenge durch eine Reduktion der Intensität und/oder der Leistung wenigstens eines Energiestrahls und/oder eine Reduk tion der Dichte von Scanvektoren, insbesondere Scanlinien, entlang derer wenigstens ein Energiestrahl über die Material lage bewegt wird, und/oder eine Erhöhung der Verfahrgeschwin digkeit wenigstes einen Energiestrahls erreicht werden.
Die Leistung des wenigstens einen Energiestrahls kann zum Beispiel entlang eines Scanvektors und/oder von Scanvektor zu Scanvektor in Abhängigkeit einer erfassten Temperaturvertei lung moduliert werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung erfolgt die zusätzliche Erwärmung der jeweils bereitgestellten Materiallage und/oder eines bereits hergestellten Bauteilabschnitts und/oder einer Arbeitsplattform, auf welcher das Bauteil aufgebaut wird, in duktiv mittels wenigstens einer Induktionsspule. Unter einer Induktionsspule ist dabei jede Vorrichtung zu verstehen, die eine induktive Erwärmung verursachen kann. Auch eine einzelne Induktionsschleife etwa ist als Induktionsspule zu verstehen.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise hat sich als ganz beson ders geeignet für denjenigen Fall erwiesen, dass die Zusatz heizung induktiv erfolgt. In diesem Falle werden zur Erwär mung mittels einer oder mehrerer Induktionsspulen Wirbelströ me insbesondere in einem unter der Lage befindlichen, bereits hergestellten Bauteilabschnitt und/oder einer unter einer be- reitgestellten Materiallage befindlichen Arbeitsplattform er zeugt. Für pulverförmige bereitgestellte Materiallagen er folgt eine Erwärmung in der Regel indirekt über darunter be findliche induktiv erwärmte massive Körper, da eine Induzie- rung von Wirbelströmen in den Pulverpartikeln durch die ge ringe Größe der Partikel in der Regel vernachlässigbar gering ist. Insbesondere in einem Bauteilabschnitt beliebiger Geo metrie wird sich jedoch eine inhomogene Verteilung der Wir belströme einstellen, was wiederum zu einer inhomogenen Er wärmung de Bauteilabschnitts und somit auch einer darauf be findlichen Materiallage führt. In diesem Zusammenhang sei die bevorzugte Erwärmung von Bauteilkanten als Beispiel genannt. Unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Inhomogenitäten in der Temperaturverteilung durch Steue rung des wenigstens einen Energiestrahls auf besonders einfa che und gleichzeitig effiziente Weise ausgeglichen.
Selbstverständlich kann im Rahmen der erfindungsgemäßen Vor gehensweise auch eine andere Art der zusätzlichen Heizung al ternativ oder zusätzlich erfolgen wobei rein beispielhaft die resistive Heizung, die Heizung mittels IR-Strahlen und die Heizung mittels Elektronenstrahlen genannt sei.
Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgende zu sätzliche Erwärmung eines bereits hergestellten Bauteilab schnitts und/oder einer Arbeitsplattform, auf welcher das Bauteil aufgebaut wird, und/oder der jeweils bereitgestellten Materiallage kann ferner gleichzeitig zu dem Scanvorgang der Materiallage mit dem wenigstens einen Energiestrahl erfolgen und/oder diesem vor- und/oder nachgelagert sein.
Es kann weiterhin sein, dass für den Scanvorgang jeder der für die Herstellung eines Bauteils gewünschter Geometrie er forderlichen Materiallagen eine zusätzliche Erwärmung vor- und/oder nach und/oder gleichzeitig erfolgt oder auch nur für einen Teil der Materiallagen. Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird die vorstehende Aufgabe dadurch gelöst, dass die Vorrichtung wei terhin aufweist
- Erfassungsmittel zur messtechnischen Erfassung der Tem peraturverteilung an der Oberfläche der Arbeitsplattform und/oder eines oberhalb der Arbeitsplattform bereits hergestellten Bauteilabschnittes und/oder einer auf der Arbeitsplattform oder einem bereits hergestellten Bau teilabschnitt bereitgestellten Materiallage ausgebildet sind,
- Steuermittel, die ausgebildet und eingerichtet sind, um die während eines Scanvorganges mit wenigstens einem von der Energiestrahleinrichtung bereitgestellten Energie strahl eingebrachte Energiemenge in Abhängigkeit einer mit den Erfassungsmitteln erfassten Temperaturverteilung zu variieren, insbesondere derart, dass eine Inhomogeni tät der Temperaturverteilung ausgeglichen oder reduziert wird .
Die Erfassungsmittel können insbesondere wenigstens eine Thermokamera umfassen oder durch eine solche gegeben sein. Alternativ oder zusätzlich können die Mittel zur Erwärmung wenigstens eine Induktionsspule umfassen oder von einer sol chen gebildet werden.
Die Steuermittel der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind fer ner bevorzugt zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet und eingerichtet.
Die Steuermittel können durch einen Computer gebildet werden oder einen solchen umfassen. Sie sind insbesondere mit der Energiestrahlrichtung einerseits und den Erfassungsmittel zur messtechnischen Erfassung der Temperaturverteilung anderer seits verbunden, so dass das Messergebnis zur Temperatur ei ner bereitgestellten Materiallage an diese übergeben und ggf. ausgewertet werden kann, und wenigstens ein von der Energie- Strahlrichtung bereitgestellter Energie, insbesondere Laser strahl dann auf Basis des Ergebnisses gesteuert wird. Damit eine Auswertung des Messergebnisses zur Temperaturverteilung erfolgen kann, sind die Steuermittel bevorzugt als Steuer- und Auswertemittel ausgebildet oder aber sind Auswertemittel vorgesehen und mit den Steuermitteln verbunden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Bauteil, ins besondere für eine Strömungsmaschine, das unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wer den anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbei spielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungs gemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die Zeichnung deut lich. Darin ist
Figur 1 eine rein schematische perspektivische Ansicht ei ner Vorrichtung zum additiven Herstellen eines Bau teils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine rein schematische Schnittdarstellung der Vor richtung aus Figur 1;
Figur 3 einen Graphen, in dem der Temperaturverlauf entlang einer vorgegebenen Linie durch ein mittels der Thermokamera der Vorrichtung aus Figur 1 erfassten Temperaturbildes der Oberfläche eines bereits her gestellten Bauteilabschnitts dargestellt ist; und
Figur 4 einen Graphen, in dem ein den Temperaturverlauf aus
Figur 3 ausgleichender Verlauf der Laserleistung im Vergleich mit der gemäß dem Stand der Technik kon stanten Laserleistung gezeigt ist.
Die Figuren 1 und 2 zeigen rein schematische und stark ver einfachte Darstellungen eines Ausführungsbeispiels einer er- findungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils, von dem in den Figuren ein bereits hergestellter Bauteilabschnitt 1 zu erkennen ist. Die Figur 1 zeigt eine perspektivische und die Figur 2 eine Schnittdarstellung. Es sei angemerkt, dass in beiden Figuren jeweils Komponenten der Vorrichtung nicht dargestellt sind, die jedoch der jeweils anderen Figur entnommen werden können.
Die Vorrichtung umfasst, wie aus dem Stand der Technik hin länglich vorbekannt, einen von einem Zylinder 2 definierten Arbeitsraum 3, in dem eine Arbeitsplattform 4 über einen Stempel 5 vertikal verfahrbar angeordnet ist. Zylinder 2, Ar beitsraum 3 und Stempel 5 sind nur in der Figur 2 darge stellt.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin Mittel zur Bereitstellung einer Vielzahl übereinanderliegender Pulverlagen, die in aus dem Stand der Technik ebenfalls vorbekannter Weise ein in den Figuren nicht dargestelltes, unmittelbar neben dem Zylinder 2 angeordnetes Pulverreservoir sowie eine ebenfalls nicht er kennbare Rakel umfassen. Wie in der Figur 2 erkennbar, ist der Zylinder 2 mit Pulver 6 befüllt. Für die Bereitstellung einer Pulverlage oberhalb der Arbeitsplattform 4 bzw. - ab der zweiten Pulverlage - eines darauf befindlichen bereits additiv hergestellten Bauteilabschnitts 1, wird jeweils in hinlänglich bekannter Weise Pulver 6 aus dem Pulverreservoir mit der Rakel in den Arbeitsraum 3 gefördert und dort glatt gestrichen .
Für den Erhalt eines Bauteils wird jede der übereinander be- reitgestellten Pulverlage gemäß einer vorgegebenen Bauteilge ometrie mittels eines Laserstrahls 7 selektiv aufgeschmolzen . Der Laserstrahl 7 wird von einer nur in der Figur 1 darge stellten Laserstrahleinrichtung 8 der Vorrichtung bereitge stellt und mittels einer Scaneinrichtung 9 dieser gemäß der vorgegebenen Geometrie über die Pulverlage verfahren. Die Vorrichtung umfasst darüber hinaus Mittel zur induktiven Erwärmung der Arbeitsplattform 4 bzw. eines auf dieser be reits aufgebauten Bauteilabschnitts 1, die vorliegend durch eine Induktionsspule 10 gegeben sind. Mit Hilfe der Spule 10 werden im Betrieb während eines Herstellungsvorganges in der Arbeitsplattform 4 und/oder einem auf dieser bereits herge stellter Bauteilabschnitt 1 Wirbelströme induziert und diese induktiv erwärmt. Durch die zusätzliche induktive Erwärmung wird insbesondere die Bildung von Heißrissen vermieden bzw. reduziert und es können auch schlecht schweißbare Werkstoffe verarbeitet werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kommt ein Nickelbasiswerkstoff zum Einsatz.
Es sind weiterhin Erfassungsmittel vorgesehen, die zur mess technischen Erfassung der Temperaturverteilung an der Ober fläche der Arbeitsplattform 4 bzw. eines oberhalb dieser be reits hergestellten Bauteilabschnitts 1 bzw. an der Oberflä che einer bereitgestellten Pulverlage ausgebildet sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Erfassungsmit tel durch eine nur in der Figur 1 erkennbare Wärmebildkamera 11 der Vorrichtung gegeben, die von oben in Richtung der Ar- beitsplattform 4 bzw. eines darauf bereits aufgebauten Bau teilabschnitts 1 "blickt" (vgl. Figur 1) .
Ein weiterer Bestandteil der hier beschriebenen Vorrichtung ist eine zentrale Steuereinrichtung 12, die mit dem Stempel 5, den Mitteln zur Bereitstellung von Pulverlagen, der Laser strahleinrichtung 8, der Scaneinrichtung 9, der Spule 10 und der Wärmebildkamera 11 bzw. einer diesen jeweils zugeordneten weiteren, in den Figuren nicht erkennbaren Steuereinrichtung verbunden ist.
Unter Verwendung der Vorrichtung aus den Figuren 1 und 2 kann das erfindungsgemäße Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen durchgeführt werden.
Dabei wird für vorliegend jede bereitgestellte Pulverlage die Temperaturverteilung an derjenigen Oberfläche messtechnisch erfasst, auf welcher die jeweilige Pulverlage bereitgestellt wird. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die messtechnische Erfassung der Temperaturverteilung jeweils vor der Bereitstellung der Lage, indem von der jeweiligen Be reitstellungsoberfläche mit der Wärmebildkamera 11 ein Tempe raturbild aufgenommen wird. Die Erfassung und/oder die zeit liche Auswertung eines erfassten Temperaturbildes erfolgt da bei bevorzugt in zeitlicher Nähe zu dem nachfolgenden Scan vorgang mit dem wenigstens einen Energie-, insbesondere La serstrahl. Alternativ ist es auch möglich, dass die Wärme bildkamera kontinuierlich aufzeichnet und dann die Tempera turbilder geeigneter Zeitpunkte herangezogen werden.
Es ist sowohl eine blockweise Vorgehensweise möglich, bei der pro Abschnitt eine Temperaturverteilung erfass wird oder auch eine vollständig (quasi- ) kontinuierliche Aufzeichnung, bei der zur Regelung z.B. der Leistung mit jedem aufgenommenen Temperaturbild der Kamera eine Anpassung vorgenommen wird.
Die Wärmebildkamera 11 nimmt dabei in an sich bekannter Weise ein Bild der von der jeweiligen Oberfläche abgestrahlten Wär mestrahlung im infraroten Wellenlängenbereich auf. Die erhal tenen Oberflächen-Temperaturbilder liegen in Form von Tempe raturwerten für jeden Kamerapixel vor und können für die Wei terverarbeitung verwendet werden. Zur Darstellung für den An wender können die Temperaturen beispielsweise in Form von Falschfarben- oder Graustufenbildern dargestellt werden.
Bei der Bereitstellungsoberfläche handelt es sich für die erste, unterste Lage um die Oberfläche der in den Figuren nach oben weisenden Seite der Arbeitsplattform 4 und für sämtliche weitere Lagen um die Oberfläche der in Figur 4 nach oben weisenden Seite des jeweils bereits aufgebauten Bauteil abschnitts 1.
Das für jede Lage vorab aufgenommene Temperaturbild wird je weils ausgewertet, wobei konkret entlang vorgegebener Linien, die späteren Scanlinien des Laserstrahls 7 entsprechen, ent- lang derer der Laserstrahl 7 über die jeweilige Lage verfah ren wird, um diese selektiv aufzuschmelzen, der Temperatur gradient ermittelt wird. Bei dem dargestellten Ausführungs beispiel wird der Laserstrahl 7 in x- und y-Richtung über die Lagen verfahren, was in der Figur 1 mit zwei orthogonal zuei nander orientierten Doppelpfeilen angedeutet ist.
In Figur 3 ist beispielhaft der ermittelte Temperaturverlauf 13 entlang einer vorgegebenen Linie (hier in x-Richtung) durch ein für einen Bauteilabschnitt 1 erfasstes Temperatur bild gezeigt. Die y-Achse ist mit "T" für die Temperatur und die x-Achse mit "s" für die Strecke entlang des Bauteils be zeichnet. Man erkennt, dass eine nicht unbeachtliche Inhomo genität in der Temperaturverteilung entlang der betrachteten Linie vorliegt. Konkret liegt im Randbereich eine deutlich höhere Temperatur vor als in der Mitte, wes auf eine bevor zugte Erwärmung von Bauteilkanten im Rahmen der induktiven Heizung zurückzuführen ist.
Erfindungsgemäß wird nun während des anschließenden Scanvor gangs die mit dem Laserstrahl 7 eingebrachte Energiemenge während des Verfahren entlang der Scanlinien in Abhängigkeit des ermittelten Temperaturgradienten variiert, und zwar der art, dass die bestehende Inhomogenität reduziert bzw. ausge glichen wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das durch eine Anpassung der Leistung des Laserstrahls 7 wäh rend des Verfahrens entlang der jeweiligen Scanlinie reali siert. Ein beispielhafter Verlauf der Laserleistung 14, wel cher für den in Figur 3 dargestellten Temperaturverlauf 13 ausgleichend ist, kann der Figur 4 entnommen werden. In die sem Graphen ist die y-Achse mit "P" für die Laserleistung und die x-Achse wiederum mit "s" für die Strecke entlang des Bau teils bezeichnet. Durch Vergleich der Figuren 3 und 4 erkennt man, dass dort, wo gemäß der erfassten Temperaturverteilung eine im Vergleich niedrigere Temperatur vorliegt, die Laser leistung erhöht wird, und dort, wo gemäß der erfassten Tempe raturverteilung eine im Vergleich höhere Temperatur vorliegt, die Laserleistung jeweils reduziert wurde. Der Fall konstan- ter Laserleistung 15 gemäß dem Stand der Technik ist in der Figur 4 ebenfalls dargestellt.
Es sei angemerkt, dass sämtliche Auswertungs- und Steuer schritte des beschriebenen Ausführungsbeispiels mittels der zentralen Steuereinrichtung 12 absolviert werden, die ent sprechend zu dessen Durchführung ausgebildet und eingerichtet ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Steuereinrichtung 12 hierzu u.a. einen Computer.
Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise wird eine besonders homogene Energieeinbringung und somit eine deutliche Quali tätsverbesserung erhalten. Die Prozessstabilität wird erhöht und die Anforderungen an das Konzept für die zusätzliche Hei zung können reduziert werden. Ein weiterer großer Vorteil be steht darin, dass schneller Heizzeiten und somit eine Reduk tion der Bauzeit und Kosten erzielt werden kann.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .
Zum Beispiel kann alternativ oder zusätzlich zu der Laser leistung auch die auch die Verfahrgeschwindigkeit des Laser strahls 7 zum Ausgleich der inhomogenen Temperaturverteilung angepasst werden. Auch ist es möglich, die Dichte der Scanli nien zu verändern. Eine zusätzliche oder alternative Anpas sung weiterer Laserparameter ist ebenfalls denkbar, solange hierdurch ein Ausgleich einer bestehenden Inhomogenität auf grund der zusätzlichen induktiven Erwärmung möglich ist. Auch ist es selbstverständlich möglich, dass alternativ oder zu sätzlich zu der induktiven Erwärmung eine Erwärmung auf ande re Weise durchgeführt wird, beispielsweise eine resistive Er wärmung oder eine Erwärmung mittels IR-Strahlen. Bezugszeichenliste
1 Bauteilabschnitt
2 Zylinder
3 Arbeitsraum
4 Arbeitsplattform
5 Stempel
6 Pulver
7 Laserstrahl
8 Laserstrahleinrichtung
9 Scaneinrichtung
10 Spule
11 Wärmebildkamera
12 zentrale Steuereinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils, bei dem nacheinander eine Mehrzahl von Lagen aus einem insbesondere pulverförmigen Material bereitgestellt und jede Materiallage mit wenigstens einem Energiestrahl, insbesondere wenigstens einem Laserstrahl (7) gemäß einer vorgegebenen Bauteilgeomet rie gescannt wird, wobei eine zusätzliche Erwärmung eines be reits hergestellten Bauteilabschnitts (1) und/oder der je weils bereitgestellten Materiallage und/oder einer Arbeits plattform (4), auf welcher das Bauteil aufgebaut wird, er folgt,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
für wenigstens eine, insbesondere für jede Materiallage die Temperaturverteilung an derjenigen Oberfläche, auf welcher die Materiallage bereitgestellt wird, insbesondere vor Be reitstellung der Lage messtechnisch erfasst wird, und/oder die Temperaturverteilung an der Oberfläche der bereitgestell ten Lage messtechnisch erfasst wird, und dass im Rahmen des Scanvorgangs der Materiallage die mit dem wenigstens einen Energiestrahl (7) eingebrachte Energiemenge in Abhängigkeit der erfassten Temperaturverteilung an der Oberfläche, auf der die Lage bereitgestellt wird, und/oder in Abhängigkeit der erfassten Temperaturverteilung an der Oberfläche der Lage va riiert wird, insbesondere derart, dass eine Inhomogenität der Temperaturverteilung reduziert oder ausgeglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
für die erste und unterste Materiallage die Temperaturvertei lung an der Oberfläche einer Arbeitsplattform (4), auf der die erste Lage bereitgestellt wird, insbesondere vor Bereit stellung der ersten Lage messtechnisch erfasst wird, und im Rahmen des Scanvorgangs der ersten Lage die mit dem wenigs tens einen Energiestrahl (7) eingebrachte Energiemenge in Ab hängigkeit der erfassten Temperaturverteilung an der Oberflä che der Arbeitsplattform (4) variiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die mit dem wenigstens einen Energiestrahl (7) eingebrachte Energiemenge während des Scanvorganges variiert wird, indem die Intensität und/oder die Leistung und/oder die Pulsdauer und/oder der Strahl- bzw. Fokusdurchmesser und/oder die Ver fahrgeschwindigkeit des wenigstens einen Energiestrahls, und/oder die Dichte von Scanvektoren, insbesondere Scanli nien, entlang derer der wenigstens eine Energiestrahl über die Materiallage bewegt wird, während des Scanvorganges vari iert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die Temperaturverteilung an der Oberfläche, auf welcher die Materiallage bereitgestellt wird messtechnisch erfasst wird, indem mittels einer Thermokamera (11) ein Temperaturbild die ser Oberfläche aufgenommen wird, und/oder dass die Tempera turverteilung an der Oberfläche der Materiallage messtech nisch erfasst wird, indem mittels einer Thermokamera (11) ein Temperaturbild der Oberfläche der Materiallage aufgenommen wird .
5. Verfahren nach Anspruch 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
wenigstens ein erfasstes Temperaturbild ausgewertet wird, wo bei die mit dem wenigstens einen Energiestrahl (7) einge brachte Energiemenge in Abhängigkeit des Ergebnisses der Aus wertung variiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
auf Basis des Temperaturbildes wenigstens ein Temperaturgra dient berechnet wird, und die mit dem wenigstens einen Ener giestrahl (7) eingebrachte Energiemenge während des Scanvor- gangs in Abhängigkeit des berechneten Temperaturgradienten variiert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Variation während des Scanvorganges derart ist, dass dort, wo gemäß der erfassten Temperaturverteilung eine im Vergleich niedrigere Temperatur vorliegt, die durch den we nigstens einen Energiestrahl (7) eingebrachte Energiemenge erhöht wird, und/oder dort, wo gemäß der erfassten Tempera turverteilung eine im Vergleich höhere Temperatur vorliegt, die durch den wenigstens einen Energiestrahl (7) eingebrachte Energiemenge reduziert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die Erfassung der Temperaturverteilung zumindest über denje nigen Bereich der Oberfläche erfolgt, über den sich der zu scannende Bereich der Materiallage erstreckt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die zusätzliche Erwärmung der jeweils bereitgestellten Mate riallage und/oder eines bereits hergestellten Bauteilab schnitts (1) und/oder einer Arbeitsplattform (4), auf welcher das Bauteil aufgebaut wird, induktiv mittels wenigstens einer Induktionsspule (10) erfolgt.
10. Bauteil, insbesondere für eine Strömungsmaschine, herge stellt nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche .
11. Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend - einen insbesondere oberhalb einer Arbeitsplattform (4) definierten Arbeitsbereich,
- Mittel zur Bereitstellung übereinanderliegender, bevor zugt pulverförmiger Materiallagen in dem Arbeitsbereich,
- eine Energiestrahl-, insbesondere Laserstrahleinrichtung (8), die ausgebildet und eingerichtet ist, um wenigstens einen Energie-, insbesondere Laserstrahl (7) zu emittie ren und in dem Arbeitsbereich bereitgestellte Material lagen mit dem wenigstens einen Energie-, insbesondere Laserstrahl (7) gemäß einer vorgegebenen Bauteilgeomet rie zu scannen,
- Mittel (10) zur insbesondere induktiven Erwärmung einer in dem Arbeitsbereich bereitgestellten Materiallage und/oder eines bereits hergestellten Bauteilabschnitts (1) und/oder der Arbeitsplattform (4), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Vorrichtung weiterhin aufweist
- Erfassungsmittel (11) zur messtechnischen Erfassung der Temperaturverteilung an der Oberfläche der Arbeitsplatt form (4) und/oder eines oberhalb der Arbeitsplattform (4) bereits hergestellten Bauteilabschnittes (1)
und/oder einer auf der Arbeitsplattform (4) oder einem bereits hergestellten Bauteilabschnitt (1) bereitge stellten Materiallage ausgebildet sind,
- Steuermittel (12), die ausgebildet und eingerichtet
sind, um die während eines Scanvorganges mit wenigstens einem von der Energiestrahleinrichtung (8) bereitge stellten Energiestrahl (7) eingebrachte Energiemenge in Abhängigkeit einer mit den Erfassungsmitteln (11) er fassten Temperaturverteilung zu variieren, insbesondere derart, dass eine Inhomogenität der Temperaturverteilung ausgeglichen oder reduziert wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die Erfassungsmittel wenigstens eine Thermokamera (11) umfas sen oder durch eine solche gegeben sind, und/oder die Mittel zur Erwärmung wenigstens eine Induktionsspule (10) umfassen oder durch eine solche gegeben sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die Steuermittel (12) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet und eingerichtet sind.
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