WO2022263310A2 - Verfahren zur pulverbettbasierten additiven herstellung einer filigranen struktur mit vorbestimmter porosität sowie poröse funktionsstruktur - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur pulverbettbasierten additiven Herstellung einer filigranen Struktur (10) angegeben, wobei die Struktur eine vorbestimmte Porosität aufweist, wobei eine Mehrzahl paralleler Bestrahlungsvektoren (v) zur selektiven Bestrahlung einer Pulverschicht für die Herstellung der Struktur (10) gewählt werden, wobei durch die parallelen Bestrahlungsvektoren (v) erzeugte Schmelzbahnen (V) überlappfrei sind und wobei die parallelen Bestrahlungsvektoren (v) weiterhin parallel zu der durch diese zu bildende Struktur (10) verlaufen. Weiterhin werden ein Computerprogrammprodukt (CP) und eine entsprechende poröse Funktionsstruktur (20) angegeben.

Description

Beschreibung

Verfahren zur pulverbettbasierten additiven Herstellung einer filigranen Struktur mit vorbestimmter Porosität sowie poröse FunktionsStruktur

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulver bettbasierten, additiven Herstellung einer filigranen Struk tur mit einer vorbestimmten Porosität. Weiterhin werden eine entsprechende Bestrahlungsstrategie bzw. zugehörige Herstel lungsanweisungen, ein entsprechendes Computerprogrammprodukt sowie eine durch das beschriebene Verfahren hergestellte Funktionsstruktur angegeben.

Die Struktur ist beispielsweise für den Einsatz in kühlbaren oder zu kühlenden Komponenten, wie beispielsweise heißgasbe aufschlagten Turbinenteilen, als Membran, insbesondere misch leitende Membran oder Filtermembran, und/oder als Funktions medium in Wärmetauscher bzw. Wärmeübertragen vorgesehen. Al ternativ kann es sich bei der Struktur um ein anderes Bauteil handeln.

Solche Strukturen oder Bauteile sind Gegenstand stetiger Ver besserung, um insbesondere ihre Effizienz und Funktionalität zu steigern. Heißgasteile von Gasturbinen, werden z. B. be ständig zu immer höheren Einsatztemperaturen entwickelt. Dem entsprechende metallische Materialien müssen dazu immer zu verlässiger und leistungsstärker gekühlt werden.

Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund techni scher Weiterentwicklung zunehmend interessant auch für die Serienherstellung der oben genannten Bauteile, wie beispiels weise Turbinenkomponenten oder anderen spezialisierten filig ranen oder dünnwandigen Bauteilen, wie Membranen.

Additive Herstellungsverfahren (AM: „additive manufac- turing"), umgangssprachlich auch als „3D-Druck" bezeichnet, umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elekt ronenstrahlschmelzen (EBM).

Ein Verfahren zur additiven Herstellung eines dreidimensiona len Objektes ist beispielsweise bekannt aus WO 2014/202352 Al.

Additive Fertigungsverfahren haben sich bekanntlich als be sonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühl strukturen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbeson dere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs oder Fertigungsschritt eines Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungs- bzw. Bestrahlungsparameter erfolgen kann.

Die Herstellung filigraner Strukturen oder Membranen mittels der beschriebenen pulverbettbasierten Verfahren (auch PBF englisch für „Powder Bed Fusion") ermöglicht vorteilhaft die Implementierung von neuen Geometrien, Konzepten, Lösungen und/oder Design, welche die Herstellungskosten bzw. die Auf bau- und Durchlaufzeit reduzieren, den Herstellungsprozess optimieren und beispielsweise eine funktionelle Auslegung oder Strapaziertähigkeit der Komponenten verbessern können.

Auf konventionelle Art, beispielsweise gusstechnisch, sub- traktiv oder anderweitig hergestellte Komponenten stehen der additiven Fertigungsroute, beispielsweise hinsichtlich ihrer Formgebungsfreiheit und auch in Bezug auf die erforderliche Durchlaufzeit und den damit verbundenen hohen Kosten sowie dem fertigungstechnischen Aufwand, deutlich nach. Durch den Pulverbettprozess können in der Bauteilstruktur inhärent je doch thermische Spannungen entstehen, die es bei der Herstel lung auf additivem Wege zu relaxieren gilt. Weiterhin darf ein Prozessaufwand, umfassend auch eine besonders aufwendige Datenverarbeitung für die Prozessvorbereitung bei filigranen Strukturen nicht unterschätzt werden. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes additives Herstellungsverfahren bereits durch eine verbesserte Prozessvorbereitung durch die Definition ei ner Bestrahlungsstrategie bzw. entsprechender Herstellungsan weisungen, beispielsweise im Wege des CAM („Computer-Aided- Manufacturing") anzugeben, wobei insbesondere der Aufbau kom plexer, filigraner und/oder poröser Strukturen verbessert werden kann. Insbesondere soll es durch die beschriebenen An sätze ermöglicht werden, den (datentechnisch) vorbereitenden Prozessaufwand gering zu halten und die Formgebungsfreiheit bereits durch die vorgeschlagene Bestrahlungsstrategie (com puterimplementiert) zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Pa tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Ge genstand der abhängigen Patentansprüche.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulverbettbasierten additiven Herstellung einer filigra nen Struktur, welche eine vorbestimmte Porosität aufweist, wobei eine Mehrzahl paralleler Bestrahlungsvektoren zur se lektiven Bestrahlung einer Pulverschicht für die Herstellung der Struktur gewählt werden, wobei durch die parallelen Be strahlungsvektoren erzeugte Schmelzbahnen (welche dann zweck mäßig eine entsprechende Struktur erzeugen) überlappfrei sind, sich also vorzugsweise nicht berühren oder überlappen, und wobei die parallelen Bestrahlungsvektoren weiterhin pa rallel zu der durch diese zu bildenden Struktur verlaufen.

Der Begriff „filigran" bedeutet bezogen auf die beschriebene Struktur vorliegend vorzugsweise, dass die Struktur fein- gliedrig und/oder dünnwandig ausgebildet ist, wobei jede Wand oder jeder Abschnitt vorzugsweise mit der vorbestimmten Poro sität versehen ist.

Die definierte Porosität soll im Betrieb der Struktur in ei nem Bauteil vorzugsweise der funktionellen Permeation durch ein Medium oder Gas dienen. Durch die vorbestimmten Porosi- tätseigenschaften der Struktur kann die Struktur vorteilhaf terweise mit maßgeschneiderten funktionellen Eigenschaften, z. B. eine Kühlleistung, Wärmeübertragung oder katalytischen Eigenschaften oder Permeationseigenschaften, ausgestattet werden.

Diesbezüglich kann ein Aspekt der vorliegenden Erfindung be reits darin gesehen werden, eine Bestrahlungsstrategie, ins besondere ein Bestrahlungsmuster für das beschriebene Verfah ren als Herstellungsmaßgabe, vorzugsweise im Wege einer Her stellungsvorbereitung durch CAM, bereitzustellen, wobei die Bestrahlungsstrategie für die Pulverschichten durch einen La ser- oder Elektronenstrahl computerimplementiert festgelegt werden kann.

Die so aufgebaute Struktur kann beispielsweise durch eine ab schließende Konturbestrahlung formstabile Eigenschaften er langen und entsprechend funktional in einem Bauteil einge setzt werden.

Insbesondere kann durch die beschriebene Lösung vorteilhaft erreicht werden, dass komplexe und beliebige bzw. beliebig oder regellos geformte Bauteilbereiche, wie Wände oder der gleichen auf einfache Weise hergestellt werden. Gleichzeitig kann mit Vorteil die Komplexität einer streng geordneten git terartigen Bestrahlung bzw. Herstellung umgangen werden. Mit anderen Worten kann die Struktur bzw. ein die Struktur ent haltenes Bauteil bereichsweise mit einer gewissen Zufällig keit in seiner Porosität bzw. Permeabilität versehen werden. Überdies kann die entsprechende Struktur durch die Festlegung bzw. Wahl und Umsetzung der parallelen Bestrahlungsvektoren konturnah hergestellt werden, da die gewählten Bestrahlungs vektoren sämtlich parallel zu der Kontur der Struktur verlau fen. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise weiterhin Schwie rigkeiten im additiven Aufbau von besonders dünnen oder fi ligranen Strukturen vermeiden, insbesondere ein Wärmemanage- ment verbessern und das Risiko von Überhitzungen, welche zu Verzerrungen und Formabweichungen führen, reduzieren.

In einer Ausgestaltung ist ein Verlauf der Bestrahlungsvekto ren bzw. der Verlauf der durch diese zu bildenden Struktur - beispielsweise in Aufsicht auf die entsprechende Schichtebene betrachtet - gebogen oder gekrümmt.

In einer Ausgestaltung ist der Verlauf der Bestrahlungsvekto ren bzw. der Verlauf der durch diese zu bildenden Struktur wellenartig.

In einer Ausgestaltung entspricht der Verlauf der Bestrah lungsvektoren bzw. der Verlauf der durch diese zu bildenden Struktur einer beliebigen, willkürlichen oder regellosen Form, wie beispielsweise einer Art Freihandform.

Durch diese Ausgestaltungen können die erfindungsgemäßen Vor teile - wie zuvor beschrieben - besonders zweckmäßig und ef fizient umgesetzt werden.

In einer Ausgestaltung werden für die Struktur schichtweise beispielsweise drei, vier, fünf, sechs, acht oder zehn paral lel verlaufende Bestrahlungsvektoren gewählt. Vorteilhaft können dann - über entsprechende Schmelzbahnen - die durch die Vektoren erzeugten Strukturen realisiert werden. Im Sinne der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise jede der so hergestellten parallel verlaufenden Wände in der fertigen Struktur die vorbestimmte Porosität auf.

In einer Ausgestaltung ist eine Bestrahlungsstrategie zur Herstellung einer Schicht der Struktur mehrstufig. D.h. es können für die Verfestigung einer jeden Schicht für das Bau teil vorzugsweise weitere Bestrahlungsvektoren gewählt wer den, wie im Folgenden beschrieben wird.

In einer Ausgestaltung werden für die Struktur - vorzugsweise im Nachgang zur Bestrahlung der parallelen Vektoren - schichtweise senkrechte (weitere) Bestrahlungsvektoren ge wählt, die die parallelen Bestrahlungsvektoren kreuzen und eine durch diese, d.h. die parallelen Vektoren, erzeugte Schweißbahn und/oder Struktur strukturell verbinden.

In einer Ausgestaltung sind die senkrechten Bestrahlungsvek toren Normalenvektoren, die sich senkrecht oder orthogonal von einem erstseitig äußeren Vektor der parallelen Bestrah lungsvektoren (an einer ersten Seite) von der ersten Seite weg und in Richtung einer zweiten, gegenüberliegenden Seite der parallelen Bestrahlungsvektoren erstrecken. Die genannten Seiten (erste und zweite Seite) beziehen sich vorzugsweise auf einen Rand des durch die parallelen Bestrahlungsvektoren gebildeten Bestrahlungsmusters, aus der dann im Wege der se lektiven Strahlsteuerung bei der Herstellung die Struktur hervorgeht .

Auch durch diese zusätzlich gewählten senkrechten oder kreu zenden Bestrahlungsvektoren, wird die erfindungsgemäße vor teilhafte Wirkung, eine konturnahe maßgeschneiderte oder vor teilhafte Permeabilität der Struktur herzustellen, unter stützt, bzw. eine gewisse vorteilhafte "Zufälligkeit" in den Permeationseigenschaften der Struktur erzeugt.

In einer Ausgestaltung werden die senkrechten Bestrahlungs vektoren abgeschnitten, wenn ein Abstand benachbarter dieser Vektoren einen vorbestimmten Wert unterschreitet.

In einer Ausgestaltung werden die senkrechten Bestrahlungs vektoren eingefügt, wenn ein Abstand benachbarter dieser Vek toren einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Mit anderen Worten können die senkrechten Bestrahlungsvekto ren in ihrer Länge bzw. ihrem Verlauf im Rahmen einer Pro zess- oder Herstellungsvorbereitung, beispielsweise via CAM, angepasst werden, um die Porosität oder die Permeabilitätsei genschaften der Struktur einzustellen und/oder ggf. lokale Überhitzungen („hot spots") in der dünnen Struktur zu vermei den.

In einer Ausgestaltung werden in einer auf die Bestrahlung der genannten Pulverschicht folgenden Schicht für die Struk tur ebenfalls zunächst parallele Bestrahlungsvektoren ge wählt, und dann durch diese erzeugte Strukturen verbindende, senkrechte Bestrahlungsvektoren gewählt, welche sich senk recht von einem (zweitseitig) äußeren Vektor der parallelen Bestrahlungsvektoren von der zweiten Seite weg und in Rich tung der ersten Seite der parallelen Bestrahlungsvektoren er strecken.

In einer Ausgestaltung werden die parallelen Bestrahlungsvek toren für die folgende Schicht in der Schichtebene versetzt zu den parallelen Bestrahlungsvektoren der Pulverschicht ge wählt bzw. angeordnet. Durch diesen Versatz kann vorteilhaf terweise eine zusätzliche Abweichung von einer strengen schichtweisen Ordnung bzw. Anordnung der Bestrahlungsvektoren erreicht werden, die eine gewisse „Zufälligkeit" der Porosi- tätseigenschaften stiftet und damit Durchströmungseigenschaf ten oder funktionale Eigenschaften der Struktur verbessern kann.

In einer Ausgestaltung sind die senkrechten Bestrahlungsvek toren unterbrochen und verbinden jeweils nur durch zwei be nachbarte parallele Bestrahlungsvektoren erzeugte Strukturen. Dadurch kann mit Vorteil weiterhin eine Konfektionierung von Poren oder Zwischenräumen in der Struktur erfolgen, als auch die mikro- und makroskopischen Permeabilitätseigenschaften der Struktur eingestellt und/oder verbessert werden.

In einer Ausgestaltung definieren die senkrechten Bestrah lungsvektoren einen gepulsten Bestrahlungsbetrieb. Ein sol cher Bestrahlungsbetrieb kann bekanntlich durch eine Pulsung oder Pulsmodulation eines Energiestrahls, beispielsweise ei nes Laser- oder Elektronenstrahls, im Wege des CAM, oder ma nuell implementiert werden. In einer Ausgestaltung entspricht ein Pulsabstand einem räum lichen Abstand der parallelen Bestrahlungsvektoren.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Aus führung des Programms durch einen Computer oder „Build- Prozessor", beispielsweise zur Steuerung der Bestrahlung in einer additiven Herstellungsanlage, diesen veranlassen, die Bestrahlungsvektoren gemäß dem beschriebenen Verfahren zu wählen.

Eine CAD-Datei oder ein Computerprogrammprodukt, kann bei spielsweise als (flüchtiges oder nicht-flüchtiges) Speicher oder Wiedergabemedium, wie z.B. eine Speicherkarte, ein USB- Stick, eine CD-ROM oder DVD, oder auch in Form einer herun terladbaren Datei von einem Server und/oder in einem Netzwerk bereitgestellt werden, oder vorliegen. Die Bereitstellung kann weiterhin z. B. in einem drahtlosen Kommunikationsnetz werk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogramm (produkt) erfolgen.

Ein Computerprogrammprodukt kann wiederum Programmcode, Ma schinencode bzw. numerische Steuerungsanweisungen, wie G-code und/oder andere ausführbare Programmanweisungen im Allgemei nen beinhalten.

In einer Ausgestaltung betrifft das Computerprogrammprodukt Herstellungsanweisungen, gemäß denen eine additive Herstel lungsanlage, beispielsweise über CAM-Mittel durch ein ent sprechendes Computerprogramm, zur Herstellung des Bauteils gesteuert wird.

Das Computerprogrammprodukt kann weiterhin Geometriedaten und/oder Konstruktionsdaten in einem Datensatz oder Datenfor mat, wie einem 3D-Format bzw. als CAD-Daten enthalten bzw. ein Programm oder Programmcode zum Bereitstellen dieser Daten umfassen. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine poröse Funktionsstruktur, umfassend ein Netzwerk, Geflecht oder eine vorbestimmte Anordnung mit einer Mehrzahl von, bei spielsweise inneren und/oder äußeren, filigranen Strukturen oder Wänden, welche nach dem vorliegenden Verfahren herge stellt sind. Sobald eine gewisse Auflösungsgrenze bei der Herstellung solcher filigranen Strukturen unterschritten wird, kann die besagte Struktur durch konventionelle Ansätze nicht mehr hergestellt werden. Dies sollte bereits ab Poren größen unterhalb von wenigen Millimetern gelten.

In einer Ausgestaltung sind Wandbereiche der Funktionsstruk tur beispielsweise als gekrümmte Gyroidflächen oder Minimal flächen gestaltet, über die beispielsweise zwei unterschied liche Fluide - bei Erhalt der vorbestimmten Porositätseigen schaften - geführt werden können.

In einer Ausgestaltung ist die Fusionsstruktur als Teil eines Wärmetauschers oder Wärmeübertragers für die Wärmeübertragung oder als fluidpermeable Membran eingerichtet.

In einer Ausgestaltung ist die Funktionsstruktur eine Filter membran oder umfasst eine solche Membran.

In einer Ausgestaltung umfasst die Funktionsstruktur eine Membran, beispielsweise eine mischleitende (elektronen- und ionenleitende) Membran, wobei die Funktionsstruktur bzw. die filigrane Struktur mit einer elektrolytischen bzw. katalyti schen keramischen Beschichtung versehen ist, wie einer Be schichtung aus Strontiumtitanat, Titanoxid, Ceroxid oder Li thiumeisenphosphat .

Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorlie gend auf das Verfahren bzw. das Computerprogramm (produkt) be ziehen, können ferner die Funktionsstruktur direkt oder ein diese umfassendes Bauteil betreffen, und umgekehrt. Der hier verwendete Ausdruck „und/oder", wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.

Figur 1 zeigt eine schematische Prinzipdarstellung eines pul verbettbasierten additiven Herstellungsverfahrens.

Figur 2 deutet anhand von vier Teildarstellungen, a), b), c) und d), jeweils unterschiedliche Teile oder Schritte einer Bestrahlungsstrategie für die additive Herstellung einer fi ligranen Bauteilstruktur an.

Figur 3 deutet ähnlich zu Figur 2 Einzelheiten der vorge schlagenen Bestrahlungsstrategie an.

Figur 4 deutet ähnlich zu Figur 2 weitere Einzelheiten der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrategie an.

Figur 5 deutet ähnlich zu Figur 2 noch weitere Einzelheiten der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrategie an.

Figur 6 zeigt ein Bauteil mit einer filigranen Funktions struktur, die durch die vorgeschlagenen Ansätze hergestellt wurde.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszei chen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Grö ßenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständ nis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein. Die Figur 1 deutet anhand einer vereinfacht dargestellten Herstellungsanlage 100 Schritte der pulverbettbasierten Her stellung einer Struktur 10 an. Die Struktur 10 ist vorzugs weise eine dünnwandige bzw. filigrane Struktur, beispielswei se als Teil eines Bauteils oder eines funktionellen Teils da von. Wie anhand von Figur 6 weiter unten beschrieben ist, kann die Struktur bzw. das Bauteil eine Filtermembran, oder beispielsweise Teile eines Wärmeübertragers betreffen.

Die Herstellungsanlage 100 kann als LPBF-Anlage („Laser Pow- der Bed Fusion") und für den additiven Aufbau von Bauteilen oder Komponenten aus einem Pulverbett, insbesondere für se lektives Laserschmelzen, ausgestaltet sein. Die Anlage 100 kann im Speziellen auch eine Anlage zum selektiven Lasersin tern oder Elektronenstrahlschmelzen betreffen.

Entsprechend weist die Anlage eine Bauplattform 1 auf. Auf der Bauplattform 1 wird eine additiv herzustellende Bauteil struktur 10 schichtweise aus einem Pulverbett 5 hergestellt. Letzteres wird dann entsprechend durch ein Pulver in einem Bauraum gebildet. Gemäß dieser Ausgestaltung wird das Pulver vorzugsweise über eine Rakel 6 schichtweise auf der Bauplatt form 1 bzw. einer oberhalb befindlichen Herstellungsoberflä che verteilt.

Nach dem Aufträgen einer jeden Schicht L aus Pulver mit einer vorbestimmten Schichtdicke werden gemäß der vorgegebenen Geo metrie des Bauteils 10 selektiv Bereiche der Schichten n mit einem Energiestrahl 3, beispielsweise einem Laser oder Elekt ronenstrahl, von einer Bestrahlungseinrichtung 2 aufgeschmol zen und anschließend verfestigt. Nach jeder Schicht wird die Bauplattform 1 dann vorzugsweise um ein der Schichtdicke ent sprechendes Maß abgesenkt (üblicherweise lediglich zwischen 20 gm und 40 gm).

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann die Anlage aber auch eine Einrichtung bzw. einen entsprechenden „3D-Drucker" zum sogenannten Schmelzschichten (FDM oder auch FFF für „Fu- sed Filament Fabrication") oder beispielsweise Laserauftrag schweißen bezeichnen. Gemäß dieser Ausgestaltung wird die Struktur 10 vorzugsweise ebenfalls durch selektiven Material auftrag schichtweise gebildet, wobei ein Ausgangsmaterial je doch durch eine Düse (vgl. ebenfalls Bezugszeichen 2) extru diert und damit ein Materialauftrag erzielt werden kann.

Die Geometrie des Bauteils 10 wird in beiden Fällen üblicher weise durch eine CAD-Datei („Computer-Aided-Design") festge legt. Nach dem Einlesen einer solchen Datei in die Herstel lungsanlage 100 erfordert der Prozess anschließend zunächst die Festlegung einer geeigneten Bestrahlungsstrategie bei spielsweise durch Mittel des CAM („Computer-Aided-Manufac- turing"), wodurch auch ein Aufteilen der Bauteilgeometrie in die einzelnen Schichten n erfolgt. Dies kann durch einen ent sprechenden (Build-)Prozessor 4 über ein Computerprogramm durchgeführt oder umgesetzt werden.

Die Struktur 10 bzw. das Bauteil 20 ist vorzugsweise eine kühlbare und im Betrieb zu durchströmende Komponente des Heißgaspfades einer Strömungsmaschine, wie eine Turbinen schaufel, eine Hitzeschildkomponente einer Brennkammer und/oder eine Resonator- oder Dämpferkomponente. Alternativ kann es sich bei der Struktur 10 um ein Funktionsbauteil zur Permeation eines Gases handeln, beispielsweise ein anderes thermisch hochbelastbares Bauteil, eine Wärmeübertragungs struktur oder eine Membranstruktur, wie eine mischleitende Membran oder eine Filtermembran.

Um Herstellungsanweisungen für den Aufbau des Bauteils (siehe unten), beispielsweise ausgehend von einer vorgegebenen CAD- Geometrie des Bauteils umzusetzen, wird der genannte Build- Prozessor 4 oder eine entsprechende Steuerung vorgesehen, welche beispielsweise mit entsprechenden CAM-Informationen oder Herstellungsanweisungen programmiert werden kann und/oder die Bestrahlungsvorrichtung 2 entsprechend veranlas- sen kann, die Struktur 10 gemäß den weiter unten beschriebe nen Herstellungsanweisungen schichtweise aufzubauen.

Die Build-Prozessorschaltung 4 fungiert vorzugsweise als Schnittstelle zwischen der den eigentlichen Aufbauprozess vorbereitenden Software und der entsprechenden Hardware der Herstellungsanlage 100. Der Build-Prozessor kann dazu bei spielsweise eingerichtet sein, ein Computerprogramm mit ent sprechenden Herstellungsanweisungen, auszuführen.

Die vorliegende Erfindung bzw. das entsprechend der vorlie genden Erfindung gewählte Bestrahlungsmuster kann bereits durch die Wahl entsprechender Bestrahlungsvektoren (prozess vorbereitend) durch ein Computerprogramm bzw. Computerpro grammprodukt CP implementiert sein, wobei das Computerpro gramm zweckmäßigerweise entsprechende Befehle enthält, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer, bei spielsweise zur Steuerung der Bestrahlung in einer additiven Herstellungsanlage 100, diesen veranlassen, die Bestrahlungs vektoren gemäß dem beschriebene Verfahren zu wählen.

Figur 2 deutet anhand von vier Teildarstellungen unterschied liche Schritte bei der Wahl von Bestrahlungsvektoren einer Pulverschicht für die Herstellung der filigranen Struktur bzw. die entsprechenden physischen Herstellungsmaßnahmen selbst an.

Dementsprechend ist eine Bestrahlungsstrategie zur Herstel lung einer Schicht der Struktur 10 zweckmäßigerweise mehrstu fig.

In der linken Teildarstellung a) ist ein teilweises Bestrah lungsmuster gezeigt, welches aus einer Mehrzahl von paralle len Bestrahlungsvektoren v besteht.

Dieses Muster bzw. entsprechende Herstellungsanweisungen kann - wie weitere vorliegend dargestellte Muster - auch bereits teilweise oder vollständig durch CAM-Mittel in Form eines Computerprogrammproduktes implementiert oder definiert sein.

Es ist in Figur la) gezeigt, dass der Verlauf der Bestrah lungsvektoren v bzw. der Verlauf, der durch diese zu bilden den Struktur 10 wellenartig ist. Durch die gestrichelte (nur teilweise dargestellte) Berandung eines ersten oder erstsei tigen Bestrahlungsvektors vl (vgl. links in der Darstellung) soll eine entsprechende Schmelzbahn V oder auch verfestigte Struktur 10 angedeutet sein.

Vorzugsweise entspricht der Verlauf der Bestrahlungsvektoren v bzw. der Verlauf der durch diese zu bildenden Struktur 10 einer beliebigen, willkürlichen oder regellosen Form. Dement sprechend kann der Verlauf der Bestrahlungsvektoren v eine Art Freihandform oder beliebige oder beliebig zu definierende Kontur oder Form sein.

Lediglich beispielhaft sind in den vorliegenden Darstellungen für die Struktur 10 schichtweise sechs parallel verlaufende Bestrahlungsvektoren v gezeigt, welche eine entsprechende Herstellungsanweisung für die physikalische Herstellung der Struktur bilden. Abweichend davon und ohne Beschränkung der Allgemeinheit können alternativ beispielsweise drei, vier, fünf, acht oder zehn parallel verlaufende Bestrahlungsvekto ren v gewählt werden.

Schließlich ist das vorgeschlagene erfindungsgemäße Verfahren ein Verfahren zur pulverbettbasierten additiven Herstellung einer filigranen Struktur 10, welche eine vorbestimmte Poro sität aufweist, wobei eine Mehrzahl paralleler Bestrahlungs vektoren v zur selektiven Bestrahlung einer Pulverschicht n für die Herstellung der Struktur 10 gewählt werden, wobei durch diese erzeugte Schmelzbahnen V überlappfrei sind und wobei die parallelen Bestrahlungsvektoren v weiterhin paral lel zu der durch diese zu bildenden Struktur 10 verlaufen. In der Teildarstellung b) der Figur 1 ist ein weiterer Schritt für die Bestrahlung einer jeden Schicht für die Struktur 10 angedeutet. Gemäß diesem Schritt werden für die Struktur schichtweise (weitere) senkrechte Bestrahlungsvekto ren w gewählt, die die parallelen Bestrahlungsvektoren v kreuzen und eine durch diese Vektoren erzeugte Struktur 10 strukturell verbinden. Analog zu der Teildarstellung a), soll durch das Bezugszeichen W eine im Wege der Bestrahlung er zeugte Schmelzbahn angedeutet sein.

Obwohl eine Schicht für die entsprechende Bauteilstruktur auch lediglich durch die parallelen Vektoren v gebildet wer den kann, erhält das verfestigte Material für eine Schicht n besonders durch die zusätzlich gewählten bzw. gerasterten senkrechten Bestrahlungsvektoren w einen ausreichenden struk turellen Zusammenhalt bzw. eine entsprechende Formstabilität.

Ausgehend von einem linken Rand (vgl. erste Seite) des ge zeigten Musters, stellen die senkrechten Bestrahlungsvektoren w Normalenvektoren da, die sich senkrecht von dem äußeren Vektor vl der parallelen Bestrahlungsvektoren v von dieser ersten Seite weg und in Richtung einer zweiten, gegenüberlie genden Seite der parallelen Bestrahlungsvektoren v erstre cken.

In den Teildarstellungen c) und d) ist die Situation eines Musters bzw. einer Maßgabe für die Bestrahlung einer auf die besagte Pulverschicht n folgenden Schicht n+1 (vgl. ebenfalls Figur 1) für die Struktur 10 gezeigt, wobei ebenfalls zu nächst parallele Bestrahlungsvektoren v gewählt werden (vgl. Teilabbildung c)) und dann durch diese erzeugte Strukturen 10 verbindende, senkrechte Bestrahlungsvektoren w (vgl. Teilab bildung d)), welche sich senkrecht von einem zweitseitig äu ßeren Vektor v2 der parallelen Bestrahlungsvektoren v von dieser zweiten Seite weg und in Richtung der ersten Seite der parallelen Bestrahlungsvektoren v erstrecken. Durch den unten links in der Teilabbildung c) gezeigten Pfeil f, soll angedeutet werden, dass die parallelen Bestrahlungs vektoren v für die folgende Schicht n+1 in der Schichtebene versetzt zu den parallelen Bestrahlungsvektoren v der Pulver schicht n gewählt werden können, um weitere erfindungsgemäße Vorteile, wie die Erzeugung einer gewünschten, maßgeschnei derten, aber vorzugsweise nicht vollständig homogenen oder isotropen Porosität, zu realisieren.

In der Figur 3 ist detaillierter gezeigt, wie sich der Ab stand der sich senkrecht beispielhaft von links nach rechts erstreckenden Vektoren w, abhängig von dem Verlauf der wel lenartigen Vektoren v verhält. Wie oben anhand des Bezugszei chen el gekennzeichnet, kann sich der Abstand auf ein unge wolltes Maß vergrößern bzw. dabei eine obere Grenze über schreiten. Versetzt davon, weiter unten in dem Bestrahlungs muster kann es gleichwohl zu einer Verengung oder Konvergenz von senkrecht verlaufenden Vektoren w kommen, wobei bei spielsweise ein Minimalabstand unterschritten wird, der ins besondere zu lokalen Überhitzungen und Strukturdefekten füh ren kann. Mit anderen Worten kann es bei gebeugten Außenkon turen zu Überlagerungen, bzw. größeren Abständen zwischen den Schmelzbahnen der Vektoren w kommen.

Ein erfindungsgemäßer Ausweg aus dieser Problematik wird an hand der Darstellung der Figur 4 deutlich, wobei die senk rechten Bestrahlungsvektoren w, w' angepasst, d.h. abge schnitten oder gekürzt bzw. teilweise neu eingefügt werden, wenn ein Abstand el benachbarter dieser Vektoren w einen vor bestimmten Wert unter- bzw. überschreitet. Mit anderen Worten wird das oben genannte Problem in der vorliegenden Erfindung durch das Anpassen der kritischen Vektoren, bzw. das Einfügen von Vektoren gelöst.

Eine weitere Ausgestaltung von erfindungsgemäßen Lösungen ist anhand der Figur 5 gezeigt, wo die Teildarstellung a) wieder der ersten Teildarstellung der Figur 2 (analog) entspricht. Die Teildarstellung b) zeigt im Unterschied zu derjenigen der Figur 2, dass hier senkrechte Bestrahlungsvektoren w'' ge wählt werden, die unterbrochen sind und jeweils nur durch zwei benachbarte parallele Bestrahlungsvektoren v erzeugte Strukturen 10 verbinden. Dadurch können ebenfalls schichtwei se maßgeschneiderte Eigenschaften der filigranen Struktur er zeugt und/oder die Struktur 10 in beliebiger Form konfektio niert werden.

Verfahrenstechnisch kann so eine Bestrahlung besonders vor teilhaft durch einen gepulsten Bestrahlungsbetrieb für die Vektoren w definiert werden, wobei ein Pulsabstand e2 (vgl. Figur 2) einem räumlichen Abstand der parallelen Bestrah lungsvektoren v entspricht. Dann können die gezeigten paral lelen Bestrahlungsvektoren v beispielsweise über eine Länge von 100 gm bis 1 mm, beispielsweise 500 gm, voneinander beab- standet sein.

Figur 6 zeigt eine spezielle Ausgestaltung des Bauteils 20 bzw. einer von diesem Bauteil 20 umfassten Funktionsstruktur. Das Bauteil bzw. die Funktionsstruktur 20 umfasst erkennbar ein Netzwerk oder Geflecht mit einer Mehrzahl von filigranen Strukturen 10, welche vorzugsweise nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt sind.

Die Funktionsstruktur 20 kann beispielsweise als Teil eines Wärmetauschers für die Wärmeübertragung eingerichtet sein.

In einer alternativen Ausgestaltung kann die Funktionsstruk tur bzw. das Bauteil eine Filtermembran sein.

Insbesondere ist in Figur 6 gezeigt, dass die Funktionsstruk tur 20 mit dünnen Wänden als Gyroidfläche bzw. Gyroidkörper gestaltet ist, über die z. B. zwei unterschiedliche Fluide Fl und F2 geführt werden können. Die genannten Fluide können beispielsweise Kühlfluide oder andere Gase oder Flüssigkeiten sein, beispielsweise zur Wärmeübertragung oder zur Verbesse rung oder Unterstützung von physikalischen, chemischen, elektrochemischen, katalytischen oder elektrolytischen Funk tionen. Insbesondere betrifft die gezeigte durch die Struktur geformte Gyroidfläche eine dreifach periodische Minimalfläche mit den zwei das entsprechende Fluid führenden Permeationsdo- mänen.

In einer noch anderen Ausgestaltung kann die Funktionsstruk tur 20 eine mischleitende Membran betreffen, wobei der Funk tionsbereich mit einer elektrolytischen bzw. katalytischen keramischen Beschichtung versehen ist, wie einer Beschichtung aus Strontiumtitanat, Titanoxid, Ceroxid oder Lithiumeisen phosphat. Solche Bauteile können insbesondere bei chemischen „Cracking"-Prozessen, wie der Olefin-Herstellung gegebenen falls mit entsprechender Abkopplung oder Sequestrierung von Wasserstoff, erforderlich und/oder vorteilhaft sein.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur pulverbettbasierten additiven Herstellung einer filigranen Struktur (10), welche eine vorbestimmte Po rosität aufweist, wobei eine Mehrzahl paralleler Bestrah lungsvektoren (v) zur selektiven Bestrahlung einer Pulver schicht (n) für die Herstellung der Struktur (10) gewählt werden, wobei durch die parallelen Bestrahlungsvektoren (v) erzeugte Schmelzbahnen (V) überlappfrei sind und wobei die parallelen Bestrahlungsvektoren (v) parallel zu der durch diese zu bildenden Struktur (10) verlaufen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Verlauf der Bestrah lungsvektoren (v) bzw. der Verlauf der durch diese zu bilden den Struktur (10) wellenartig ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Verlauf der Bestrahlungsvektoren (v) bzw. der Verlauf der durch diese zu bildenden Struktur (10) einer beliebigen, willkürlichen oder regellosen Form entspricht.

4. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei für die Struktur (10) schichtweise drei, vier, fünf, sechs, acht oder zehn parallel verlaufende Bestrahlungsvektoren (v) gewählt werden.

5. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Bestrahlungsstrategie zur Herstellung einer Schicht (n, n+1) der Struktur (10) mehrstufig ist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei für die Struktur schichtweise senkrechte Bestrahlungsvektoren (w) gewählt wer den, die die parallelen Bestrahlungsvektoren (v) kreuzen und eine durch diese erzeugte Struktur (10) strukturell verbin den.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die senkrechten Be strahlungsvektoren (w) Normalenvektoren sind, die sich senk- recht von einem erstseitig äußeren Vektor (vl) der parallelen Bestrahlungsvektoren (v) von dieser ersten Seite weg und in Richtung einer zweiten, gegenüberliegenden Seite der paralle len Bestrahlungsvektoren (v) erstrecken.

8. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die senkrechten Bestrahlungsvektoren (w, w') abgeschnitten bzw. eingefügt werden, wenn ein Abstand (el) benachbarter dieser Vektoren (w) einen vorbestimmten Wert unter- bzw. überschreitet.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei in einer auf die Bestrahlung der Pulverschicht folgenden Schicht (n+1) für die Struktur (10) ebenfalls zunächst parallele Be strahlungsvektoren (v) gewählt werden und dann durch diese erzeugte Strukturen (10) verbindende, senkrechte Bestrah lungsvektoren, welche sich senkrecht von einem zweitseitig äußeren Vektor (v2) der parallelen Bestrahlungsvektoren (v) von dieser zweiten Seite weg und in Richtung der ersten Seite der parallelen Bestrahlungsvektoren (v) erstrecken.

10. Verfahren Anspruch 9, wobei die parallelen Bestrahlungs vektoren (v) für die folgende Schicht (n+1) in der Schicht ebene (x, y) versetzt (f) zu den parallelen Bestrahlungsvek toren (v) der Pulverschicht (n) gewählt werden.

11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die senkrechten Bestrahlungsvektoren (w'') unterbrochen sind und jeweils nur durch zwei benachbarte parallele Bestrahlungsvek toren (v) erzeugte Strukturen (10) verbinden.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die senkrechten Be strahlungsvektoren (w) einen gepulsten Bestrahlungsbetrieb definieren und ein Pulsabstand (e2) einem räumlichen Abstand der parallelen Bestrahlungsvektoren (v) entspricht.

13. Computerprogrammprodukt (CP), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer, beispiels weise zur Steuerung der Bestrahlung in einer additiven Her- Stellungsanlage (100), diesen veranlassen, die Bestrahlungs vektoren (v, w) gemäß dem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zu wählen.

14. Poröse Funktionsstruktur (20), umfassend ein Netzwerk mit einer Mehrzahl von filigranen Strukturen (10), welche nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 herge stellt sind.

15. Funktionsstruktur (20) gemäß Anspruch 14, welche als

Teil eines Wärmetauschers für die Wärmeübertragung oder als fluidpermeable Membran eingerichtet ist.