WO2025157553A1 - VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ADDITIVEN FERTIGUNG VON WERKSTÜCKEN MIT VERRINGERTER HEIßRISSBILDUNG - Google Patents

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ADDITIVEN FERTIGUNG VON WERKSTÜCKEN MIT VERRINGERTER HEIßRISSBILDUNG

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WO2025157553A1
WO2025157553A1 PCT/EP2024/087896 EP2024087896W WO2025157553A1 WO 2025157553 A1 WO2025157553 A1 WO 2025157553A1 EP 2024087896 W EP2024087896 W EP 2024087896W WO 2025157553 A1 WO2025157553 A1 WO 2025157553A1
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radiation intensity
trajectories
building material
impact
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Philipp Stich
Markus Birg
Johannes Romanow
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EOS GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to a method for adjusting a radiation intensity of a beam in a manufacturing process for the additive manufacturing of a component, an additive manufacturing method in which this method is carried out, a computer-aided method for generating control command data for adjusting a radiation intensity of a beam in a manufacturing process for the additive manufacturing of a component and a beam profile adjusting device for generating a beam in a manufacturing process for the additive manufacturing of a component.
  • the present invention relates in particular to additive manufacturing methods and devices in which a component is melted by irradiating layers of a starting material, which is in powder or paste form, with electromagnetic or particle radiation, in order to form a solid after cooling.
  • a component is melted by irradiating layers of a starting material, which is in powder or paste form, with electromagnetic or particle radiation, in order to form a solid after cooling.
  • processes are selective laser sintering (SLS) or selective laser melting (SLM).
  • SLS selective laser sintering
  • SLM selective laser melting
  • Selective laser melting in particular, processes metallic starting materials, and in recent years, the processes have evolved to the point where even components that must meet high requirements regarding mechanical and thermal properties can be manufactured using additive manufacturing.
  • turbine guide vanes and rotor shells are exposed to high thermal, corrosive, and oxidative stresses. Due to typically high operating temperatures, creep damage, for example, due to grain boundary sliding, can occur. This damage mechanism can generally be counteracted by a coarser grain structure. Accordingly, The aim is to produce the components with a single-crystalline microstructure or at least with a directed solidified grain structure with the orientation of the crystallites at least approximately in the future main loading direction.
  • Nickel-based alloys e.g., Hastelloy, Inconel
  • tungsten-molybdenum alloys or titanium alloys
  • Nickel-, cobalt-, and/or iron-based superalloys are particularly preferred.
  • difficulties in using nickel-based alloys as build-up materials arise from the tendency for hot cracks to form during welding (melting and solidification) of these materials.
  • a high proportion of alloying elements leads to difficulties in the processability, e.g., with regard to weldability, of the materials. This is also due to the formation of hot cracks during solidification.
  • the object is achieved by a method for adjusting a radiation intensity according to claim 1, an additive manufacturing method according to claim 8, a method for generating control command data according to claim 14, a beam profile adjustment device according to claim 15, and an additive manufacturing device according to claim 16. Further developments of the invention are specified in the dependent claims. The methods can also be further developed by the features of the devices set out below or in the dependent claims, or vice versa. The features of the devices and methods can also be used for further development among each other.
  • a method for adjusting a radiation intensity of a beam in a manufacturing process for the additive manufacturing of a component wherein in the manufacturing process components are produced by applying a build-up material layer upon layer and in each applied Layer is solidified by supplying radiation energy by a beam to those points of the layer which are assigned to the cross-section of the component in this layer, in that the beam is moved by means of a, preferably controllable, beam movement device along a plurality of trajectories in the cross-section of the component in order to melt the building material at the points which are assigned to the cross-section of the component, and wherein the radiation intensity of the beam is adjusted using a beam profile adjustment device within an impact region of the beam on the building material, is characterized in that the radiation intensity of the beam is adjusted such that its distribution in the impact region of the beam on the building material changes at least at one point by at least 1% per pm.
  • Additive manufacturing devices and methods to which the present invention relates are, in particular, those in which energy is selectively supplied to a layer of a formless building material as electromagnetic radiation or particle radiation.
  • the working plane (also referred to as the building plane) is a plane in which the upper side of the layer to which the energy is supplied lies and is also referred to here as the layer plane.
  • the radiation energy can be generated, for example, by a laser or an electron beam source, although a plurality of radiation sources and/or beams can also be used.
  • the radiation supplied to the building material heats it and thereby causes a sintering or melting process.
  • the present invention relates to laser melting devices and the associated methods.
  • the invention is preferably applied in a manufacturing process in which the build-up material (usually in powder form) consists of a material which contains a nickel-based alloy (e.g. Hastelloy, Inconel, MAR M 247), tungsten-molybdenum alloys or titanium alloys, in particular superalloys based on nickel, cobalt and/or iron, or at least contains such a material.
  • a nickel-based alloy e.g. Hastelloy, Inconel, MAR M 247
  • tungsten-molybdenum alloys or titanium alloys in particular superalloys based on nickel, cobalt and/or iron, or at least contains such a material.
  • the term "beam” here does not imply that the beam diameter must be very small. Rather, the beam impact area on the build material (in the build plane or layer plane) can certainly have a larger diameter (e.g., approximately 250 pm).
  • the beam is preferably a laser-generated beam, generated, for example, using one or more single-mode lasers, e.g., a fiber laser with a power of 3 kW and a wavelength of 1070 nm.
  • the beam movement device is, for example, an XY galvanometer scanner.
  • the beam profile adjustment device is designed to adjust the distribution of the radiation intensity in a plane perpendicular to the beam direction, particularly in the area where the radiation impacts the build material.
  • a change in radiation intensity of 1% per pm expresses that the difference between the values of radiation intensity at two points in the impact area that are 1 pm apart is 1% of the maximum intensity of the beam in the impact area.
  • the beam profile adjustment device can comprise at least one micro-optical element, which can be controlled by a control device or can be controlled by a control device.
  • This can be a so-called diffractive optical element (DOE).
  • DOEs can, for example, operate reflectively or transmissively and modify the wavefront of an incident beam by locally modulating the phase and/or amplitude of the reflected or transmitted partial beams.
  • the beam profile adjustment device can also be implemented using a controllable array of liquid crystals.
  • a beam trajectory is the path a beam follows in the build plane as the beam is directed toward the build material to melt the build material at the locations corresponding to the component's cross-section. It is a sequence of locations in the build plane specified in the control data of the beam movement device. The sequence in the control data specifies the chronological order in which the beam is to be directed toward these locations by the beam movement device, i.e., these locations are to be scanned with the beam.
  • the impact area is a surface on the build material in the build plane onto which the beam impinges.
  • the impact area thus corresponds to a two-dimensional extension on the build material at the build plane.
  • an inner region and an edge region (often an edge line whose width roughly corresponds to the diameter of the beam impact area on the build material in the build plane perpendicular to the direction of beam movement) of a component cross-section.
  • the inner region and/or the edge region are solidified by moving the beam along trajectories that are usually essentially parallel to one another, which can be straight and parallel to one another or non-straight and parallel to one another.
  • a trajectory refers to a line (of zero width) specified in the control data
  • a “hatch line” or “scan line” refers to a track in the build plane with a non-zero width, which roughly corresponds to the diameter of the beam impact area on the build material in the build plane perpendicular to the beam's direction of motion.
  • the width of the scan line therefore corresponds to the width of the impact area.
  • the trajectories are spaced apart from one another, enabling a uniform, seamless energy input into the build material during a scan.
  • the radiation intensity in the impact area can be distributed radially symmetrically, for example, a donut profile, a Gaussian profile, or a so-called top-hat profile, i.e., a profile in which the radiation intensity is more or less constant but decreases toward the edge of the impact area.
  • a crescent beam profile also called a "C-shape”
  • a ramp profile a profile in the shape of an inclined plane, where, in practice, there may be a main maximum intensity along with secondary maxima, or the intensity may decrease in steps.
  • a heat conduction welding process is preferably carried out when melting the construction material.
  • the radiation intensity is adjusted such that its distribution in the area of impact of the beam on the building material decreases at at least one point towards the edge of the impact area by at least 1% per pm, preferably at least 2% per pm, more preferably at least 3% per pm, most preferably at least 4% per pm, and/or in which the radiation intensity is adjusted such that its distribution at the at least one point towards the edge of the impact area decreases by at most 5% per pm, more preferably at most 7% per pm, more preferably at most 9% per pm.
  • the inventors were able to determine that the hot cracking behavior is more favorable the steeper the radiation intensity drops toward the edge of the impact zone. This can be explained by the fact that a steep drop in radiation intensity can prevent the formation of agglomerates of powder particles at the edge of the radiation impact zone, which would otherwise lead to instabilities and hot cracking in the subsequent process.
  • the radiation intensity is adjusted such that its distribution in the impact area on the build-up material varies such that, in the event of rotation of the beam, the decrease in radiation intensity towards the edge of the impact area changes at at least one point on the layer and/or the position of the impact area changes with respect to the point on the layer.
  • the rotation can take place at any angle, whereby the axis of rotation is assumed to be the beam axis, i.e. the direction of the beam.
  • the radiation intensity in the direction of the trajectory can, for example, have a different distribution than in a direction perpendicular to it, i.e., it can be axially symmetric (with the trajectory as the axis of symmetry). This means that in the event of a rotation, different radiation intensity is supplied to certain areas of the construction material.
  • the radiation intensity is adjusted such that at least 90%, preferably at least 95%, particularly preferably at least 99%, of the total radiation power is distributed within an impact region of the beam on the building material, the diameter of which is at most 300 pm, more preferably 420 pm, even more preferably 470 pm, and/or at least 30 pm, more preferably 80 pm, even more preferably 200 pm.
  • the area of the impact area is defined in some way.
  • the area of the impact area is defined as the area in the construction plane onto which at least 90%, preferably at least 95%, particularly preferably at least 99%, of the total radiation power is incident.
  • the maximum extent of the impact area in the construction plane can be used as the diameter of the impact area.
  • the method according to the invention advantageously achieves an increase in the radiation intensity in the impact area without increasing the diameter of the impact area.
  • this changes the ratio between the radiation intensity in the impact area and outside the impact area or achieves that a predominant part of the radiation intensity (as explained above, at least 90%, preferably at least 95%, particularly preferably at least 99%) is distributed in the impact area.
  • the radiation intensity is adjusted such that, starting from a point on the trajectory lying within the impact area, the distribution of the radiation intensity in the impact area of the beam on the building material has a different extent in a direction perpendicular to the trajectory than in the direction opposite to this perpendicular direction.
  • Such a distribution of radiation intensity is particularly advantageous during hatching, i.e., the sequential scanning of the build-up material along trajectories that are, at least in sections, essentially parallel to one another.
  • the impact area has a wider extension in the direction of the subsequent and/or previous trajectory, thus promoting or enabling a thermal conduction welding process.
  • a wide impact area or a wide melt pool in combination with an overlap of adjacent trajectories promotes crystal growth in the vertical direction.
  • the beam movement device is controllable and is controlled such that the distance between two adjacent trajectories which are substantially parallel to each other is less than or equal to 50% of the Beam width of the beam is preferably less than or equal to 35% of the beam width and greater than or equal to 15% of the beam width.
  • the extent of the impact area perpendicular to the trajectory is defined as the beam width.
  • the specified overlap of the impact areas of the beams used when scanning successive trajectories makes it possible to achieve a wide, flat melt pool, allowing the preferred thermal conduction welding process to occur during melting. Furthermore, the specified overlap and the radiation intensity distribution described above make it possible to achieve a wide, flat melt pool, particularly with a wider extent in the direction of the subsequent and/or previous trajectory.
  • This approach can also be used when the parallel trajectories are not straight, e.g. in the so-called "onion hatching", in which the build-up material is scanned in a spiral or concentric circles.
  • the beam movement device is controllable and is controlled such that the beam is moved along a trajectory at a speed that is greater than or equal to 1 m/s.
  • the speed at which the beam is moved along a trajectory is a value greater than or equal to 1 m/s and less than or equal to 2 m/s.
  • the additive manufacturing process according to the invention can be a selective laser melting process (SLM).
  • a beam generated by a laser operated in continuous wave mode is used to melt the build-up material along at least one of the trajectories, this beam can be moved along the trajectories at a speed greater than or equal to 1 m/s.
  • the variation of the radiation intensity in the impact area on the build-up material, the speed at which the beam is moved along the plurality of trajectories, and the distance between adjacent trajectories are selected such that after cooling of the previously melted build-up material, the proportion of large-angle grain boundaries is less than 75%, preferably less than 66%, more preferably less than 50%, most preferably less than 33%.
  • a high-angle grain boundary is defined here as a grain boundary where the orientation of adjacent crystal regions or crystallites differs by at least 15°.
  • the degree of polycrystallinity in the manufactured component is limited, since the degree of polycrystallinity increases with the proportion of high-angle grain boundaries. As the degree of polycrystallinity increases, the tendency for hot cracking also generally increases.
  • the degree of polycrystallinity can also be defined via the aspect ratio of the grains or via the extent to which the crystal regions are produced by epitaxial growth.
  • the variation of the radiation intensity in the impact area on the build-up material, the speed at which the beam is moved along the plurality of trajectories, and the distance between adjacent trajectories are selected such that, after cooling of the previously melted build-up material, the orientation of the grains relative to a perpendicular to the plane of the layer is a maximum of 15°.
  • the orientation of the grains is defined as the angle between the direction of maximum extension of a grain and the normal.
  • the normal to a layer plane usually corresponds to the direction in which the layers are stacked.
  • the crystallites (grains) in the component can be aligned in a preferred direction, which is preferably selected so that it essentially or exactly coincides with the direction in which the greatest mechanical stress occurs during later use of the component.
  • the variation of the radiation intensity in the impact area on the building material, the speed at which the beam is moved along the plurality of trajectories, and the distance between adjacent trajectories are selected such that after cooling of the previously melted building material, the maximum dimension of the grains is greater than or equal to 20 times, preferably greater than or equal to 50 times, more preferably greater than or equal to 100 times, the distance between two adjacent trajectories.
  • Grain size is defined here as the mean diameter of the grains (crystallites).
  • the specified match between grain size and trajectory spacing reflects the fact that a conduction welding process with a flat, extended weld pool is desired.
  • the variation of the radiation intensity in the impact area on the building material, the speed at which the beam is moved along the plurality of trajectories, the distance between adjacent trajectories are selected such that after cooling of the previously melted building material, the extension of the grains perpendicular to the planes of the layers is greater than or equal to 20 times, preferably greater than or equal to 50 times, more preferably greater than or equal to 100 times, the distance between two adjacent trajectories.
  • the directions of superimposed trajectories in successive layers are rotated relative to each other by an angle which is substantially 90°, preferably exactly 90°.
  • the angle between two superimposed trajectories can be determined by projecting the trajectories onto a plane parallel to both (which is parallel to the build plane or coincides with the build plane). Rotating the trajectories by 90° ensures that the crystal structure is maintained in the z-direction.
  • a computer-aided method for generating control command data for adjusting a radiation intensity of a beam in a manufacturing process for the additive manufacturing of a component, wherein components are produced in the manufacturing process by applying a build-up material layer upon layer and solidifying it in each applied layer by supplying radiation energy by a beam to those locations of the layer that are associated with the cross-section of the component in this layer, by moving the beam by means of a preferably controllable beam movement device along a plurality of trajectories in the cross-section of the component in order to melt the build-up material at the locations that are associated with the cross-section of the component, wherein the radiation intensity of the beam is determined using a
  • Beam profile adjustment device is adjusted within an impact area of the beam on the build field, and wherein the control command data are used to control the beam profile adjustment device, characterized in that the control command data are generated such that a distribution of the radiation intensity in the impact area of the beam on the build material changes at least at one point by at least 1% per pm and/or that at least 90%, preferably 95%, particularly preferably 99%, of the total radiation power is distributed within an impact area of the beam on the build material, the diameter of which is at most 300 pm, more preferably 420 pm, even more preferably 470 pm and/or at least 30 pm, more preferably 80 pm, even more preferably 200 pm.
  • model data contains a geometric description of the cross-sections of the component to be manufactured, which are assigned to the layers during layer-by-layer production, in particular a three-dimensional CAD model.
  • CAD model CAD model
  • other geometric description options are also available, e.g., a description using a set of parameters and a design specification.
  • the control command data for setting a radiation intensity are generally part of a control data set, which is considered to be the entirety of all control data specified for controlling the manufacturing process in an additive manufacturing device.
  • the control data related to an individual layer is usually referred to as a layer data set.
  • a layer data set contains a data model of locations of an object cross-section or object partial cross-section that are to be solidified in a layer by means of one or more beams during the manufacturing process.
  • an object cross-section or object partial cross-section can be included, in particular the chronological order in which an object cross-section or object partial cross-section
  • the corresponding locations are to be solidified by specifying scan lines or trajectories along which the beam is to be moved, a temporal sequence of scanning a plurality of scan lines or trajectories, or, for example, the layer thickness or irradiation parameter values, such as the diameter or the travel speed of a beam impinging on the build-up material, etc.
  • the control command data for adjusting a radiation intensity comprises data for controlling an array of liquid crystals.
  • Arrays of liquid crystals are divided into regions, usually into square columns or square regions (“pixels”).
  • the refractive index can be modulated by an electrical signal.
  • the beam is expanded and collimated.
  • the beam hits several, for example all, regions of the array, and different beam components pass through different regions (columns or pixels) of the array.
  • the beam is then refocused and directed, as described above, onto the build area to solidify the build material.
  • electrically modulating the refractive index of the regions of the array different beam components of the beam experience different refractive indices.
  • the control command data for adjusting a radiation intensity comprises data for controlling an array of liquid crystals, and that the adjustment of the radiation intensity depends on the data for controlling the array of liquid crystals.
  • the data for controlling the array of liquid crystals is then a special case of control command data for adjusting the radiation intensity and consequently a component of a control data set that comprises the entirety of all control data specified for controlling the manufacturing process in an additive manufacturing device.
  • the data for controlling the array of liquid crystals can be generated together with the remaining control command data, or part of the control command data can be in the form of data for Control of the liquid crystal array can be generated.
  • the data for controlling the liquid crystal array can be generated in a separate step, and the control command data can be subsequently supplemented with the data for controlling the liquid crystal array.
  • a preferred variant of the computer-aided method according to the invention for generating control command data for adjusting a radiation intensity of a beam in the manufacturing process for the additive manufacturing of a component, wherein the radiation intensity of the beam is adjusted using a beam profile adjustment device within an impact area of the beam on the construction field and the control command data serve to control the beam profile adjustment device, is characterized in that the control command data comprise data for controlling an array of liquid crystals, wherein the adjustment of the radiation intensity depends on the data for controlling the array of liquid crystals.
  • a further preferred variant of the computer-aided method according to the invention for generating control command data for adjusting a radiation intensity of a beam in the manufacturing process for the additive manufacturing of a component is characterized in that the control command data and/or the data for controlling the array of liquid crystals are generated in such a way that a distribution of the radiation intensity in the area of impact of the beam on the building material changes at least at one point by at least 1% per pm and/or that at least 90%, preferably 95%, particularly preferably 99%, of the total radiation intensity is distributed within an area of impact of the beam on the building material, the diameter of which is at most 300 pm, more preferably 420 pm, even more preferably 470 pm and/or at least 30 pm, more preferably 80 pm, even more preferably 200 pm.
  • a beam profile adjustment device for generating a beam in a manufacturing process for the additive manufacturing of a component, wherein in the manufacturing process components are produced by applying a build-up material layer upon layer and in each applied layer by means of Supply of radiation energy to those points of the layer which are assigned to the cross-section of the component in this layer, is solidified, wherein the beam profile adjustment device is designed to adjust the distribution of a radiation intensity within an impact region of the beam, is characterized in that the beam profile adjustment device generates the beam such that the radiation intensity in the impact region of the beam on the building material changes at least one point by at least 1% per pm and/or that at least 90%, preferably 95%, particularly preferably 99%, of the total radiation power is distributed within an impact region of the beam on the building material, the diameter of which is at most 300 pm, more preferably 420 pm, even more preferably 470 pm and/or at least 30 pm, more preferably 80 pm, even more preferably 200 pm.
  • the beam profiling device comprises a multiple light splitter (e.g., a beam splitter or a diffractive element) by which the radiant power can be distributed among light guides, e.g., optical fibers.
  • light guides can also be part of the beam profiling device.
  • the light guides can be attached to the beam profiling device. The fact that the light guides are attached to the beam profiling device does not mean that they necessarily have to be in the immediate vicinity of the beam profiling device or that they necessarily have to be mechanically connected to the beam profiling device. It is sufficient that the beam emanating from the beam profiling device can be coupled into the additional light guides.
  • multiple beams are coupled into a plurality of optical fibers, i.e., without the use of a multiple light splitter.
  • the light guides are considered part of the beam profiling device.
  • the beam profile can be adjusted by superimposing multiple beams, which originate either from multiple independent laser sources or from a single laser source.
  • a beam already exhibits a specific beam profile before coupling into a fiber optic cable.
  • the beam profile is inevitably altered during propagation in the fiber optic cable.
  • the change in the beam profile during propagation in a fiber optic cable can be predicted, for example, by simulation.
  • the properties of a light guide can then be selected such that the change in the beam profile due to propagation in the light guide contributes to the generation of a desired beam profile.
  • a beam profile is adjusted before coupling into a light guide, and the properties of a light guide are selected such that the combination of the adjustment of the beam profile and the change in the beam profile due to propagation in the light guide produces a desired beam profile.
  • An additive manufacturing device for producing a three-dimensional object with an application device for applying a building material layer upon layer and an energy input device for supplying radiation energy by means of a beam to those locations of a layer which are assigned to the cross-section of the object in this layer, which has: a beam profile device for adjusting a radiation intensity of the beam and a beam movement device for moving the beam along a plurality of trajectories, wherein the building material is melted at the locations which are assigned to the cross-section of the component in the layer along the trajectories, is characterized in that the beam profile device adjusts the radiation intensity of the beam such that the radiation intensity in the area of impact of the beam on the building material changes at least at one location by at least 1% per pm.
  • a further variant of a method for adjusting a radiation intensity of a beam and for moving the beam in a manufacturing process for the additive manufacturing of a component wherein in the manufacturing process components are produced by applying a building material layer upon layer and solidifying it in each applied layer by supplying radiation energy through the beam to those points of the layer that are assigned to the cross-section of the object in this layer, by moving the beam by means of a, preferably controllable, beam movement device is moved along a plurality of trajectories in the cross-section of the object in order to melt the building material at the locations which are assigned to the cross-section of the component, wherein the radiation intensity of the beam is adjusted using a beam profile adjustment device, is characterized in that the radiation intensity of the beam is adjusted such that its distribution in the area of impact of the beam on the building material changes at least at one location by at least 1% per pm and that at least 90%, preferably 95%, particularly preferably 99%, of the total radiation intensity is distributed within an area of impact of the beam on the building material, the diameter of which
  • a method for introducing radiation energy by a beam in a manufacturing process for the additive manufacturing of a component comprises: adjusting a radiation intensity of the beam using a beam profile adjustment device within an impact area of the beam on the build-up material and moving the beam by means of a preferably controllable beam movement device along a plurality of trajectories in the cross-section of the component, wherein the build-up material is melted at locations that are associated with the cross-section of the component.
  • the method is characterized in that that the radiation intensity is adjusted such that its distribution in the area of impact of the beam on the building material changes at least at one point by at least 1% per pm and that at least 90%, preferably 95%, particularly preferably 99%, of the total radiation intensity is distributed within an area of impact of the beam on the building material whose diameter is at most 470 pm, more preferably 420 pm, even more preferably 300 pm and/or at least 30 pm, more preferably 80 pm, even more preferably 200 pm.
  • the method is characterized in that the beam is moved such that the distance between adjacent trajectories which run substantially parallel to one another is less than 50% of the beam width of the beam, preferably less than or equal to 35% of the beam width, particularly preferably greater than or equal to 15% of the beam width, and the energy input device is controlled such that the beam is moved along a trajectory at a speed which is greater than or equal to 1 m/s.
  • An energy input device for inputting radiation energy by means of a beam in a manufacturing process for the additive manufacturing of a component, wherein components are produced in the manufacturing process by applying a build-up material layer upon layer and solidifying it in each applied layer by supplying radiation energy to those locations of the layer that are associated with the cross-section of the component in this layer, comprises: a beam profile adjustment device that is designed to adjust a radiation intensity of the beam and a, preferably controllable, beam movement device for moving the beam along a plurality of trajectories in the cross-section of the component, wherein the build-up material is melted at the locations that are associated with the cross-section of the component.
  • the energy input device is characterized in that the beam profile adjustment device adjusts the radiation intensity of the beam in such a way that its distribution in the area of impact of the beam on the building material changes at least at one point by at least 1% per pm and that at least 90%, preferably 95%, particularly preferably 99%, of the total radiation intensity is distributed within an impact area of the beam on the building material, the diameter of which is at most 470 pm, more preferably 420 pm, even more preferably 300 pm and/or at least 30 pm, more preferably 80 pm, even more preferably 200 pm.
  • the beam movement device is controlled such that the distance between adjacent trajectories which run substantially parallel to one another is less than 50% of the beam width of the beam, preferably less than or equal to 50% of the beam width, particularly preferably greater than or equal to 15% of the beam width, and the energy input device is controlled such that the beam is moved along a trajectory at a speed which is greater than or equal to 1 m/s.
  • Fig. 1 shows a schematic, partially sectioned view of an exemplary device for additively manufacturing a three-dimensional object according to the invention.
  • Fig. 2 shows schematically the course of the radiation intensity along a section through the center of the incident surface of a beam with radially symmetric radiation intensity and donut shape of the intensity profile.
  • Fig. 3 shows schematically the course of the radiation intensity along a section through the center of the incident surface of a beam with radially symmetric radiation intensity and Gaussian shape of the intensity profile.
  • Fig. 4 shows schematically the course of the radiation intensity along a section through the center of the incident surface of a beam with radially symmetric radiation intensity and tophat shape of the intensity profile.
  • Fig. 5 schematically shows two trajectories along which the beam is moved when scanning the build material.
  • Fig. 6 shows a three-dimensional representation of a donut-shaped intensity distribution.
  • Fig. 7 shows a three-dimensional representation of a 'tophat' intensity distribution.
  • Fig. 8 shows a common procedure for scanning ("hatching") the build-up material with electromagnetic radiation
  • Fig. 9 shows a three-dimensional representation of a ramp-shaped intensity distribution (ramp distribution).
  • the laser sintering or laser melting device 1 For constructing an object 2, the laser sintering or laser melting device 1 contains a process chamber or build chamber 3 with a chamber wall 4. Arranged within the process chamber 3 is a build container 5 open at the top and with a container wall 6. A work plane 7 is defined by the upper opening of the build container 5, with the area of the work plane 7 located within the opening, which can be used to construct the object 2, being referred to as the build field 8.
  • a support 10 movable in a vertical direction V, to which a base plate 11 is attached, which closes off the container 5 at the bottom and thus forms its base.
  • the base plate 11 can be a plate formed separately from the support 10 and fastened to the support 10, or it can be formed integrally with the support 10.
  • a build platform 12 can be attached to the base plate 11 as a build base, on which the object 2 is built. However, the object 2 can also be built on the base plate 11 itself, which then serves as the build base.
  • the object 2 to be formed in the container 5 on the build platform 12 is shown below the work plane 7 in an intermediate state with several solidified layers, surrounded by unsolidified build material 13.
  • the laser melting device 1 further includes a reservoir 14 for a build material 15, in this example a powder that can be solidified by electromagnetic radiation, and a coater 16 movable in a horizontal direction H for applying the build material 15 within the build field 8.
  • a heating device e.g., a radiant heater 17, can be arranged in the process chamber 3.
  • An infrared radiator for example, can be provided as the radiant heater 17.
  • the exemplary additive manufacturing device 1 further includes an energy input device 20 with a laser 21 that generates a laser beam 22, which is focused onto the working plane 7 via a beam profile adjustment device 26 and an XY galvanometer scanner 23 as a beam movement device and optionally a focusing device 24 via a coupling window 25 that is attached to the top of the process chamber 3 in the chamber wall 4.
  • an energy input device can comprise, for example, one or more gas or solid-state lasers or any other type of laser, such as laser diodes, in particular VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) or VECSELs (Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers), or a row of these lasers.
  • VCSELs Vertical Cavity Surface Emitting Lasers
  • VECSELs Very External Cavity Surface Emitting Lasers
  • the laser melting device 1 further includes a control device 29, via which the individual components of the device 1 are controlled in a coordinated manner to carry out the construction process.
  • the control device can also be mounted partially or entirely outside the additive manufacturing device.
  • the control device can include a CPU whose operation is controlled by a computer program (software).
  • the computer program can be stored separately from the additive manufacturing device in a storage device. from where it can be transferred (e.g. via a network) into the additive
  • control device 29 lowers the carrier 10 layer by layer, controls the coater 16 to apply a new powder layer, and controls the energy input device 20 to solidify the respective layer at the locations corresponding to the respective object by means of the laser by scanning these locations with the laser beam.
  • a manufacturing process takes place in such a way that the control device 29 processes a control data set.
  • the control data set tells the energy input device at which point on the working plane 7 the radiation is to be directed at each point in time during the scanning process of the build-up material with the laser beam.
  • metallic construction material is preferably used, in particular one which consists mainly, preferably more than 90%, of a nickel-based alloy, e.g. Inconel or MAR M 247 or CM 247 LC, and which is melted by introducing the radiation energy.
  • a nickel-based alloy e.g. Inconel or MAR M 247 or CM 247 LC
  • Fig. 8 shows a common procedure for scanning the build-up material with electromagnetic radiation.
  • an object cross-section 50 is divided into an inner region or core region 52 and a contour region 51, whereby the contour region 51 is usually assigned different parameters for the energy input into the
  • the inner region 52 is typically solidified by dividing it into subregions 53, which typically have an approximately rectangular or square shape and are therefore also referred to as "strips" or "squares.”
  • the inner region 52 is then scanned with the laser beam, subregion by subregion.
  • the laser beam is moved along parallel paths (hatch lines) 54 across the build material, resulting in a hatch-like movement pattern when scanning each partial area 53 with the laser beam.
  • This process is also referred to as "hatching" in technical jargon.
  • the direction of movement of the laser beam is illustrated by arrows. It can be seen that the directions of movement for adjacent hatch lines 54 are opposite to each other.
  • Fig. 5 illustrates in detail the situation for two adjacent hatch lines 54 (also referred to as trajectories).
  • the trajectories illustrate the sequence of points on the build material layer that are scanned one after the other, in other words, the positions that are specified to the energy input device in the control data set for an energy input in chronological succession.
  • the impact area of the laser beam on the surface of the build material has an extent other than zero, which is illustrated in Fig. 5 by a circular area 100.
  • the edge of the impact area is defined such that 99% of the radiation power of the laser beam impinges on the area lying within the edge.
  • the scanning laser beam can be assigned a beam width b corresponding to the extent of the impact area perpendicular to the trajectory.
  • the trajectories are spaced apart by an amount d, which is also taken into account in the control data.
  • a distance d between the trajectories is chosen that is less than 50% of the beam width b of the beam, in this case 40%.
  • the radiation power impinging on the build-up material in the impact area is not distributed homogeneously within the impact area. Rather, the radiation intensity fluctuates, as explained below using Figures 2 to 4.
  • the radiation intensity has a Gaussian distribution with a maximum of the radiation intensity in the center.
  • a so-called donut distribution i.e., a local minimum in the center surrounded by a region of higher radiation intensity
  • a so-called "top hat” distribution i.e., an approximately constant radiation intensity that decreases towards the edge.
  • the exact form of the distribution is determined by the beam profile adjustment device 26.
  • the beam shaping device can have at least one micro-optical element controllable by the control device.
  • the beam profile adjustment device can be a diffractive optical element (DOE).
  • DOE diffractive optical element
  • a diffractive optical element modifies the wavefront of an incident beam by locally modulating the phase and/or amplitude of the reflected or transmitted partial beams and can operate reflectively or transmissively.
  • a beam combining device disclosed in WO 2020/099172 A1 can be used to adjust an intensity distribution (e.g., Gaussian, donut, or tophat).
  • the intensity distribution can also be generated by superimposing multiple laser beams, either from multiple independent laser sources or from a single laser source, with the beams being split into partial beams using a beam splitter, for example.
  • a possible approach here is that proposed by nLIGHT, Vancouver, WA 98665 USA, which uses a multiple optical fiber, allowing the distribution of the radiant power to be varied among the individual fibers.
  • the intensity distribution can be adjusted by liquid crystals (e.g. arranged in columns or pixels).
  • a distribution of the radiation intensity within the impact area is defined in the control data, for example by defining a corresponding control of the beam profile adjustment device in the control data, for example also depending on the position of the build-up material layer to be scanned.
  • the distribution of the radiation intensity at the edge of the impact area should be adjusted so that it has a gradient of at least 1% per pm, preferably at least 2% per pm, more preferably at least 3% per pm, and most preferably at least 4% per pm.
  • the definition of the gradient at the edge is schematically illustrated in Figures 2 to 4.
  • a beam diameter (extension of the impact area) of no more than 470 pm, preferably 420 pm, even more preferably 300 pm, and/or at least 30 pm, preferably 80 pm, even more preferably 200 pm should be used.
  • the distance d between the trajectories should then be adjusted to the beam diameter b according to the specifications mentioned above.
  • the donut-shaped intensity distribution shown in Fig. 6 (in kW/cm 2 ) can be assigned a diameter b of the impact area on the build material of 250 pm, with the intensity decreasing by 3 to 4% per pm at least at one point in the impact area, particularly towards the edge of the impact area.
  • a diameter b of the impact area on the build material of 250 pm
  • the intensity decreasing by 3 to 4% per pm at least at one point in the impact area, particularly towards the edge of the impact area.
  • the total power in the beam fluctuated between 350 W and 500 W, with the scanning speed along the trajectories being between 1000 and 2000 mm/s (with a layer thickness between 0.085 and 0.09 mm) and the distance d between two adjacent hatch lines being between 75 pm and 95 pm (the distance between two adjacent trajectories is correspondingly between 30% and 38% of the impact area). Furthermore, the trajectories in the construction plane were rotated by 90° from layer to layer. With the parameters mentioned, a build rate of up to 3.8 mm3 /s was achieved. The inventors observed that the crack density can be influenced, particularly reduced, by parameter combinations within the above-mentioned ranges.
  • a micrograph of the manufactured component can be analyzed using image analysis software (e.g. ImageJ), whereby the total length of the individual cracks is determined by adding up all branches and finally the total length (sum) of all cracks is set in relation to the total area of the micrograph.
  • image analysis software e.g. ImageJ
  • the top-hat-shaped intensity distribution shown in Fig. 7 (in kW/cm 2 ) can also be assigned a diameter b of the impact area on the build-up material of 250 pm, with the intensity decreasing at least at one point in the impact area, particularly towards the edge of the impact area, by 1.5 to 2% per pm.
  • a diameter b of the impact area on the build-up material 250 pm
  • the intensity decreasing at least at one point in the impact area, particularly towards the edge of the impact area, by 1.5 to 2% per pm cubes with an edge length of 10 mm were again manufactured from CM247LC powder using an SLM process.
  • the total power in the beam is between 350 W and 433 W, with the
  • the scanning speed along the trajectories was between 1875 and 2167 mm/s (at a layer thickness between 0.075 and 0.09 mm), and the distance d between two adjacent hatch lines was between 65 and 90 pm. Furthermore, the trajectories were rotated by 90° in the build plane from layer to layer.
  • the ramp distribution (ramp-shaped distribution) of the intensity (in kW/cm 2 ) shown in Fig. 9 can be assigned a diameter b of the impact area on the build material of 300 pm in the main extension direction and 80 pm in the direction perpendicular to the main direction, with the intensity decreasing by 2.5 to 3.5% per pm at least at one point in the impact area, in particular towards an edge of the impact area.
  • the total power in the beam varied between 195 W and 350 W, with the scanning speed along the trajectories ranging between 2500 mm/s and 3500 mm/s (at a layer thickness between 0.075 and 0.09 mm), and the distance d between two adjacent hatch lines ranging between 40 and 70 pm. Furthermore, the trajectories were rotated by 90° in the build plane from layer to layer. Such a ramp-shaped intensity distribution exhibits a change in radiation intensity of up to 1.95%/pm.
  • the crack density is related to the crystal structure of the component.
  • the lower the crack density the larger and more strongly oriented the grains (crystals) are.
  • the influence of the process parameters (radiation intensity, change in radiation intensity within the impact area, diameter of the impact area or width of the scan line, Scan speed, hatch distance) on the texture properties of the component resulting from the manufacturing process.
  • Texture properties include the proportion of large-angle grain boundaries (angle of orientation between adjacent crystal regions), grain orientation relative to a plane perpendicular to the layer, maximum grain dimensions (e.g., relative to the hatch distance between adjacent trajectories), and grain extension (e.g., relative to the hatch distance between adjacent trajectories) in the direction perpendicular to the layer or the build direction of the component.
  • the inventors have observed that the maximum dimension of the grains and the extension of the grains in the direction perpendicular to the plane of the layer increase along with the change in the radiation intensity in the impact area (i.e., the greater the change in the radiation intensity in the impact area (in particular, the steeper the radiation intensity decreases towards the edge of the impact area), the greater the maximum dimension of the grains and the greater the extension of the grains in a plane perpendicular to the layer).
  • a greater extension of the grains in a plane perpendicular to the layer also means that the proportion of large-angle grain boundaries is smaller: the more the grains are oriented perpendicular to the layer, the smaller the angle between neighboring grains and the smaller the proportion of grain angle boundaries that deviate from this small angle.
  • the fact that the grains are greatly extended perpendicular to the layer also means that they are oriented essentially perpendicular to the layer.
  • the direction in which the grains have the maximum dimension has an angle with respect to a perpendicular to the layer that is at most is 15°.
  • the mentioned properties of the grains or their texture also depend on the hatch distance and the diameter of the impact area or the beam width.
  • the radiation intensity and the scanning speed in combination with the other parameters should be in certain intervals in order to achieve the desired properties of the grains in combination with the change in the radiation intensity according to the invention.
  • the proportion of high-angle grain boundaries is less than 33% means that the orientation angle of the grains relative to the perpendicular to the layer is essentially a maximum of 15°. As explained above, a larger angle of the grains relative to the perpendicular to the layer decreases the angle between the different grains, thus reducing the proportion of high-angle grain boundaries in the material.
  • the maximum dimension of the grains is typically larger than the extension of the grains perpendicular to the layer, because the maximum extension of a grain lies in a direction other than the direction perpendicular to the layer.
  • the extensions of the grains perpendicular to the layer differ The larger the grains' dimensions in the direction perpendicular to the layer, the smaller the maximum dimension of the grains.
  • the maximum dimension (the maximum diameter) of the grains (crystallites in the manufactured object) and the grain dimensions perpendicular to the layer (relative to the orientation of the component during the manufacturing process) are in the same range (see Table 5), even if the maximum dimension of the grains is generally slightly larger than their dimensions perpendicular to the layer.
  • Radiation intensity between 40 and 450 W.
  • Diameter of the impact area between 30 and 400 pm
  • Scanning speed between 1000 mm/s and 3500 mm/s
  • a smaller value can be selected for the minimum change in radiation intensity towards the edge of the impact area, e.g. a value between 1.5%/pm and 2%/pm, if more than 75% of the radiation power is distributed over half the area of the impact area, such as in a top hat profile.

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Abstract

Ein Verfahren zur Einstellung einer Strahlungsintensität eines Strahls in einem Fertigungsprozess zur additiven Fertigung eines Bauteils, wobei in dem Fertigungsprozess Bauteile dadurch hergestellt werden, dass ein Aufbaumaterial Schicht auf Schicht aufgetragen wird und in jeder aufgetragenen Schicht mittels Zufuhr von Strahlungsenergie durch ein Strahl zu jenen Stellen der Schicht, die dem Querschnitt des Bauteils in dieser Schicht zugeordnet sind, verfestigt wird, indem der Strahl mittels einer, bevorzugt ansteuerbaren, Strahlbewegungsvorrichtung entlang einer Mehrzahl von Trajektorien im Querschnitt des Bauteils bewegt wird, um das Aufbaumaterial an den Stellen, die dem Querschnitt des Bauteils zugeordnet sind, aufzuschmelzen, und wobei die Strahlungsintensität des Strahls unter Verwendung einer Strahlprofileinstelleinrichtung innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls auf dem Aufbaumaterial eingestellt wird ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsintensität des Strahls so eingestellt wird, dass ihre Verteilung im Auftreffbereich des Strahls auf dem Aufbaumaterial sich an zumindest einer Stelle um mindestens 1% pro µm ändert.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur additiven Fertigung von Werkstücken mit verringerter Heißrissbildung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Einstellung einer Strahlungsintensität eines Strahls in einem Fertigungsprozess zur additiven Fertigung eines Bauteils, ein additives Herstellverfahren, in dem dieses Verfahren ausgeführt wird, ein computergestütztes Verfahren zur Generierung von Steuerbefehlsdaten zur Einstellung einer Strahlungsintensität eines Strahls in einem Fertigungsprozess zur additiven Fertigung eines Bauteils und eine Strahlprofileinstellvorrichtung zur Erzeugung eines Strahls in einem Fertigungsprozess zur additiven Fertigung eines Bauteils.
Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung insbesondere auf additive Herstellverfahren und -Vorrichtungen, bei denen ein Bauteil durch Bestrahlen von Schichten eines Ausgangsmatenals, das in Pulverform oder pastoser Form vorliegt, mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung aufgeschmolzen wird, um nach dem Erkalten als Festkörper vorzuliegen. Beispiele für solche Verfahren sind das selektive Lasersintern (SLS) oder das selektive Laserschmelzen (SLM). Beim selektiven Laserschmelzen werden insbesondere metallische Ausgangsmaterialien verarbeitet und in den letzten Jahren haben sich die Verfahren so weitereitwickelt, dass auch Bauteile, die hohe Anforderungen an die mechanischen und thermischen Eigenschaften erfüllen müssen, mittels additiver Fertigung herstellbar sind.
Beispielsweise sind Leit- und Laufschalen von Turbinen hohen thermischen sowie korrosiven und oxidativen Belastungen ausgesetzt. Aufgrund von typischerweise hohen Betriebstemperaturen können Kriechschädigungen bspw. durch Korngrenzgleiten auftreten. Diesem Schädigungsmechanismus kann grundsätzlich durch ein gröberes Korngefüge entgegengewirkt werden. Es wird demnach angestrebt, die Bauteile mit einer einkristallinen Mikrostruktur herzustellen oder zumindest mit einem gerichteten erstarrten Korngefüge mit der Orientierung der Kristallite zumindest näherungsweise in der zukünftigen Hauptbelastungsrichtung.
Als Werkstoffe zur Herstellung von hochbelasteten Bauteilen kommen bevorzugt Nickel-Basislegierungen (z.B. Hastelloy, Inconel), Wolfram-Molybdän-Legierungen oder Titan-Legierungen zum Einsatz. Besonders bevorzugt sind Superlegierungen auf Nickel-, Cobalt-, und/oder Eisenbasis. Schwierigkeiten bei der Verwendung von Nickel-Basislegierungen als Aufbaumaterial ergeben sich allerdings daraus, dass es beim Schweißen (Schmelzen und Erstarren) dieser Materialien tendenziell zur Ausbildung von Heißrissen kommt. Insbesondere führt ein hoher Anteil an Legierungselemente zu Schwierigkeiten bei der Verarbeitbarkeit, bspw. hinsichtlich der Schweißbarkeit, der Materialien. Dies auch ist auf die Bildung von Heißrissen während der Erstarrung zurückzuführen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und einer Vorrichtung bereitzustellen, mittels derer die Heißrissbildung bei der Herstellung von Bauteilen mittels eines additiven Fertigungsprozesses verringert werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Einstellung einer Strahlungsintensität nach Anspruch 1 , ein additives Herstellverfahren nach Anspruch 8, ein Verfahren zur Generierung von Steuerbefehlsdaten nach Anspruch 14, eine Strahlprofileinstellvorrichtung nach Anspruch 15 und eine additive Herstellvorrichtung nach Anspruch 16. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen spezifiziert. Dabei können die Verfahren auch durch die untenstehenden bzw. in den abhängigen Ansprüchen ausgeführten Merkmale der Vorrichtungen weitergebildet sein oder umgekehrt. Die Merkmale der Vorrichtungen und Verfahren können auch jeweils untereinander zur Weiterbildung genutzt werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Einstellung einer Strahlungsintensität eines Strahls in einem Fertigungsprozess zur additiven Fertigung eines Bauteils wobei in dem Fertigungsprozess Bauteile dadurch hergestellt werden, dass ein Aufbaumaterial Schicht auf Schicht aufgetragen wird und in jeder aufgetragenen Schicht mittels Zufuhr von Strahlungsenergie durch ein Strahl zu jenen Stellen der Schicht, die dem Querschnitt des Bauteils in dieser Schicht zugeordnet sind, verfestigt wird, indem der Strahl mittels einer, bevorzugt ansteuerbaren, Strahlbewegungsvorrichtung entlang einer Mehrzahl von Trajektorien im Querschnitt des Bauteils bewegt wird, um das Aufbaumaterial an den Stellen, die dem Querschnitt des Bauteils zugeordnet sind, aufzuschmelzen, und wobei die Strahlungsintensität des Strahls unter Verwendung einer Strahlprofileinstelleinrichtung innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls auf dem Aufbaumaterial eingestellt wird ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsintensität des Strahls so eingestellt wird, dass ihre Verteilung im Auftreffbereich des Strahls auf dem Aufbaumaterial sich an zumindest einer Stelle um mindestens 1 % pro pm ändert.
Additive Herstellvorrichtungen und -verfahren, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, sind insbesondere solche, bei denen Energie als elektromagnetische Strahlung oder Teilchenstrahlung selektiv einer Schicht eines formlosen Aufbaumaterials zugeführt wird. Die Arbeitsebene (auch als Bauebene bezeichnet) ist dabei eine Ebene, in der die Oberseite der Schicht liegt, welcher die Energie zugeführt wird und wird hier auch als Schichtebene bezeichnet. Hierbei kann die Strahlungsenergie beispielsweise durch einen Laser oder eine Elektronenstrahlquelle erzeugt werden, wobei auch eine Mehrzahl von Strahlungsquellen und/oder Strahlen zum Einsatz kommen kann. Die dem Aufbaumaterial zugeführte Strahlung erwärmt dieses und bewirkt dadurch einen Sinter- oder Schmelzvorgang. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Laserschmelzvorrichtungen sowie die zugehörigen Verfahren. Eine Anwendung der Erfindung in Zusammenhang mit additiven Herstellverfahren und -Vorrichtungen, bei denen ein metallenes oder zumindest metallhaltiges Aufbaumaterial verwendet wird, beispielsweise ein Metallpulver oder Metalllegierungspulver, ist von besonderem Vorteil. Bevorzugt wird die Erfindung in einem Fertigungsprozess angewendet, in dem das Aufbaumaterial (in der Regel pulverförmig) aus einem Werkstoff besteht, der eine Nickel-Basislegierung (z.B. Hastelloy, Inconel, MAR M 247), Wolfram-Molybdän-Legierungen oder Titan- Legierungen, insbesondere Superlegierungen auf Nickel-, Cobalt-, und/oder Eisenbasis, enthält, oder zumindest solch einen Werkstoff enthält. Es sei an dieser Stelle bemerkt, dass mittels einer erfindungsgemäßen additiven Herstellvorrichtung nicht nur ein Objekt, sondern auch mehrere Objekte gleichzeitig hergestellt werden können. Wenn in der vorliegenden Anmeldung von der Herstellung eines Objekts die Rede ist, dann versteht es sich, dass die jeweilige Beschreibung in gleicher Weise auch auf additive Herstellverfahren und -Vorrichtungen anwendbar ist, bei denen mehrere Objekte gleichzeitig hergestellt werden.
Der Begriff "Strahl" soll hier nicht zum Ausdruck bringen, dass der Durchmesser des Strahls sehr klein sein muss. Vielmehr kann die Strahlauftrefffläche auf dem Aufbaumaterial (in der Bauebene bzw. Schichtebene) durchaus einen größeren Durchmesser (z. B. ca. 250 pm) aufweisen. Bevorzugt handelt es sich bei dem Strahl um einen Laser-erzeugten Strahl, der z.B. mittels einem oder mehrerer Single-Mode- Laser, z. B. einem Faserlaser mit einer Leistung von 3 kW und einer Wellenlänge von 1070 nm, erzeugt wurde. Bei der Strahlbewegungsvorrichtung handelt es sich beispielsweise um einen XY-Galvanometerscanner. Die Strahlprofileinstelleinrichtung ist dabei ausgelegt, die Verteilung der Strahlungsintensität in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung, insbesondere im Auftreffbereich der Strahlung auf dem Aufbaumaterial, einzustellen. Eine Änderung der Strahlungsintensität von 1 % pro pm bringt dabei zum Ausdruck, dass der Betrag der Differenz zwischen den Werten der Strahlungsintensität an zwei Punkten im Auftreffbereich, die einen Abstand von 1 pm zueinander haben, 1 % der maximalen Intensität des Strahls im Auftreffbereich beträgt.
Um einen Laserstrahl bereitzustellen, dessen Intensitätsverteilung im Auftreffbereich auf dem Aufbaumaterial sich an zumindest einer Stelle um mindestens 1 % pro pm ändert, kann z. B. eine in WO 2020 / 099 172 A1 offenbarte Strahl- Kombinationsvorrichtung für die Strahlprofileinstelleinrichtung verwendet werden. Die Strahl-Kombinationsvorrichtung koppelt einen ersten Laserstrahl und einen davon unterschiedlichen zweiten Laserstrahl so in einem Strahlengang, dass beide Strahlen gemeinsam mittels der Strahlbewegungsvorrichtung über das Aufbaumaterial bewegt werden können. Die Überlagerung der beiden Laserstrahlen stellt dann eine Intensitätsverteilung mit den gewünschten Eigenschaften im Auftreffbereich bereit. Insbesondere ist es auch denkbar, die Laserstrahlung, zumindest teilweise, über einen Multifaser-Lichtleiter zu führen, wobei den unterschiedlichen Fasern dann unterschiedliche Strahlungsintensitäten zugeführt werden. Letztere können durch eine Mehrzahl von Laserquellen erzeugt werden und/oder durch Aufspaltung von Laserstrahlen in mehrere Teilstrahlen erzeugt werden. Insbesondere kann das Verhältnis der von den einzelnen Fasern übertragenen Strahlungsintensitäten zueinander auch durch die Ausgestaltung der Fasern beeinflusst oder festgelegt werden.
Weiterhin kann die Strahlprofileinstelleinrichtung zumindest ein, nicht ansteuerbares oder durch eine Steuereinrichtung ansteuerbares, mikrooptisches Element aufweisen. Bei diesem kann es sich insbesondere um ein sogenanntes diffraktives optisches Element (im Englischen auch als „Diffractive Optical Element“, DOE, bekannt) handeln. DOEs können z. B. reflektiv oder transmissiv arbeiten und die Wellenfront eines einfallenden Strahls durch lokale Modulation von Phase und/oder Amplitude der reflektierten oder transmittierten Teilstrahlen verändern.
Ferner kann die Strahlprofileinstelleinrichtung auch unter Verwendung eines ansteuerbaren Arrays von Flüssigkristallen implementiert werden.
Bei einer Trajektorie eines Strahls handelt es sich um eine Spur eines Strahls in der Bauebene beim Richten des Strahls auf das Aufbaumaterial, um dieses an den dem Bauteilquerschnitt entsprechenden Stellen durch Aufschmelzen des Aufbaumaterials zu generieren. Es handelt sich um eine in den Ansteuerdaten der Strahlbewegungsvorrichtung spezifizierte Abfolge von Orten in der Bauebene, wobei die Abfolge in den Ansteuerdaten die zeitliche Reihenfolge vorgibt, in der der Strahl durch die Strahlbewegungsvorrichtung auf diese Orte zu richten ist, also diese Orte mit dem Strahl abzutasten sind.
Der Auftreffbereich ist im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Fläche auf dem Aufbaumaterial in der Bauebene, auf die der Strahl auftrifft. Der Auftreffbereich entspricht also einer zweidimensionalen Erstreckung auf dem Aufbaumaterial auf der Bauebene. Beim Abtasten der zu verfestigenden Stellen eines Bauteilquerschnitts wird manchmal zwischen einem Innenbereich und einem Randbereich (oftmals eine Randlinie, deren Breite in grober Näherung in etwa dem Durchmesser der Strahlauftrefffläche auf dem Aufbaumaterial in der Bauebene senkrecht zur Bewegungsrichtung des Strahls entspricht) eines Bauteilquerschnitts unterschieden. Dabei werden der Innenbereich und/oder der Randbereich durch Bewegen des Strahls entlang meist zueinander im Wesentlichen paralleler Trajektorien verfestigt, welche geradlinig und zueinander parallel oder aber nicht geradlinig und zueinander parallel sein können. Die Flächen werden sozusagen schraffiert (englisch: "hatching"), weshalb die einzelnen Trajektorien auch als "Hatchlinien" bezeichnet werden. Insbesondere wird in der vorliegenden Anmeldung oftmals der Begriff "Trajektorie" synonym zu "Hatchlinie" bzw. Scanlinie verwendet, auch wenn streng genommen sich eine Trajektorie auf eine in den Steuerdaten spezifizierte Linie (der Breite Null) bezieht und eine "Hatchlinie" bzw. Scanlinie sich auf eine Spur in der Bauebene mit einer von Null verschiedenen Breite, die in grober Näherung in etwa dem Durchmesser der Strahlauftrefffläche auf dem Aufbaumaterial in der Bauebene senkrecht zur Bewegungsrichtung des Strahls entspricht, bezieht. Nach der obigen Definition entspricht also die Breite der Scanlinie der Breite des Auftreffbereichs. Um die von Null verschiedenen Breiten der Schmelzspuren im Aufbaumaterial zu berücksichtigen, sind die Trajektorien voneinander beabstandet, so dass ein gleichmäßiger lückenloser Energieeintrag in das Aufbaumaterial bei einer Abtastung desselben ermöglicht wird. Im Rahmen der Erfindung ist es bevorzugt, dass die Trajektorien als gerade Strecken spezifiziert sind.
Insbesondere kann die Strahlungsintensität im Auftreffbereich radialsymmetrisch verteilt sein, also beispielsweise ein Donutprofil, Gaußprofil oder aber ein sogenanntes Tophat-Profil, also ein Profil, bei dem die Strahlungsintensität mehr oder weniger konstant ist, jedoch zum Rand des Auftreffbereichs hin abfällt. Allerdings sind auch andere nicht-rotationssymmetrische Profile denkbar, wie z.B. ein Sichelstrahlprofil (auch „C-shape“ genannt) und ein Ramp-Profil (Profil in Gestalt einer schiefen Ebene, wobei in der praktischen Umsetzung es neben einem Hauptmaximum der Intensität auch Nebenmaxima geben kann oder aber auch die Intensität in Stufen abfallen kann) möglich. Bevorzugt wird erfindungsgemäß ein Wärmeleitungsschweißprozess beim Aufschmelzen des Aufbaumaterials durchgeführt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die Strahlungsintensität so eingestellt , dass ihre Verteilung im Auftreffbereich des Strahls auf dem Aufbaumaterial an zumindest einer Stelle zum Rand des Auftreffbereichs hin um mindestens 1 % pro pm, bevorzugt mindestens 2% pro pm, noch bevorzugter mindestens 3% pro pm, am Bevorzugtesten mindestens 4% pro pm, abnimmt, und/oder bei dem die Strahlungsintensität so eingestellt wird, dass ihre Verteilung an der zumindest einen Stelle zum Rand des Auftreffbereichs hin um höchstens 5% pro pm, bevorzugter höchstens 7% pro pm, noch bevorzugter höchstens 9% pro pm, abnimmt.
Die Erfinder konnten feststellen, dass das Heißrissverhalten umso günstiger ist, je steiler die Strahlungsintensität zum Rand des Auftreffbereichs hin abfällt. Dies kann man so erklären, dass bei einem steilen Abfall der Strahlungsintensität die Entstehung von Agglomeraten von Pulverpartikeln am Rand des Strahlungsauftreffbereichs, welche im folgenden Prozess zu Instabilitäten und zu einer Heißrissbildung führen würden, verhindert werden kann.
Bevorzugt wird die Strahlungsintensität so eingestellt, dass ihre Verteilung im Auftreffbereich auf dem Aufbaumateriales so variiert, dass im Falle einer Rotation des Strahls sich an zumindest einer Stelle der Schicht die Abnahme der Strahlungsintensität zum Rand des Auftreffbereichs hin ändert und/oder die Lage des Auftreffbereichs bezüglich der Stelle der Schicht sich ändert.
Die Rotation kann dabei um einen beliebigen Winkel stattfinden, wobei als Drehachse die Strahlachse angenommen wird, also die Richtung des Strahls.
Bei diesem Vorgehen gibt es also keine radialsymmetrische Verteilung der Strahlungsintensität im Auftreffbereich. Vielmehr kann z.B. die Strahlungsintensität in Richtung des Verlaufs der Trajektorie eine andere Verteilung aufweisen als in einer Richtung senkrecht dazu, also beispielweise achsensymmetrisch (mit der Trajektorie als Symmetrieachse) verteilt sein. Dies führt dazu, dass im Falle einer Verdrehung Stellen des Aufbaumaterials eine veränderte Strahlungsintensität zugeführt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Strahlungsintensität so eingestellt, dass zumindest 90%, bevorzugt zumindest 95%, besonders bevorzugt zumindest 99%, der gesamten Strahlungsleistung innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls auf dem Aufbaumaterial verteilt ist, dessen Durchmesser höchstens 300 pm, bevorzugter 420 pm, noch bevorzugter 470 pm, und/oder zumindest 30 pm, bevorzugter 80 pm, noch bevorzugter 200 pm, beträgt.
Da in der Praxis die Strahlungsintensität am Rand nicht abrupt auf einen Wert Null zurückgeht, muss man die Fläche des Auftreffbereichs in irgendeiner Weise definieren. In der vorliegenden Anmeldung ist die Fläche des Auftreffbereichs als jene Fläche in der Bauebene definiert, auf die zumindest 90%, bevorzugt zumindest 95%, besonders bevorzugt zumindest 99%, der gesamten Strahlungsleistung auftreffen. Als Durchmesser des Auftreffbereichs kann in Fällen, in denen die Strahlungsintensität nicht radialsymmetrisch verteilt ist, z.B. die maximale Ausdehnung des Auftreffbereichs in der Bauebene herangezogen werden. Bei einer einfachen Erhöhung der Strahlungsleistung wird nach der obigen Definition der Auftreffbereich auch entsprechend größer. Das ist ungünstig, weil das Verhältnis zwischen einer Strahlungsintensität im Auftreffbereich und einer Strahlungsintensität außerhalb des Auftreffbereichs dadurch nicht geändert wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise eine Erhöhung der Strahlungsintensität im Auftreffbereich erreicht, ohne dass der Durchmesser des Auftreffbereichs größer wird. Dadurch wird im Gegensatz zu einer einfachen Erhöhung der Strahlungsleistung das Verhältnis zwischen der Strahlungsintensität im Auftreffbereich und außerhalb des Auftreffbereichs geändert bzw. es wird dadurch erreicht, dass ein überwiegender Teil der Strahlungsintensität (wie oben erläutert, zumindest 90%, bevorzugt zumindest 95%, besonders bevorzugt zumindest 99%) im Auftreffbereich verteilt ist.
Durch das spezifizierte Vorgehen, also die Kombination von Mindeststeilheit des Abfalls des Intensitätsprofils mit der im Vergleich zum Stand der Technik relativ großen Ausdehnung des Strahlungsauftreffbereichs, ist es möglich, ein breites, flaches Schmelzbad zu erzielen, so dass beim Aufschmelzen der bevorzugte Wärmeleitungsschweißvorgang stattfindet. Insbesondere konnten die Erfinder feststellen, dass das Heißrissverhalten vorteilhaft beeinflusst werden kann, wenn ein vergrößerter Auftreffbereich in Kombinationen mit einer hohen Flankensteilheit der Verteilung der Strahlungsintensität im Auftreffbereich kombiniert wird. Eine niedrige Flankensteilheit bewirkt bei vergrößertem Laserstrahldurchmesser ansonsten das Agglomerieren von Pulverpartikeln, welche im weiteren Prozess zu Instabilitäten und zur erneuten Heißrissbildung führen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Strahlungsintensität so eingestellt, dass ausgehend von einer innerhalb des Auftreffbereichs liegenden Stelle auf der Trajektorie die Verteilung der Strahlungsintensität im Auftreffbereich des Strahls auf dem Aufbaumaterial in einer auf der Trajektorie senkrecht stehenden Richtung eine andere Ausdehnung aufweist als in der zu dieser senkrecht stehenden Richtung entgegengesetzten Richtung.
Solch eine Verteilung der Strahlungsintensität ist insbesondere beim Hatchen, also dem sequentiellen Abtasten des Aufbaumaterials entlang von zueinander zumindest abschnittsweise im Wesentlichen parallelen Trajektorien vorteilhaft. Bevorzugt wird dafür gesorgt, dass in einer Richtung, in der die Trajektorien nacheinander abgetastet werden (Trajektorienabfolgerichtung, also auf dem Verlauf der Trajektorien senkrecht stehende Richtung) der Auftreffbereich in Richtung der nachfolgenden und/oder der vorherigen Trajektorie eine breitere Ausdehnung hat, damit einen Wärmeleitungsschweißprozess gefördert bzw. ermöglicht wird. Insbesondere fördert ein breiter Auftreffbereich bzw. ein breites Schmelzbad in Kombination mit einem Überlapp von nebeneinanderliegenden Trajektorien ein Wachstum von Kristallen in der vertikalen Richtung.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Strahlbewegungsvorrichtung ansteuerbar und wird so angesteuert, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Trajektorien, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, geringer oder gleich 50% der Strahlbreite des Strahls ist, bevorzugt geringer oder gleich 35% der Strahlbreite und größer oder gleich 15% der Strahlbreite, ist.
Hier ist die Ausdehnung des Auftreffbereichs senkrecht zur Trajektorie als Strahlbreite definiert. Durch die spezifizierte Überlappung der Auftreffbereiche der beim Abtasten aufeinanderfolgender Trajektorien verwendeten Strahlen ist es möglich, ein breites, flaches Schmelzbad zu erzielen, so dass beim Aufschmelzen der bevorzugte Wärmeleitungsschweißvorgang stattfindet. Außerdem lässt sich durch die spezifizierte Überlappung und die oben beschriebene Verteilung der Strahlungsintensität insbesondere mit einer breiteren Ausdehnung in der Richtung der nachfolgenden und/oder der vorherigen Trajektorie ein breites, flaches Schmelzbad erreichen.
Die Herangehensweise kann insbesondere auch gewählt werden, wenn die zueinander parallelen Trajektorien nicht geradlinig verlaufen, also z.B. beim sogenannten "onion hatching", bei dem das Aufbaumaterial spiralförmig bzw. in konzentrischen Kreisen abgetastet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Strahlbewegungsvorrichtung ansteuerbar und wird so angesteuert, dass der Strahl mit einer Geschwindigkeit entlang einer Trajektorie bewegt wird, die größer oder gleich 1 m/s ist.
Infolge der Spezifizierung der Mindest-Abtastgeschwindigkeit wird sichergestellt, dass nicht zu viel Leistung in das Aufbaumaterial eingetragen wird, so dass ein Wärmeleitungsschweißprozess beim Aufschmelzen des Aufbaumaterials sichergestellt werden kann.
Bevorzugt liegt die Geschwindigkeit, mit der Strahl entlang einer Trajektorie bewegt wird, bei einem Wert, der größer oder gleich 1 m/s und kleiner oder gleich 2 m/s ist.
In einem erfindungsgemäßen additiven Herstellverfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils mittels einer additiven Herstellvorrichtung, wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Einstellung einer Strahlungsintensität eines Strahls ausgeführt. Insbesondere kann es sich bei dem erfindungsgemäßen additiven Herstellverfahren um ein selektives Laserschmelzverfahren (SLM) handeln.
Wenn bei dem additiven Herstellverfahren zum Aufschmelzen des Aufbaumaterials entlang zumindest einer der Trajektorien ein mittels eines im Dauerstrichbetrieb betriebenen Lasers erzeugter Strahl verwendet wird, so kann dieser mit einer Geschwindigkeit entlang der Trajektorien bewegt wird, die größer oder gleich 1 m/s ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden in dem additiven Herstellverfahren die Variation der Strahlungsintensität im Auftreffbereich auf dem Aufbaumaterial, die Geschwindigkeit, mit der der Strahl entlang der Mehrzahl von Trajektorien bewegt wird, und der Abstand zwischen benachbarten Trajektorien so gewählt, dass nach dem Abkühlen des zuvor aufgeschmolzenen Aufbaumaterials der Anteil der Großwinkelkorngrenzen weniger als 75%, bevorzugt weniger als 66%, noch bevorzugter weniger als 50%, am bevorzugtesten weniger als 33% beträgt.
Als eine Großwinkelkorngrenze wird hier eine Korngrenze angesehen, bei der die Orientierung benachbarter Kristallbereiche bzw. Kristallite um mindestens 15° differiert. Bei dem spezifizierten Vorgehen, bei dem eine erfindungsgemäße Einstellung der Strahlungsintensität in einem additiven Herstellverfahren erfolgt, wird der Grad der Polykristallinität im hergestellten Bauteil begrenzt, da mit steigendem Anteil der Großwinkelkorngrenzen der Grad der Polykristallinität wächst. Mit steigendem Grad der Polykristallinität wächst in der Regel auch die Neigung zum Auftreten von Heißrissen.
Es sei angemerkt, dass sich bei der erfindungsgemäß erwünschten Begrenzung der Polykristallinität die Grad der Polykristallinität auch über das Aspektverhältnis der Körner oder aber darüber, in welchem Umfang die Erzeugung der Kristallbereiche durch epitaktisches Wachstum erfolgt, definieren lässt. Gemäß einem weiteren Aspekt werden in dem erfindungsgemäßen additiven Herstellverfahren die Variation der Strahlungsintensität im Auftreffbereich auf dem Aufbaumaterial, die Geschwindigkeit, mit der der Strahl entlang der Mehrzahl von Trajektorien bewegt wird, und der Abstand zwischen benachbarten Trajektorien so gewählt, dass nach dem Abkühlen des zuvor aufgeschmolzenen Aufbaumaterials die Ausrichtung der Körner gegenüber einer Senkrechten auf der Ebene der Schicht maximal 15° beträgt.
Hier wird die Ausrichtung der Körner definiert als Winkel zwischen der Richtung der Maximalausdehnung eines Korns und der Senkrechten. Die Senkrechte zu einer Schichtebene entspricht in der Regel der Richtung, in der die Schichten aufeinandergeschichtet werden.
Durch das spezifizierte Vorgehen können die Kristallite (Körner) im Bauteil (bevorzugt der Einkristall des einkristallinen Bauteils) in einer Vorzugsrichtung ausgerichtet werden, welche bevorzugt so gewählt wird, dass sie im Wesentlichen oder exakt mit der Richtung zusammenfällt, in der bei der späteren Verwendung des Bauteils die größte mechanische Belastung auftritt.
Gemäß einem weiteren Aspekt werden die Variation der Strahlungsintensität im Auftreffbereich auf dem Aufbaumaterial, die Geschwindigkeit, mit der der Strahl entlang der Mehrzahl von Trajektorien bewegt wird, und der Abstand zwischen benachbarten Trajektorien so gewählt, dass nach dem Abkühlen des zuvor aufgeschmolzenen Aufbaumaterials die maximale Abmessung der Körner größer oder gleich dem 20-fachen, bevorzugt größer oder gleich dem 50-fachen, noch bevorzugter größer oder gleich dem 100-fachen, des Abstands zwischen zwei benachbarten Trajektorien ist.
Die Korngröße ist hier definiert als der mittlere Durchmesser der Körner (Kristallite). Die spezifizierte Abstimmung zwischen Korngröße und Abstand der Trajektorien spiegelt den Umstand wider, dass eine Wärmeleitungsschweißprozess mit einem flachen, ausgedehnten Schmelzbad erwünscht ist. Gemäß einem weiteren Aspekt werden die Variation der Strahlungsintensität im Auftreffbereich auf dem Aufbaumaterial, die Geschwindigkeit, mit der der Strahl entlang der Mehrzahl von Trajektorien bewegt wird, der Abstand zwischen benachbarten Trajektorien so gewählt, dass nach dem Abkühlen des zuvor aufgeschmolzenen Aufbaumaterials die Ausdehnung der Körner senkrecht zu den Ebenen der Schichten größer oder gleich dem 20-fachen, bevorzugt größer oder gleich dem 50-fachen, noch bevorzugter größer oder gleich dem 100-fachen, des Abstands zwischen zwei benachbarten Trajektorien ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Richtungen übereinanderliegender Trajektorien in aufeinanderfolgenden Schichten gegeneinander um einen Winkel verdreht, der im Wesentlichen 90° beträgt, bevorzugt genau 90° beträgt.
Der Winkel zwischen zwei übereinanderliegenden Trajektorien (in Baurichtung oder z- Richtung voneinander beabstandeten Trajektorien) kann mittels einer Projektion der Trajektorien auf eine zu beiden parallele Ebene (die parallel zur Bauebene ist oder mit der Bauebene zusammenfällt) bestimmt werden. Die Rotation der Trajektorien um 90° soll hier dafür sorgen, dass die Kristal Istruktur in z-Richtung beibehalten wird.
Ein erfindungsgemäßes computergestütztes Verfahren zur Generierung von Steuerbefehlsdaten zur Einstellung einer Strahlungsintensität eines Strahls in einem Fertigungsprozess zur additiven Fertigung eines Bauteils, wobei in dem Fertigungsprozess Bauteile dadurch hergestellt werden, dass ein Ausbaumaterial Schicht auf Schicht aufgetragen wird und in jeder aufgetragenen Schicht mittels Zufuhr von Strahlungsenergie durch ein Strahl zu jenen Stellen der Schicht, die dem Querschnitt des Bauteils in dieser Schicht zugeordnet sind, verfestigt wird, indem der Strahl mittels einer, bevorzugt ansteuerbaren, Strahlbewegungsvorrichtung entlang einer Mehrzahl von Trajektorien im Querschnitt des Bauteils bewegt wird, um das Aufbaumaterial an den Stellen, die dem Querschnitts des Bauteils zugeordnet sind, aufzuschmelzen, wobei die Strahlungsintensität des Strahls unter Verwendung einer
Strah Iprofi leinstel leinrichtung innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls auf dem Baufeld eingestellt wird, und wobei die Steuerbefehlsdaten zur Steuerung der Strahlprofileinstelleinrichtung dienen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerbefehlsdaten derart generiert werden, dass eine Verteilung der Strahlungsintensität im Auftreffbereich des Strahls auf dem Aufbaumaterial sich an zumindest einer Stelle um mindestens 1 % pro pm ändert und/oder dass zumindest 90%, bevorzugt 95%, besonders bevorzugt 99%, der gesamten Strahlungsleistung innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls auf dem Aufbaumaterial verteilt ist, dessen Durchmesser höchstens 300 pm, bevorzugter 420 pm, noch bevorzugter 470 pm und/oder zumindest 30 pm, bevorzugter 80 pm, noch bevorzugter 200 pm beträgt.
Bei einem additiven Fertigungsprozess wird die Fertigung in aller Regel auf der Basis von computerbasierten Modelldaten des herzustellenden Bauteils gesteuert. Die Modelldaten enthalten dabei eine geometrische Beschreibung der Querschnitte des herzustellenden Bauteils, die den Schichten bei der schichtweisen Herstellung zugeordnet sind, insbesondere ein dreidimensionales CAD-Modell, wobei es jedoch auch noch andere Möglichkeiten der geometrischen Beschreibung gibt, z.B. eine Beschreibung mittels eines Parametersatzes und einer Konstruktionsvorschrift.
Die Steuerbefehlsdaten zur Einstellung einer Strahlungsintensität sind in der Regel Bestandteil eines Steuerdatensatzes, der die Gesamtheit aller für die Steuerung des Herstellungsvorgangs in einer additiven Herstellvorrichtung vorgegebenen Steuerdaten angesehen werden. Die auf eine einzelne Schicht bezogenen Steuerdaten werden dabei üblicherweise als Schichtdatensatz bezeichnet. In der vorliegenden Anmeldung wird insbesondere angenommen, dass ein Schichtdatensatz ein Datenmodell von während des Herstellungsverfahrens in einer Schicht mittels eines oder mehrerer Strahlen zu verfestigenden Stellen eines Objektquerschnitts oder Objektteilquerschnitts enthält. Darüber hinaus können noch weitere Informationen hinsichtlich der Herstellung des Objektquerschnitts enthalten sein, insbesondere die zeitliche Reihenfolge, in der einem Objektquerschnitt oder Objektteilquerschnitt entsprechende Stellen zu verfestigen sind durch Spezifizierung von Scanlinien bzw. Trajektorien, entlang derer der Strahl bewegt werden soll, eine zeitliche Reihenfolge der Abtastung einer Mehrzahl von Scanlinien bzw. Trajektorien oder z. B. die Schichtdicke oder Bestrahlungsparameterwerte, wie beispielsweise der Durchmesser oder die Verfahrgeschwindigkeit eines auf das Aufbaumaterial auftreffenden Strahls, etc.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Steuerbefehlsdaten zur Einstellung einer Strahlungsintensität Daten zur Steuerung eines Arrays von flüssigen Kristallen. Arrays von flüssigen Kristallen sind in Bereiche, in der Regel in viereckige Spalten oder quadratische Bereiche („Pixel“), aufgeteilt. In jedem Bereich (Spalte oder Pixel) kann der Brechungsindex durch ein elektrisches Signal moduliert werden. Bevor er auf das Array auftrifft, wird der Strahl aufgeweitet und kollim iert. Dadurch trifft der Strahl auf mehrere, bspw. alle, Bereiche des Arrays und verschiedene Strahlteile des Strahl gehen durch verschiedene Bereiche (Spalten oder Pixel) des Arrays. Der Strahl wird danach wieder fokussiert und wie eingangs beschrieben auf das Baufeld zur Verfestigung des Ausbaumaterials gerichtet. Durch die elektrische Modulation des Brechungsindex der Bereiche des Arrays erfahren verschiedene Strahlteile des Strahls verschiedene Brechungsindizes. Auf diese Weise können abhängig von der Steuerung des elektrischen Signals bzw. der Modulation des Brechungsindex über die Bereiche des Arrays hinweg Strahlbeugungs- oder Strahlinterferenzeffekte realisiert werden. Die Einstellung der Strahlungsintensität basiert dann auf bzw. ist abhängig von den genannten Strahlbeugungs- oder Strahlinterferenzeffekten. Das bedeutet in anderen Worten, dass die Steuerbefehlsdaten zur Einstellung einer Strahlungsintensität Daten zur Steuerung eines Arrays von flüssigen Kristallen umfassen und dass die Einstellung der Strahlungsintensität von den Daten zur Steuerung des Arrays von flüssigen Kristallen abhängt. Die Daten zur Steuerung des Arrays von flüssigen Kristallen sind dann ein Spezialfall für Steuerbefehlsdaten zur Einstellung der Strahlungsintensität und folglich Bestandteil eines Steuerdatensatzes, der die Gesamtheit aller für die Steuerung des Herstellungsvorgangs in einer additiven Herstellvorrichtung vorgegebenen Steuerdaten umfasst. Die Daten zur Steuerung des Arrays von flüssigen Kristallen können zusammen mit den übrigen Steuerbefehlsdaten generiert werden bzw. ein Teil der Steuerbefehlsdaten kann in Form von Daten zur Steuerung des Arrays von flüssigen Kristallen generiert werden. Alternativ können die Daten zur Steuerung des Arrays von flüssigen Kristallen in einem separaten Schritt generiert werden und die Steuerbefehlsdaten nachträglich durch die Daten zur Steuerung des Arrays von flüssigen Kristallen ergänzt werden.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen computergestützten Verfahren zur Generierung von Steuerbefehlsdaten zur Einstellung einer Strahlungsintensität eines Strahls in dem Fertigungsprozess zur additiven Fertigung eines Bauteils, wobei die Strahlungsintensität des Strahls unter Verwendung einer Strahlprofi leinstelleinrichtung innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls auf dem Baufeld eingestellt wird und die Steuerbefehlsdaten zur Steuerung der Strahlprofileinstelleinrichtung dienen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsbefehlsdaten Daten zu Steuerung eines Arrays von flüssigen Kristallen aufweisen, wobei die Einstellung der Strahlungsintensität von den Daten zur Steuerung des Arrays von flüssigen Kristallen abhängt.
Weiter bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen computergestützten Verfahrens zur Generierung von Steuerbefehlsdaten zur Einstellung einer Strahlungsintensität eines Strahls in dem Fertigungsprozess zur additiven Fertigung eines Bauteils dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerbefehlsdaten und/oder die Daten zur Steuerung des Arrays von flüssigen Kristallen derart generiert werden, dass eine Verteilung der Strahlungsintensität im Auftreffbereich des Strahls auf dem Aufbaumaterial sich an zumindest einer Stelle um mindestens 1 % pro pm ändert und/oder dass zumindest 90%, bevorzugt 95%, besonders bevorzugt 99%, der gesamten Strahlungsintensität innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls auf dem Aufbaumaterial verteilt ist, dessen Durchmesser höchstens 300 pm, bevorzugter 420 pm, noch bevorzugter 470 pm und/oder zumindest 30 pm, bevorzugter 80 pm, noch bevorzugter 200 pm beträgt.
Eine erfindungsgemäße Strahlprofileinstellvorrichtung zur Erzeugung eines Strahls in einem Fertigungsprozess zur additiven Fertigung eines Bauteils wobei in dem Fertigungsprozess Bauteile dadurch hergestellt werden, dass ein Aufbaumaterial Schicht auf Schicht aufgetragen wird und in jeder aufgetragenen Schicht mittels Zufuhr von Strahlungsenergie zu jenen Stellen der Schicht, die dem Querschnitt des Bauteils in dieser Schicht zugeordnet sind, verfestigt wird, wobei die Strahlprofileinstelleinrichtung ausgelegt ist, die Verteilung einer Strahlungsintensität innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls einzustellen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlprofileinstelleinrichtung den Strahl so erzeugt, dass die Strahlungsintensität im Auftreffbereich des Strahls auf dem Aufbaumaterial sich an zumindest einer Stelle um mindestens 1 % pro pm ändert und/oder dass zumindest 90%, bevorzugt 95%, besonders bevorzugt 99%, der gesamten Strahlungsleistung innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls auf dem Aufbaumaterial verteilt ist, dessen Durchmesser höchstens 300 pm, bevorzugter 420 pm, noch bevorzugter 470 pm und/oder zumindest 30 pm, bevorzugter 80 pm, noch bevorzugter 200 pm beträgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Strahlprofileinstellvorrichtung einen Mehrfachlichtteiler (z.B. ein Strahlteiler oder ein diffraktives Element), durch den die Strahlungsleistung auf Lichtleiter, bspw. Lichtfasern, aufgeteilt werden kann. Diese Lichtleiter können auch Teil der Strahlprofileinstellvorrichtung sein. Alternativ können die Lichtleiter an der Strahlprofileinstellvorrichtung angebracht werden. Dass die Lichtleiter an der Strahlprofileinstellvorrichtung angebracht werden bedeutet nicht, dass sie zwingend in der unmittelbaren Nähe der Strahlprofileinstellvorrichtung sein müssen oder dass sie zwingend mit der Strahlprofileinstellvorrichtung mechanisch verbunden sein müssen. Es ist ausreichend, dass der von der Strahlprofileinstellvorrichtung ausgehende Strahl in die weiteren Lichtleiter eingekoppelt werden kann. In einer alternativen Ausführungsform werden mehrere Strahlen in eine Mehrzahl von Lichtfasern eingekoppelt, d.h. ohne die Anwendung eines Mehrfachlichtteilers. In diesem Fall sind die Lichtleiter (Lichtfasern) als Teil der Strahlprofileinstellvorrichtung anzusehen. Die Einstellung des Strahlprofils kann durch eine Überlagerung von mehreren Strahlen erfolgen, welche entweder einer Mehrzahl unabhängiger Laserquellen entstammen oder aber einer einzigen Laserquelle. Bereits vor der Einkopplung in einen Lichtleiter weist ein Strahl ein bestimmtes Strahlprofil auf. Durch die Propagierung in den Lichtleitern wird das Strahlprofil aber unvermeidbar verändert. Die Veränderung des Strahlprofils während der Propagierung in einem Lichtleiter kann dabei, bspw. durch Simulation, vorhergesagt werden. Die Eigenschaften eines Lichtleiters können dann so gewählt werden, dass die Veränderung des Strahlprofils durch die Propagation im Lichtleiter zur Erzeugung eines gewünschten Strahlprofils beiträgt. Mit anderen Worten wird ein Strahlprofil vor der Einkopplung in einen Lichtleiter so eingestellt und die Eigenschaften eines Lichtleiters so ausgewählt, dass durch die Kombination aus der Einstellung des Strahlprofils und die Veränderung desselben durch die Propagation im Lichtleiter ein gewünschtes Strahlprofil erzeugt wird.
Eine erfindungsgemäße additive Herstellvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mit einer Auftragsvorrichtung zum Aufträgen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht und einer Energieeintragsvorrichtung zur Zufuhr von Strahlungsenergie durch einen Strahl zu jenen Stellen einer Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, welche aufweist: eine Strahlprofileinrichtung zur Einstellung einer Strahlungsintensität des Strahls und eine Strahlbewegungsvorrichtung zur Bewegung des Strahls entlang einer Mehrzahl von Trajektorien, wobei das Aufbaumaterial an den Stellen, die dem Querschnitt des Bauteils in der Schicht zugeordnet sind, entlang der Trajektorien aufgeschmolzen wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlprofileinrichtung die Strahlungsintensität des Strahls so einstellt, dass die Strahlungsintensität im Auftreffbereich des Strahls auf dem Aufbaumaterial sich an zumindest einer Stelle um mindestens 1 % pro pm ändert.
Eine weitere Variante eines Verfahrens zur Einstellung einer Strahlungsintensität eines Strahls und zur Bewegung des Strahls in einem Fertigungsprozess zur additiven Fertigung eines Bauteils, wobei in dem Fertigungsprozess Bauteile dadurch hergestellt werden, dass ein Aufbaumaterial Schicht auf Schicht aufgetragen wird und in jeder aufgetragenen Schicht mittels Zufuhr von Strahlungsenergie durch den Strahl zu jenen Stellen der Schicht, die dem Querschnitts des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, verfestigt wird, indem der Strahl mittels einer, bevorzugt ansteuerbaren, Strahlbewegungsvorrichtung entlang einer Mehrzahl von Trajektorien im Querschnitt des Objekts bewegt wird, um das Aufbaumaterial an den Stellen, die dem Querschnitt des Bauteils zugeordnet sind, aufzuschmelzen, wobei die Strahlungsintensität des Strahls unter Verwendung einer Strahlprofileinstelleinrichtung eingestellt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsintensität des Strahls derart eingestellt wird, dass ihre Verteilung im Auftreffbereich des Strahls auf dem Aufbaumaterial sich an zumindest einer Stelle um mindestens 1 % pro pm ändert und dass zumindest 90%, bevorzugt 95%, besonders bevorzugt 99%, der gesamten Strahlungsintensität innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls auf dem Aufbaumaterial verteilt ist, dessen Durchmesser höchstens 300 pm, bevorzugter 420 pm, noch bevorzugter 470 pm und/oder zumindest 30 pm, bevorzugter 80 pm, noch bevorzugter 200 pm beträgt und weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlbewegungsvorrichtung so angesteuert wird, dass der Abstand zwischen benachbarten Trajektorien, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, geringer als 50% der Strahlbreite des Strahls ist, bevorzugt geringer oder gleich als 35% der Strahlbreite, besonders bevorzugt größer oder gleich 15% der Strahlbreite, und die Energieeintragsvorrichtung so angesteuert wird, dass der Strahl mit einer Geschwindigkeit entlang einer Trajektorie bewegt wird, die größer oder gleich 1 m/s ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Einträgen von Strahlungsenergie durch einen Strahl in einem Fertigungsprozess zur additiven Fertigung eines Bauteils, wobei in dem Fertigungsprozess Bauteile dadurch hergestellt werden, dass ein Aufbaumaterial Schicht auf Schicht aufgetragen wird und in jeder aufgetragenen Schicht mittels Zufuhr von Strahlungsenergie zu jenen Stellen der Schicht, die dem Querschnitt des Bauteils in dieser Schicht zugeordnet sind, verfestigt wird, umfasst: ein Einstellen einer Strahlungsintensität des Strahls unter Verwendung einer Strahlprofileinstelleinrichtung innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls auf dem Aufbaumaterial und ein Bewegen des Strahls mittels einer, bevorzugt ansteuerbaren, Strahlbewegungsvorrichtung entlang einer Mehrzahl von Trajektorien im Querschnitt des Bauteils, wobei das Aufbaumaterial an Stellen, die dem Querschnitt des Bauteils zugeordnet sind, aufgeschmolzen wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsintensität so eingestellt wird, dass ihre Verteilung im Auftreffbereich des Strahls auf dem Aufbaumaterial sich an zumindest einer Stelle um mindestens 1 % pro pm ändert und dass zumindest 90%, bevorzugt 95%, besonders bevorzugt 99%, der gesamten Strahlungsintensität innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls auf dem Aufbaumaterial verteilt ist, dessen Durchmesser höchstens 470 pm, bevorzugter 420 pm, noch bevorzugter 300 pm und/oder zumindest 30 pm, bevorzugter 80 pm, noch bevorzugter 200 pm beträgt. Weiterhin ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl so bewegt wird, dass der Abstand zwischen benachbarten Trajektorien, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, geringer als 50% der Strahlbreite des Strahls ist, bevorzugt geringer oder gleich als 35% der Strahlbreite, besonders bevorzugt größer oder gleich 15% der Strahlbreite, und die Energieeintragsvorrichtung so angesteuert wird, dass der Strahl mit einer Geschwindigkeit entlang einer Trajektorie bewegt wird, die größer oder gleich 1 m/s ist.
Eine erfindungsgemäße Energieeintragsvorrichtung zum Einträgen von Strahlungsenergie durch einen Strahl in einem Fertigungsprozess zur additiven Fertigung eines Bauteils, wobei in dem Fertigungsprozess Bauteile dadurch hergestellt werden, dass ein Aufbaumaterial Schicht auf Schicht aufgetragen wird und in jeder aufgetragenen Schicht mittels Zufuhr von Strahlungsenergie zu jenen Stellen der Schicht, die dem Querschnitt des Bauteils in dieser Schicht zugeordnet sind, verfestigt wird, umfasst: eine Strahlprofileinstelleinrichtung, die ausgelegt ist, eine Strahlungsintensität des Strahls einzustellen und eine, bevorzugt ansteuerbare, Strahlbewegungsvorrichtung zum Bewegen des Strahls entlang einer Mehrzahl von Trajektorien im Querschnitt des Bauteils, wobei das Aufbaumaterial an den Stellen, die dem Querschnitt des Bauteils zugeordnet sind, aufgeschmolzen wird.
Die Energieeintragsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlprofileinstellvorrichtung die Strahlungsintensität des Strahls so einstellt, dass ihre Verteilung im Auftreffbereich des Strahls auf dem Aufbaumaterial sich an zumindest einer Stelle um mindestens 1 % pro pm ändert und dass zumindest 90%, bevorzugt 95%, besonders bevorzugt 99%, der gesamten Strahlungsintensität innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls auf dem Aufbaumaterial verteilt ist, dessen Durchmesser höchstens 470 pm, bevorzugter 420 pm, noch bevorzugter 300 pm und/oder zumindest 30 pm, bevorzugter 80 pm, noch bevorzugter 200 pm beträgt.
Sie ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlbewegungsvorrichtung so angesteuert wird, dass der Abstand zwischen benachbarten Trajektorien, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, geringer als 50% der Strahlbreite des Strahls ist, bevorzugt geringer oder gleich als 50% der Strahlbreite, besonders bevorzugt größer oder gleich 15% der Strahlbreite, und die Energieeintragsvorrichtung so angesteuert wird, dass der Strahl mit einer Geschwindigkeit entlang einer Trajektorie bewegt wird, die größer oder gleich 1 m/s ist.
Fig. 1 zeigt eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß der Erfindung.
Fig. 2 zeigt schematisch den Verlauf der Strahlungsintensität entlang eines Schnitts durch das Zentrum der Auftrefffläche eines Strahls mit radialsymmetrischer Strahlungsintensität und Donut-Form des Intensitätsprofils.
Fig. 3 zeigt schematisch den Verlauf der Strahlungsintensität entlang eines Schnitts durch das Zentrum der Auftrefffläche eines Strahls mit radialsymmetrischer Strahlungsintensität und Gauß-Form des Intensitätsprofils.
Fig. 4 zeigt schematisch den Verlauf der Strahlungsintensität entlang eines Schnitts durch das Zentrum der Auftrefffläche eines Strahls mit radialsymmetrischer Strahlungsintensität und Tophat-Form des Intensitätsprofils.
Fig. 5 zeigt schematisch zwei Trajektorien, entlang derer der Strahl beim Abtasten des Aufbaumaterials bewegt wird.
Fig. 6 zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer Donut-förmigen Intensitätsverteilung. Fig. 7 zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer "Tophat' -Intensitätsverteilung.
Fig. 8 zeigt ein übliches Vorgehen beim Abtasten ("Hatchen") des Aufbaumaterial mit elektromagnetischer Strahlung
Fig. 9 zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer rampenförmigen Intensitätsverteilung (Ramp-Verteilung).
Für eine Beschreibung der Erfindung soll zunächst nachfolgend am Beispiel einer Laserschmelzvorrichtung eine erfindungsgemäße additive Herstellvorrichtung unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben werden.
Zum Aufbauen eines Objekts 2 enthält die Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 eine Prozesskammer oder Baukammer 3 mit einer Kammerwandung 4. In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Baubehälter 5 mit einer Behälterwandung 6 angeordnet. Durch die obere Öffnung des Baubehälters 5 ist eine Arbeitsebene 7 definiert, wobei der innerhalb der Öffnung liegende Bereich der Arbeitsebene 7, der zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden kann, als Baufeld 8 bezeichnet wird.
In dem Baubehälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 10 angeordnet, an dem eine Grundplatte 11 angebracht ist, die den Behälter 5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte 11 kann eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein, die an dem Träger 10 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 10 ausgebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grundplatte 11 noch eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Das Objekt 2 kann aber auch auf der Grundplatte 11 selber aufgebaut werden, die dann als Bauunterlage dient. In Fig. 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bauplattform 12 zu bildende Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13. Die Laserschmelzvorrichtung 1 enthält weiterhin einen Vorratsbehälter 14 für ein Aufbaumaterial 15, in diesem Beispiel ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares Pulver, und einen in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter 16 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 15 innerhalb des Baufelds 8. Optional kann in der Prozesskammer 3 eine Heizvorrichtung, z.B. eine Strahlungsheizung 17 angeordnet sein, die zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials dient. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler vorgesehen sein.
Die beispielhafte additive Herstellvorrichtung 1 enthält ferner eine Energieeintragseinrichtung 20 mit einem Laser 21 , der einen Laserstrahl 22 erzeugt, welcher über eine Strahlprofileinstelleinrichtung 26 und einen XY- Galvanometerscanner 23 als Strahlbewegungsvorrichtung und ggf. eine Fokussiervorrichtung 24 über ein Einkoppelfenster 25, das an der Oberseite der Prozesskammer 3 in der Kammerwandung 4 angebracht ist, auf die Arbeitsebene 7 fokussiert wird.
Beim Laserschmelzen kann eine Energieeintragseinrichtung beispielsweise einen oder mehrere Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z.B. Laserdioden, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser), oder eine Zeile dieser Laser aufweisen. Der in Fig. 1 gezeigte spezifische Aufbau einer Lasersinter- oder - Schmelzvorrichtung ist daher für die vorliegende Erfindung nur beispielhaft und kann natürlich auch abgewandelt werden, insbesondere bei Verwendung einer anderen Energieeintragseinrichtung als der gezeigten.
Die Laserschmelzvorrichtung 1 enthält weiterhin eine Steuereinrichtung 29, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung 1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Alternativ kann die Steuereinrichtung auch teilweise oder ganz außerhalb der additiven Herstellvorrichtung angebracht sein. Die Steuereinrichtung kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann getrennt von der additiven Herstellvorrichtung in einer Speichervorrichtung gespeichert sein, von wo aus es (z.B. über ein Netzwerk) in die additive
Herstellvorrichtung, insbesondere in die Steuereinrichtung, geladen werden kann.
Im Betrieb wird durch die Steuereinrichtung 29 der Träger 10 Schicht für Schicht abgesenkt, der Beschichter 16 zum Auftrag einer neuen Pulverschicht angesteuert und die Energieeintragsvorrichtung 20 angesteuert zum Verfestigen der jeweiligen Schicht an den dem jeweiligen Objekt entsprechenden Stellen mittels des Lasers durch Abtasten dieser Stellen mit dem Laserstrahl.
Alle im weiteren Verlauf gemachten Ausführungen gelten nicht nur für Laserschmelzvorrichtungen, sondern auch für anders geartete additive Herstellvorrichtungen, bei denen Wärmeenergie mittels Strahlung in das Aufbaumaterial eingetragen wird.
In der soeben beispielhaft beschriebenen additiven Herstellvorrichtung geht ein Herstellvorgang so vonstatten, dass die Steuereinrichtung 29 einen Steuerdatensatz abarbeitet.
Durch den Steuerdatensatz wird der Energieeintragseinrichtung für jeden Zeitpunkt während des Abtastvorgangs des Aufbaumaterials mit dem Laserstrahl vorgegeben, auf welche Stelle der Arbeitsebene 7 Strahlung zu richten ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Vorgehen zur Herstellung von Objekten, bei denen stark anisotrope mechanische Eigenschaften erwünscht sind, z.B. Turbinenschaufeln, wird bevorzugt metallisches Aufbaumaterial verwendet, insbesondere eines das hauptsächlich, bevorzugt zu mehr als 90%, aus einer Nickelbasislegierung besteht, z.B Inconel oder MAR M 247 bzw. CM 247 LC, und das durch Einträgen der Strahlungsenergie aufgeschmolzen wird.
Fig. 8 zeigt ein übliches Vorgehen beim Abtasten des Aufbaumaterial mit elektromagnetischer Strahlung. In Fig. 8 ist ein Objektquerschnitt 50 in einen Innenbereich bzw. Kernbereich 52 und einen Konturbereich 51 unterteilt, wobei in der Regel dem Konturbereich 51 andere Parameter für den Energieeintrag in das Aufbaumaterial zugewiesen werden als dem Innenbereich 52. Der Innenbereich 52 wird üblicherweise dergestalt verfestigt, dass der Innenbereich 52 in Teilbereiche 53 unterteilt wird, die üblicherweise eine annähernd rechteckige oder quadratische Gestalt haben und daher auch als "Streifen" bzw. "Quadrate" bezeichnet werden. Der Innenbereich 52 wird dann Teilbereich für Teilbereich mit dem Laserstrahl abgetastet.
Wie in Fig. 8 gezeigt, wird in jedem Teilbereich 53 der Laserstrahl entlang paralleler Bahnen (Hatchlinien) 54 über das Aufbaumaterial bewegt, woraus ein schraffurartiges Bewegungsmuster beim Abtasten jedes Teilbereichs 53 mit dem Laserstrahl resultiert. Dieser Vorgang wird im Fachjargon auch als "Hatchen" bezeichnet. In Fig. 8 ist dabei die Bewegungsrichtung des Laserstrahls durch Pfeile veranschaulicht. Man erkennt, dass die Bewegungsrichtungen für benachbarte Hatchlinien 54 einander entgegengesetzt sind.
Fig. 5 veranschaulicht im Detail die Situation für zwei benachbarte Hatchlinien 54 (auch als Trajektorien bezeichnet). Die Trajektorien veranschaulichen die Abfolge der Punkte der Aufbaumaterialschicht, die nacheinander abgetastet werden, mit anderen Worten die Positionen, die der Energieeintragseinrichtung im Steuerdatensatz zeitlich nacheinander für einen Energieeintrag vorgegeben werden. In der Praxis hat der Auftreffbereich des Laserstrahls auf der Oberfläche des Aufbaumaterials eine von Null verschiedene Ausdehnung, was in Fig. 5 durch einen kreisförmigen Bereich 100 veranschaulicht ist. Hierbei wird der Rand des Auftreffbereichs so definiert, dass auf die innerhalb des Randes liegende Fläche 99 % der Strahlungsleistung des Laserstrahls auftreffen.
Entsprechend der von Null verschiedenen Ausdehnung kann man dem abtastenden Laserstrahl eine Strahlbreite b entsprechend der Ausdehnung des Auftreffbereichs senkrecht zur Trajektorie zuweisen und als Folge sind die Trajektorien um einen Betrag d voneinander beabstandet, was auch in den Steuerdaten berücksichtigt wird. Im Unterschied zum Stand der Technik wird dabei ein Abstand d zwischen den Trajektorien gewählt, der geringer als 50% der Strahlbreite b des Strahls, ist, hier 40%. Die im Auftreffbereich auf das Aufbaumaterial auftreffende Strahlungsleistung ist nicht homogen innerhalb des Auftreffbereichs verteilt. Vielmehr soll die Strahlungsintensität schwanken, wie anhand der Figuren 2 bis 4 nachfolgend erläutert wird.
In Fig. 3 hat die Strahlungsintensität eine gaußförmige Verteilung mit einem Maximum der Strahlungsintensität im Zentrum, in Fig. 2 eine sogenannte Donut-Verteilung, also ein lokales Minimum im Zentrum, das von einem Bereich mit höherer Strahlungsintensität umschlossen ist, und in Fig. 4 eine sogenannte "Top hat"- Verteilung, also eine annähernd konstante Strahlungsintensität, die aber zum Rand hin abfällt. Natürlich sind auch Mischformen möglich. Die genaue Form der Verteilung wird dabei über die Strahlprofileinstelleinrichtung 26 festgelegt. Vorzugsweise kann die Strahlformungseinrichtung (Strahlprofileinstelleinrichtung) zumindest ein durch die Steuervorrichtung ansteuerbares mikrooptisches Element aufweisen. Beispielsweise kann es sich bei der Strahlprofileinstelleinrichtung um ein diffraktives optisches Element (DOE nach engl. „Diffractive Optical Element“) handeln. Ein diffraktives optisches Element, z.B. ein Gitter, verändert die Wellenfront eines einfallenden Strahls durch lokale Modulation von Phase und/oder Amplitude der reflektierten oder transmittierten Teilstrahlen und kann dabei reflektiv oder transmissiv arbeiten. Weiter bevorzugt kann zur Einstellung einer Intensitätsverteilung (z.B. Gauß, Donut oder Tophat) eine in WO 2020 / 099 172 A1 offenbarte Strahl-Kombinationsvorrichtung verwendet werden.
Weiterhin kann man die Intensitätsverteilung auch durch eine Überlagerung von mehreren Laserstrahlen erzeugen, welche entweder einer Mehrzahl unabhängiger Laserquellen entstammen oder aber einer einzigen Laserquelle, wobei z.B. mittels eines Strahlteilers eine Aufteilung in Teilstrahlen erfolgt. Denkbar ist hier auch ein von der Fa. nLIGHT, Vancouver, WA 98665 USA, vorgestelltes Vorgehen, bei dem ein Mehrfachlichtleiter verwendet wird, wobei die Aufteilung der Strahlungsleistung auf die einzelnen Fasern variiert werden kann.
Alternativ kann die Intensitätsverteilung durch flüssige Kristalle (z.B. in Spalten oder Pixeln angeordnet) eingestellt werden. Bevorzugt wird in den Steuerdaten eine Verteilung der Strahlungsintensität innerhalb des Auftreffbereichs festgelegt, beispielsweise indem in den Steuerdaten eine entsprechende Ansteuerung der Strahlprofileinstelleinrichtung, beispielsweise auch abhängig von der abzutastenden Position der Aufbaumatenalschicht, festgelegt wird.
Um die gewünschten anisotropen mechanischen Eigenschaften bei den Bauteilen zu erreichen, sollte die Verteilung der Strahlungsintensität am Rande des Auftreffbereichs so eingestellt werden, dass sie dort ein Gefälle aufweist, welches mindestens 1 % pro pm, bevorzugt mindestens 2% pro pm, noch bevorzugter mindestens 3% pro pm, am Bevorzugtesten mindestens 4% pro pm, beträgt. Die Definition des Gefälles am Rand ist in den Figuren 2 bis 4 schematisch veranschaulicht.
Zur Vermeidung von Heißrissen sollte mit einem Strahldurchmesser (Ausdehnung des Auftreffbereichs) gearbeitet werden, der höchstens 470 pm, bevorzugter 420 pm, noch bevorzugter 300 pm und/oder zumindest 30 pm, bevorzugter 80 pm, noch bevorzugter 200 pm beträgt. Der Abstand d zwischen den Trajektorien ist dann entsprechend der weiter oben genannten Vorgaben an den Strahldurchmesser b anzupassen.
Der in Fig. 6 gezeigten Donut-förmigen Intensitätsverteilung (in kW/cm2) lässt sich ein Durchmesser b des Auftreffbereichs auf dem Aufbaumaterial von 250 pm zuordnen, wobei die Intensität an mindestens einer Stelle der Auftreffbereichs, insbesondere zum Rand des Auftreffbereichs hin, mit 3 bis 4 % pro pm abfällt. Mit solch einer Intensitätsverteilung wurden Würfel mit einer Kantenlänge von 10 mm mittels eines SLM-Prozesses aus CM247LC-Pulver gefertigt. Dabei schwankte die Gesamtleistung im Strahl zwischen 350 W und 500W, wobei die Abtastgeschwindigkeit entlang der Trajektorien zwischen 1000 und 2000 mm/s lag (bei einer Schichtdicke zwischen 0,085 und 0,09 mm) und der Abstand d zwischen zwei benachbarten Hatchlinien zwischen 75 pm und 95 pm (der Abstand zwischen zwei benachbarten Trajektorien liegt entsprechend zwischen 30% und 38% das Auftreffbereichs). Weiterhin erfolgte von Schicht zu Schicht jeweils eine Verdrehung der Trajektorien in der Bauebene um 90°. Mit den genannten Parametern wurde eine Baurate von bis zu 3,8 mm3/s erzielt. Die Erfinder haben beobachtet, dass die Rissdichte durch Parameterkombinationen innerhalb der oben genannten Bereiche beeinflusst, insbesondere reduziert, werden kann.
Zur Bestimmung der Rissdichte kann z.B. mittels einer Bildanalyse-Software (z.B. ImageJ) ein Schliffbild des hergestellten Bauteils analysiert wird, wobei die Gesamtlänge der einzelnen Risse durch Aufaddieren über alle Verästelungen ermittelt wird und schließlich die Gesamtlänge (Summe) über alle Risse in Relation zur Gesamtfläche des Schliffs gesetzt wird.
In einer ersten Untersuchung mit einer Donut-förmigen Intensitätsverteilung wurden Prozessparameter wie in Tabelle 1 getestet. Mit den Prozessparametern, die in Tabelle 1 gezeigt sind, wurde eine Rissdichte von 0,33 mm/mm2 erreicht. Weiter wurde der Zusammenhang zwischen der Scangeschwindigkeit und der Rissdichte untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass durch eine Reduktion der Scangeschwindigkeit von 1500 mm/s auf 1000 mm/s die Rissdichte von 0,33 mm/mm2 auf 0, 11 mm/mm2 reduziert werden kann.
Tabelle 1 :
Darüber hinaus wurden für einen Parametersatz wie in Tabelle 2 der Hatch-Abstand, die Scangeschwindigkeit und die Laserleistung geändert und dabei die entsprechende Änderung der Rissdichte ausgewertet. Dabei wurde folgendes beobachtet: - Eine Reduktion des Hatch-Abstands von 90 pm auf 84,6 pm (prozentuale Reduktion des Hatch-Abstands: 6%) führt zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,1 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte 18%). Anderseits führt eine Erhöhung des Hatch-Abstands auf 94,6 pm (prozentuale Erhöhung des Hatch- Abstands: 6%) ebenfalls zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,19 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte 72%).
- Eine Reduktion der Scangeschwindigkeit auf 1000 mm/s (prozentuale Reduktion der Scangeschwindigkeit 11 %) führt zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,19 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte: 129%). Eine Erhöhung der Scangeschwindigkeit auf 1249 mm/s (prozentuale Erhöhung der Scangeschwindigkeit: 11 %) führt ebenfalls zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,1 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte: 18%).
- Eine Reduktion der Laserleistung auf 410 W (prozentuale Reduktion: 7%) führt zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,083 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte: 3%). Eine Erhöhung der Laserleistung auf 356 W (prozentuale Erhöhung der Laserleistung: 7%) führt ebenfalls zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,16 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte: 18%).
Tabelle 2:
Der in Fig. 7 gezeigten Tophat-förmigen Intensitätsverteilung (in kW/cm2) lässt sich ebenfalls ein Durchmesser b des Auftreffbereichs auf dem Aufbaumaterial von 250 pm zuordnen, wobei die Intensität an mindestens einer Stelle der Auftreffbereichs, insbesondere zum Rand des Auftreffbereichs hin, mit 1 ,5 bis 2 % pro pm abfällt. Mit solch einer Intensitätsverteilung wurden wiederum Würfel mit einer Kantenlänge von 10 mm mittels eines SLM-Prozesses aus CM247LC-Pulver gefertigt. Dabei schwankte die Gesamtleistung im Strahl zwischen 350 W und 433 W, wobei die
Abtastgeschwindigkeit entlang der Trajektorien zwischen 1875 und 2167 mm/s lag (bei einer Schichtdicke zwischen 0,075 und 0,09 mm) und der Abstand d zwischen zwei benachbarten Hatchlinien zwischen 65 und 90 pm lag. Weiterhin erfolgte von Schicht zu Schicht jeweils eine Verdrehung der Trajektorien in der Bauebene um 90°.
Mit den genannten Parametern wurde eine Baurate von bis zu 4,2 mm3/s erzielt. Die Rissdichte (durch Image-J-Algorithmen bestimmt) betrug weniger als 0,15 mm/mm2. Insbesondere wurde bei weiteren Untersuchungen die Änderung der Rissdichte in Abhängigkeit von der Änderung der des Hatch-Abstands, der Scangeschwindigkeit und der Laserleistung. Die Parameter, die diesen Untersuchengen zugrunde liegen, sind in Tabelle 3 gezeigt. Die Erfinder haben die folgenden Änderungen beobachtet:
- Eine Reduktion des Hatch-Abstands auf 65,25 pm (prozentuale Reduktion des Hatch-Abstands: 13%) führt zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,18 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte 63%). Anderseits führt eine Erhöhung des Hatch-Abstands auf 84,75 pm (prozentuale Erhöhung des Hatch-Abstands: 13%) ebenfalls zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,21 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte 85%).
- Eine Reduktion der Scangeschwindigkeit auf 1743,75 mm/s (prozentuale Reduktion der Scangeschwindigkeit: 7%) führt zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,16 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte: 44%). Eine Erhöhung der Scangeschwindigkeit auf 2006,25 mm/s (prozentuale Erhöhung der Scangeschwindigkeit, 7%) führt ebenfalls zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,15 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte 38%).
- Eine Reduktion der Laserleistung auf 360,84 W (prozentuale Reduktion: 7%) führt zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,17 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte: 48%). Eine Erhöhung der Laserleistung auf 415,16 W (prozentuale Erhöhung der Laserleistung: 7%) führt ebenfalls zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,13 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte: 14%).
Tabelle 3:
Der in Fig. 9 gezeigten Ramp-Verteilung (rampenförmigen Verteilung) der Intensität (in kW/cm2) lässt sich ein Durchmesser b des Auftreffbereichs auf dem Aufbaumaterial von 300 pm in der Haupterstreckungsrichtung und von 80pm in der Richtung senkrecht zur Hauptrichtung zuordnen, wobei die Intensität an mindestens einer Stelle der Auftreffbereichs, insbesondere zu einem Rand des Auftreffbereichs hin, mit 2,5 bis 3,5 % pro pm abfällt. Wie in der Figur dargestellt, kann es bei der praktischen Realisierung der Ramp-Verteilung neben dem Hauptmaximum auch Nebenmaxima geben. Mit solch einer Intensitätsverteilung wurden wiederum Würfel mit einer Kantenlänge von 10 mm mittels eines SLM-Prozesses aus CM247LC-Pulver gefertigt. Dabei variierte die Gesamtleistung im Strahl zwischen 195 W und 350 W, wobei die Abtastgeschwindigkeit entlang der Trajektorien zwischen 2500 mm/s und 3500 mm/s lag (bei einer Schichtdicke zwischen 0,075 und 0,09 mm) und der Abstand d zwischen zwei benachbarten Hatchlinien zwischen 40 und 70 pm lag. Weiterhin erfolgte von Schicht zu Schicht jeweils eine Verdrehung der Trajektorien in der Bauebene um 90°. Eine derartige rampenförmige Intensitätsverteilung weist eine Änderung der Strahlungsintensität bis 1 ,95%/pm auf.
Mit den genannten Parametern wurde eine Baurate von bis zu 4,2 mm3/s erzielt. Die Rissdichte (durch Image-J-Algorithmen bestimmt) betrug weniger als 0,09 mm/mm2. Insbesondere wurde die Änderung der Rissdichte in Abhängigkeit von der Änderung der des Hatch-Abstands, der Scangeschwindigkeit und der Laserleistung untersucht. Die Parameter, die diesen Untersuchengen zugrunde liegen, sind in Tabelle 4 gezeigt. Die Erfinder haben die folgenden Änderungen beobachtet:
- Eine Reduktion des Hatch-Abstands auf 40,15 pm (prozentuale Reduktion des Hatch-Abstands: 27%) führt zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,25 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte 165%). Anderseits führt eine Erhöhung des Hatch-Abstands auf 60 pm (prozentuale Erhöhung des Hatch- Abstands: 9%) ebenfalls zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,13 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte 38%).
- Eine Reduktion der Scangeschwindigkeit auf 2751 mm/s (prozentuale Reduktion der Scangeschwindigkeit: 4%) führt zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,16 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte: 71 %). Eine Erhöhung der Scangeschwindigkeit auf 2980 mm/s (prozentuale Erhöhung der Scangeschwindigkeit: 4%) führt ebenfalls zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,15 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte 71 %).
Eine Reduktion der Laserleistung auf 285 W (prozentuale Reduktion: 5%) führt zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,30 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte: 226%). Eine Erhöhung der Laserleistung auf 315 W (prozentuale Erhöhung der Laserleistung: 5%) führt ebenfalls zu einer Erhöhung der Rissdichte auf 0,11 mm/mm2 (prozentuale Erhöhung der Rissdichte: 27)
Tabelle 4:
Die Rissdichte steht im Zusammenhang mit der Kristallstruktur des Bauteils. Insbesondere kann angenommen werden, dass je kleiner die Rissdichte ist, desto größer und desto stärker orientiert die Körner (Kristalle) sind. Damit die Korrelation zwischen Prozessparametern und Mikrostruktur bzw. Kristal Istruktur des Bauteils (auch Textur genannt) näher festgestellt werden konnte, wurde im Rahmen der Erfindung spezifisch untersucht, welchen Einfluss die Prozessparameter (Strahlungsintensität, Änderung der Strahlungsintensität innerhalb des Auftreffbereichs, Durchmesser des Auftreffbereichs bzw. Breite der Scanlinie, Scangeschwindigkeit, Hatch-Abstand) auf die Eigenschaften der Textur des aus dem Herstellungsprozess resultierenden Bauteil haben. Eigenschaften der Textur sind ein Anteil der Großwinkelkorngrenzen (Winkel der Orientierung zwischen benachbarten Kristallbereichen), Ausrichtung der Körner gegenüber einer senkrechten Ebene der Schicht, maximale Abmessung der Körner (z.B. relativ zum Hatch-Abstand zwischen benachbarten Trajektorien), Ausdehnung der Körner (z.B. relativ zum Hatch-Abstand zwischen benachbarten Trajektorien) in der Richtung senkrecht zur Schicht bzw. Baurichtung des Bauteils.
Die Erfinder haben beobachtet, dass die maximale Abmessung der Körner und die Ausdehnung der Körner in der Richtung senkrecht zur Ebene der Schicht zusammen mit der Änderung der Strahlungsintensität im Auftreffbereich steigen (d.h., je größer die Änderung der Strahlungsintensität im Auftreffbereich (insbesondere je steiler die Strahlungsintensität zum Rand des Auftreffbereichs hin abfällt), desto größer ist die maximale Abmessung der Körner und desto größer ist die Ausdehnung der Körner in einer Ebene senkrecht zur Schicht. Eine stärkere Ausdehnung der Körner in einer Ebene senkrecht zur Schicht bedeutet auch, dass der Anteil der Großwinkelkorngrenzen kleiner ist: je stärker die Körner senkrecht zur Schicht ausgerichtet sind, desto kleiner ist der Winkel zwischen benachbarten Körner und desto kleiner ist der Anteil an Kornwinkelgrenzen, die von diesem kleinen Winkel abweichen. Dass die Körner senkrecht zur Schicht stark ausgedehnt sind, bedeutet auch, dass sie im Wesentlichen senkrecht zur Schicht ausgerichtet sind. Insbesondere weist die Richtung, in der die Körner die maximale Abmessung aufweisen gegenüber einer Senkrechten zur Schicht einen Winkel auf, der maximal 15° beträgt.
Die genannten Eigenschaften der Körner bzw. ihrer Textur (Anteil der Großwinkelkorngrenzen, Ausrichtung der Körner gegenüber einer senkrechten Ebene der Schicht, maximale Abmessung der Körner, Ausdehnung der Körner in der Richtung senkrecht zur Schicht bzw. Baurichtung des Bauteils) hängen aber auch vom Hatch-Abstand und vom Durchmesser des Auftreffbereichs bzw. der Strahlbreite ab. Bevorzugt sollten die Strahlungsintensität und die Scangeschwindigkeit in Kombination mit den anderen Parametern in bestimmten Intervallen liegen, um in Kombination mit der erfindungsgemäßen Änderung der Strahlungsintensität die gewünschten Eigenschaften der Körner zu erzielen.
Tabelle 5:
Dass der Anteil der Großwinkelkorngrenzen geringer als 33% ist, bedeutet, dass der Ausrichtungswinkel der Körner gegenüber der Senkrechten zur Schicht im Wesentlichen maximal 15° beträgt. Wie oben erläutert, verringert sich bei einem größeren Winkel der Körner gegenüber der Senkrechten zur Schicht der Winkel zwischen den verschiedenen Körnern, sodass der Anteil an Großwinkelkorngrenzen im Material reduziert wird.
Die maximale Abmessung der Körner ist typischerweise größer als die Ausdehnung der Körner senkrecht zur Schicht, weil die maximale Erstreckung eines Korns in einer anderen Richtung als der Richtung senkrecht zur Schicht liegt. Allerdings unterscheiden sich die Ausdehnungen der Körner senkrecht zur Schicht umso weniger von der maximalen Abmessung der Körner, je größer die Ausdehnungen der Körner in der Richtung senkrecht zur Schicht sind. Aus diesem Grund liegen die maximale Abmessung (der maximale Durchmesser) der Körner (Kristallite im hergestellten Objekt) und die Ausdehnung der Körner senkrecht zur Schicht (bezogen auf die Orientierung des Bauteils während des Herstellvorgangs) im gleichen Bereich (siehe die Tabelle 5), auch wenn die maximale Abmessung der Körner generell geringfügig größer ist als ihre Ausdehnung senkrecht zur Schicht.
In Kombination mir der Änderung der Strahlungsintensität, die in Tabelle 5 gezeigt wird, sollten die anderen Parameter bevorzugt in den folgenden Intervallen liegen:
Strahlungsintensität: zwischen 40 und 450 W.
Hatch-Abstand: zwischen 50-125 pm
Durchmesser des Auftreffbereichs: zwischen 30 und 400 pm Scangeschwindigkeit: zwischen 1000 mm/s und 3500 mm/s
Für die Mindeständerung der Strahlungsintensität zum Rand des Auftreffbereichs hin kann ein kleinerer Wert gewählt werden, z.B. ein Wert zwischen 1 ,5%/pm und 2%/pm, wenn über 75% der Strahlungsleistung auf die Hälfte der Fläche des Auftreffbereichs verteilt, sind, wie z.B. bei einem TopHat-Profil.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Einstellung einer Strahlungsintensität eines Strahls in einem Fertigungsprozess zur additiven Fertigung eines Bauteils wobei in dem Fertigungsprozess Bauteile dadurch hergestellt werden, dass ein Aufbaumaterial Schicht auf Schicht aufgetragen wird und in jeder aufgetragenen Schicht mittels Zufuhr von Strahlungsenergie durch ein Strahl zu jenen Stellen der Schicht, die dem Querschnitt des Bauteils in dieser Schicht zugeordnet sind, verfestigt wird, indem der Strahl (22) mittels einer, bevorzugt ansteuerbaren, Strahlbewegungsvorrichtung entlang einer Mehrzahl von Trajektorien im Querschnitt des Bauteils bewegt wird, um das Aufbaumaterial an den Stellen, die dem Querschnitt des Bauteils zugeordnet sind, aufzuschmelzen, und wobei die Strahlungsintensität des Strahls unter Verwendung einer Strahlprofileinstelleinrichtung innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls auf dem Aufbaumaterial eingestellt wird dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsintensität des Strahls so eingestellt wird, dass ihre Verteilung im Auftreffbereich des Strahls auf dem Aufbaumaterial sich an zumindest einer Stelle um mindestens 1 % pro pm ändert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Strahlungsintensität so eingestellt wird, dass ihre Verteilung im Auftreffbereich des Strahls auf dem Aufbaumaterial an zumindest einer Stelle zum Rand des Auftreffbereichs hin um mindestens 1 % pro pm, bevorzugt mindestens 2% pro pm, noch bevorzugter mindestens 3% pro pm, am Bevorzugtesten mindestens 4% pro pm, abnimmt, und/oder bei dem die Strahlungsintensität so eingestellt wird, dass ihre Verteilung an der zumindest einen Stelle zum Rand des Auftreffbereichs hin um höchstens 5% pro pm, bevorzugter höchstens 7% pro pm, noch bevorzugter höchstens 9% pro pm, abnimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Strahlungsintensität so eingestellt wird, dass ihre Verteilung im Auftreffbereich auf dem Aufbaumateriales so variiert, dass im Falle einer Rotation des Strahls sich an zumindest einer Stelle der Schicht die Abnahme der Strahlungsintensität zum Rand des Auftreffbereichs hin ändert und/oder die Lage des Auftreffbereichs bezüglich der Stelle der Schicht sich ändert.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsintensität so eingestellt wird, dass zumindest 90%, bevorzugt zumindest 95%, besonders bevorzugt zumindest 99%, der gesamten Strahlungsleistung innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls auf dem Aufbaumaterial verteilt ist, dessen Durchmesser höchstens 470 pm, bevorzugter 420 pm, noch bevorzugter 300 pm, und/oder zumindest 30 pm, bevorzugter 80 pm, noch bevorzugter 200 pm, beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Strahlungsintensität so eingestellt wird, dass ausgehend von einer innerhalb des Auftreffbereichs liegenden Stelle auf der Trajektorie die Verteilung der Strahlungsintensität im Auftreffbereich des Strahls auf dem Aufbaumaterial in einer auf der Trajektorie senkrecht stehenden Richtung eine andere Ausdehnung aufweist als in der zu dieser senkrecht stehenden Richtung entgegengesetzten Richtung.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Strahlbewegungsvorrichtung ansteuerbar ist und so angesteuert wird, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Trajektorien, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, geringer oder gleich 50% der Strahlbreite des Strahls ist, bevorzugt geringer oder gleich 35% der Strahlbreite und größer oder gleich 15% der Strahlbreite, ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Strahlbewegungsvorrichtung ansteuerbar ist und so angesteuert wird, dass der Strahl mit einer Geschwindigkeit entlang einer Trajektorie bewegt wird, die größer oder gleich 1 m/s ist.
8. Additives Herstellverfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils (2) mittels einer additiven Herstellvorrichtung, wobei in dem additiven Herstellverfahren ein Verfahren zur Einstellung einer Strahlungsintensität eines Strahls nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgeführt wird.
9. Additives Herstellverfahren nach Anspruch 8, bei dem die Variation der Strahlungsintensität im Auftreffbereich auf dem Aufbaumaterial, die Geschwindigkeit, mit der der Strahl entlang der Mehrzahl von Trajektorien bewegt wird, und der Abstand zwischen benachbarten Trajektorien so gewählt werden, dass nach dem Abkühlen des zuvor aufgeschmolzenen Aufbaumaterials der Anteil der Großwinkelkorngrenzen weniger als 75%, bevorzugt weniger als 66%, noch bevorzugter weniger als 50%, am bevorzugtesten weniger als 33% beträgt.
10. Additives Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem die Variation der Strahlungsintensität im Auftreffbereich auf dem Aufbaumaterial, die Geschwindigkeit, mit der der Strahl entlang der Mehrzahl von Trajektorien bewegt wird, und der Abstand zwischen benachbarten Trajektorien so gewählt werden, dass nach dem Abkühlen des zuvor aufgeschmolzenen Aufbaumaterials die Ausrichtung der Körner gegenüber einer Senkrechten auf der Ebene der Schicht maximal 15° beträgt.
11 . Additives Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Variation der Strahlungsintensität im Auftreffbereich auf dem Aufbaumaterial, die Geschwindigkeit, mit der der Strahl entlang der Mehrzahl von Trajektorien bewegt wird, und der Abstand zwischen benachbarten Trajektorien so gewählt werden, dass nach dem Abkühlen des zuvor aufgeschmolzenen Aufbaumaterials die maximale Abmessung der Körner größer oder gleich dem 20-fachen, bevorzugt größer oder gleich dem 50-fachen, noch bevorzugter größer oder gleich dem 100-fachen, des Abstands zwischen zwei benachbarten Trajektorien ist.
12. Additives Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , bei dem die Variation der Strahlungsintensität im Auftreffbereich auf dem Aufbaumaterial, die Geschwindigkeit, mit der der Strahl entlang der Mehrzahl von Trajektorien bewegt wird, der Abstand zwischen benachbarten Trajektorien so gewählt werden, dass nach dem Abkühlen des zuvor aufgeschmolzenen Aufbaumaterials die Ausdehnung der Körner senkrecht zu den Ebenen der Schichten größer oder gleich dem 20-fachen, bevorzugt größer oder gleich dem 50-fachen, noch bevorzugter größer oder gleich dem 100-fachen, des Abstands zwischen zwei benachbarten Trajektorien ist.
13. Additives Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die Richtungen übereinanderliegender Trajektorien in aufeinanderfolgenden Schichten gegeneinander um einen Winkel verdreht sind, der im Wesentlichen 90° beträgt, bevorzugt genau 90° beträgt.
14. Computergestütztes Verfahren zur Generierung von Steuerbefehlsdaten zur Einstellung einer Strahlungsintensität eines Strahls in einem Fertigungsprozess zur additiven Fertigung eines Bauteils, wobei in dem Fertigungsprozess Bauteile dadurch hergestellt werden, dass ein Ausbaumaterial Schicht auf Schicht aufgetragen wird und in jeder aufgetragenen Schicht mittels Zufuhr von Strahlungsenergie durch ein Strahl zu jenen Stellen der Schicht, die dem Querschnitt des Bauteils in dieser Schicht zugeordnet sind, verfestigt wird, indem der Strahl mittels einer, bevorzugt ansteuerbaren, Strahlbewegungsvorrichtung entlang einer Mehrzahl von Trajektorien im Querschnitt des Bauteils bewegt wird, um das Aufbaumaterial an den Stellen, die dem Querschnitts des Bauteils zugeordnet sind, aufzuschmelzen, wobei die Strahlungsintensität des Strahls unter Verwendung einer Strahlprofileinstelleinrichtung innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls auf dem Baufeld eingestellt wird, und wobei die Steuerbefehlsdaten zur Steuerung der Strahlprofileinstelleinrichtung dienen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerbefehlsdaten derart generiert werden, dass eine Verteilung der Strahlungsintensität im Auftreffbereich des Strahls auf dem Aufbaumaterial sich an zumindest einer Stelle um mindestens 1 % pro pm ändert und/oder dass zumindest 90%, bevorzugt 95%, besonders bevorzugt 99%, der gesamten Strahlungsleistung innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls auf dem Aufbaumaterial verteilt ist, dessen Durchmesser höchstens 300 pm, bevorzugter 420 pm, noch bevorzugter 470 pm und/oder zumindest 30 pm, bevorzugter 80 pm, noch bevorzugter 200 pm beträgt.
15. Strahlprofileinstellvorrichtung zur Erzeugung eines Strahls in einem Fertigungsprozess zur additiven Fertigung eines Bauteils wobei in dem Fertigungsprozess Bauteile dadurch hergestellt werden, dass ein Aufbaumaterial Schicht auf Schicht aufgetragen wird und in jeder aufgetragenen Schicht mittels Zufuhr von Strahlungsenergie zu jenen Stellen der Schicht, die dem Querschnitt des Bauteils in dieser Schicht zugeordnet sind, verfestigt wird, wobei die Strahlprofileinstelleinrichtung ausgelegt ist, die Verteilung einer Strahlungsintensität innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls einzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlprofileinstelleinrichtung den Strahl so erzeugt, dass die Strahlungsintensität im Auftreffbereich des Strahls auf dem Aufbaumaterial sich an zumindest einer Stelle um mindestens 1 % pro pm ändert und/oder dass zumindest 90%, bevorzugt 95%, besonders bevorzugt 99%, der gesamten Strahlungsleistung innerhalb eines Auftreffbereichs des Strahls auf dem Aufbaumaterial verteilt ist, dessen Durchmesser höchstens 300 pm, bevorzugter 420 pm, noch bevorzugter 470 pm und/oder zumindest 30 pm, bevorzugter 80 pm, noch bevorzugter 200 pm beträgt.
16. Additive Herstellvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mit einer Auftragsvorrichtung zum Aufträgen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht und einer Energieeintragsvorrichtung zur Zufuhr von Strahlungsenergie durch einen Strahl zu jenen Stellen einer Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, welche aufweist: eine Strahlprofileinrichtung zur Einstellung einer Strahlungsintensität des Strahls und eine Strahlbewegungsvorrichtung zur Bewegung des Strahls entlang einer Mehrzahl von Trajektorien, wobei das Aufbaumaterial an den Stellen, die dem Querschnitt des Bauteils in der Schicht zugeordnet sind, entlang der Trajektorien aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlprofileinrichtung die Strahlungsintensität des Strahls so einstellt, dass die Strahlungsintensität im Auftreffbereich des Strahls auf dem Aufbaumaterial sich an zumindest einer Stelle um mindestens 1 % pro pm ändert.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3202514A1 (de) * 2016-02-03 2017-08-09 General Electric Company Steuerung der verfestigung bei der generativen fertigung durch laserpulverbettfusion unter verwendung einer diodenlaser-faser-anordnung
WO2020099172A1 (de) 2018-11-12 2020-05-22 Eos Gmbh Electro Optical Systems Verfahren und vorrichtung zur generierung von steuerdaten für eine vorrichtung zur additiven fertigung

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112019006101T5 (de) 2018-12-06 2021-08-26 Jtekt Corporation Additive Fertigungsvorrichtung

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3202514A1 (de) * 2016-02-03 2017-08-09 General Electric Company Steuerung der verfestigung bei der generativen fertigung durch laserpulverbettfusion unter verwendung einer diodenlaser-faser-anordnung
WO2020099172A1 (de) 2018-11-12 2020-05-22 Eos Gmbh Electro Optical Systems Verfahren und vorrichtung zur generierung von steuerdaten für eine vorrichtung zur additiven fertigung

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CLOOTS MICHAEL ET AL: "Investigations on the microstructure and crack formation of IN738LC samples processed by selective laser melting using Gaussian and doughnut profiles", MATERIALS & DESIGN, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 89, 9 October 2015 (2015-10-09), pages 770 - 784, XP029303789, ISSN: 0264-1275, DOI: 10.1016/J.MATDES.2015.10.027 *
GERSTGRASSER MARCEL ET AL: "Residual stress reduction of LPBF-processed CM247LC samples via multi laser beam strategies", THE INTERNATIONAL JOURNAL OF ADVANCED MANUFACTURING TECHNOLOGY, SPRINGER, LONDON, vol. 117, no. 7-8, 30 April 2021 (2021-04-30), pages 2093 - 2103, XP037609422, ISSN: 0268-3768, [retrieved on 20210430], DOI: 10.1007/S00170-021-07083-6 *
SANCHEZ SALOMÉ ET AL: "Powder Bed Fusion of nickel-based superalloys: A review", INTERNATIONAL JOURNAL OF MACHINE TOOLS AND MANUFACTURE, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 165, 17 April 2021 (2021-04-17), XP086582419, ISSN: 0890-6955, [retrieved on 20210417], DOI: 10.1016/J.IJMACHTOOLS.2021.103729 *
WANG DI ET AL: "A Melt Pool Temperature Model in Laser Powder Bed Fabricated CM247LC Ni Superalloy to Rationalize Crack Formation and Microstructural Inhomogeneities", METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A, SPRINGER US, NEW YORK, vol. 52, no. 12, 5 October 2021 (2021-10-05), pages 5221 - 5234, XP037616064, ISSN: 1073-5623, [retrieved on 20211005], DOI: 10.1007/S11661-021-06457-5 *

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