DE102015216402A1

DE102015216402A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts

Info

Publication number: DE102015216402A1
Application number: DE102015216402.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Liebl; Georg Schlick; Alexander Ladewig; Steffen Schlothauer; Katrin Friedberger
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2017-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts (36) umfassend mindestens einen Bauraum (12) für ein schichtweises, aufeinanderfolgendes Verfestigen mindestens eines verfestigbaren Werkstoffs (16) in vordefinierten Bereichen zum schichtweisen Aufbau des dreidimensionalen Objekts (36) oder zur schichtweisen Reparatur einzelner Bereiche des dreidimensionalen Objekts (36) innerhalb des Bauraums (12) und mindestens eine Strahlungsquelle (18) zum Erzeugen wenigstens eines Hochenergiestrahls (20), mittels welchem eine Werkstoffschicht (22) im Bereich einer Aufbau- und Fügezone (28) lokal zu einer Objektschicht verschmelzbar und/oder versinterbar ist, wobei die Strahlungsquelle (18) relativ zu einer Baupattform (14) innerhalb des Bauraums (12) verfahrbar ist, wobei die Vorrichtung (10) und/oder die Strahlungsquelle (18) mindestens eine Steuervorrichtung (24) zur Einstellung und/oder Veränderung des Einstrahlwinkels (α1, α2, α3) des Hochenergiestrahls (20) in die Werkstoffschicht (22) während des Verschmelzens und/oder Versinterns der Werkstoffschicht (22) zu einer Bauteilschicht des Objekts (36) umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts (36).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten, insbesondere von Bauteilen sind in einer großen Vielzahl bekannt. Insbesondere sind generative Fertigungsverfahren (sog. Rapid Manufacturing- bzw. Rapid Prototyping-Verfahren) bekannt, bei denen das dreidimensionale Objekt beziehungsweise das Bauteil durch pulverbettbasierte, additive Fertigungsverfahren schichtweise aufgebaut wird. Vorwiegend metallische Bauteile können beispielsweise durch Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelz- oder -sinterverfahren hergestellt werden. Dabei wird zunächst schichtweise mindestens ein pulverförmiger Bauteilwerkstoff auf eine Bauplattform im Bereich einer Aufbau- und Fügezone der Vorrichtung aufgetragen. Anschließend wird der Bauteilwerkstoff schichtweise lokal verschmolzen und/oder versintert, indem dem Bauteilwerkstoff im Bereich der Aufbau- und Fügezone Energie mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls, zum Beispiel eines Elektronen- oder Laserstrahls zugeführt wird. Der Hochenergiestrahl wird dabei in Abhängigkeit einer Schichtinformation der jeweils herzustellenden Bauteilschicht gesteuert. Nach dem Verschmelzen und/oder Versintern wird die Bauplattform schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke abgesenkt. Danach werden die genannten Schritte bis zur endgültigen Fertigstellung des Bauteils wiederholt. Vergleichbare additive Verfahren sind zur Herstellung von Keramik- oder Kunststoffelementen bekannt.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere auch generative Herstellverfahren für die Herstellung von Bauteilen einer Strömungsmaschine, wie beispielsweise von Bauteilen eines Flugtriebwerks oder einer Gasturbine bekannt, z.B. das in der DE 10 2009 051 479 A1 beschriebene Verfahren bzw. eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine. Bei diesem Verfahren wird durch schichtweisen Auftrag von mindestens einem pulverförmigen Bauteilwerkstoff auf einer Bauplattform im Bereich einer Aufbau- und Fügezone sowie schichtweises und lokales Schmelzen oder Sintern des Bauteilwerkstoffs mittels im Bereich der Aufbau- und Fügezone zugeführter Energie ein entsprechendes Bauteil hergestellt. Die Zufuhr der Energie erfolgt hierbei über Laserstrahlen, wie beispielsweise CO₂-Laser, Nd:YAG-Laser, Yb-Faserlaser sowie Diodenlaser, oder durch Elektronenstrahlen.
In bekannten Vorrichtungen zur generativen Herstellung von dreidimensionalen Objekten mittels Laserenergie (z.B. Selektive Laserschmelzanlagen) trifft der Laserstrahl innerhalb eines Bauraums der Vorrichtung nur in einem Punkt senkrecht zur Lasereinrichtung senkrecht auf den pulverförmigen Bauteilwerkstoff. In den Randbereichen des Bauraums trifft der Laserstrahl in einem anderen, ungünstigen Winkel auf. Bei einem senkrechten Auftreffen des Laserstrahls ist der resultierende Schmelzbereich im Wesentlichen kreisförmig. Je weiter entfernt von diesem Idealpunkt der Laserstrahl auf der Pulveroberfläche auftrifft, desto ellipsoider wird der Schmelzbereich. Da hierbei die Schmelzfläche vergrößert wird, entstehen Bereiche am Objekt mit deutlich verminderter Qualität. Aus der WO 02/36331 A1 ist eine relativ zu einer Bauplattform verfahrbare Lasereinrichtung bekannt, wobei nach der generativen Fertigung eines Bauteils eine Nachbehandlung des hergestellten Bauteils mittels Laserenergie erfolgt. Der Einstrahlwinkel der Laserenergie auf die Bauteiloberfläche ist dabei einstellbar. Eine derartige Nachbehandlung kann allerdings nur auf Bauteiloberflächen angewandt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine verbesserte Qualität des herzustellenden dreidimensionalen Objekts mit vordefinierten Materialeigenschaften oder eine entsprechend vorteilhafte Reparatur des dreidimensionalen Objekts ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens oder des Bauteils und umgekehrt anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts umfassend mindestens einen Bauraum für ein schichtweises, aufeinderfolgendes Verfestigen mindestens eines verfestigbaren Werkstoffs in vordefinierten Bereichen zum schichtweisen Aufbau des dreidimensionalen Objekts oder zur schichtweisen Reparatur einzelner Bereiche des dreidimensionalen Objekts innerhalb des Bauraums und mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Hochenergiestrahls mittels welchem eine Werkstoffschicht im Bereich einer Aufbau- und Fügezone lokal zu einer Objektschicht verschmelzbar und/oder versinterbar ist, wobei die Strahlungsquelle relativ zu einer Bauplattform innerhalb des Bauraums verfahrbar ist. Dabei umfasst die Vorrichtung und/oder die Strahlungsquelle mindestens eine Steuervorrichtung zur Einstellung und/oder Veränderung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls in die Werkstoffschicht während des Verschmelzens und/oder Versintern der Werkstoffschicht zu einer Objektschicht des Objekts. Durch die Möglichkeit der Veränderung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls während des schichtweisen Aufbaus des dreidimensionalen Objektes wird vorteilhafterweise erreicht, dass der Hochenergiestrahl in das Objekt- beziehungsweise Bauteilvolumen und nicht in das umliegende Pulverbett des Werkstoffes eingeleitet wird. Damit werden zuverlässig Oberflächenrauigkeiten des hergestellten Objekts in diesen Bereichen minimiert, eine Nachbehandlung der Oberflächen des Objektes ist nicht oder nur minimal notwendig. Die Qualität des herzustellenden dreidimensionalen Objektes wird dadurch deutlich verbessert. Zudem kann durch die Einstellung und/oder Veränderung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls während des Verschmelzens und/oder Versinterns der Werkstoffschicht die Schmelzbadgeometrie vorteilhaft beeinflusst werden. Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise die Möglichkeit, Einfluss auf die Textur des Werkstoffes zu nehmen. Beispielsweise können damit Rissentstehungen innerhalb des herzustellenden Objektes verhindert oder zumindest minimiert werden. Des Weiteren besteht erfindungsgemäß der Vorteil, dass durch die Einstellung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls definierte Gefügerichtungen im Bauteil beziehungsweise Objekt erzeugt werden können. Dadurch können richtungsabhängige Materialeigenschaften beziehungsweise Objekteigenschaften definiert erzeugt werden. Schließlich können durch die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhafterweise Bauteil- beziehungsweise Objektgeometrien mit relativ kleinen Aufbauwinkeln erzeugt werden, ohne dass hierzu Stützen am Objekt notwendig sind. Üblicherweise beträgt hierbei ein Grenzwinkel gemäß dem Stand der Technik ca. 45°. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dieser Grenzwinkel bis mindestens 30° reduziert werden. Zudem besteht durch die erfindungsgemäße Vorrichtung die Möglichkeit, dass über die Einstellung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls entstehende Prozessnebenprodukte, wie zum Beispiel Schmauch, Rauch, Auswürfe etc., geringeren Einfluss auf den Herstellungsprozess nehmen, so dass auch hierdurch die Qualität des herzustellenden Objektes deutlich verbessert werden kann.
Bei dem im Vorhergehenden beschriebenen Bauraum der Vorrichtung handelt es sich üblicherweise um eine Prozesskammer zur Durchführung des generativen Herstellungs- oder Reparaturverfahrens. Bei dem herzustellenden oder zu reparierenden dreidimensionalen Objekt kann es sich um ein Bauteil oder einen Bauteilbereich eines Flugtriebwerks, insbesondere eines Verdichters oder einer Turbine handeln. Der verwendete Werkstoff kann pulverförmig, flüssig oder pastös ausgebildet sein und besteht üblicherweise aus Metall, einer Metalllegierung, Keramik oder Kunststoff oder einer Mischung daraus. Der Hochenergiestrahl ist üblicherweise ein Laser- oder Elektronenstrahl. Unter Strahlungsquelle sind direkte und indirekte Strahlungsquellen zu verstehen. Indirekte Strahlungsquellen können beispielsweise verfahrbare optische Systeme umfassen, welche einen von einer direkten Strahlungsquelle erzeugten Hochenergiestrahl in Richtung der Werkstoffschicht ablenken.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Steuervorrichtung derart ausgebildet, dass der Einstrahlwinkel des Hochenergiestrahls in Abhängigkeit einer Oberflächengeometrie des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts innerhalb eines jeweiligen Aufbaubereichs des Objekts einstellbar und/oder veränderbar ist. Durch die Anpassung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls an die Oberflächengeometrie des herzustellenden oder zu reparierenden Objektes kann der Hochenergiestrahl wiederum vorteilhafterweise in das Objekt- beziehungsweise Bauteilvolumen und nicht in das umliegende Pulverbett des Werkstoffs geleitet werden. Dadurch werden wiederum Oberflächenrauigkeiten in diesen Bereichen minimiert. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die Steuervorrichtung dazu ausgebildet ist, den Einstrahlwinkel derart einzustellen, dass er einen Bauteilwinkel einer Fläche des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts in dem jeweiligen Aufbaubereich des Objekts mit einer maximalen Winkelabweichung von ±10 Prozent entspricht. Der Einstrahlwinkel kann vorteilhafterweise in Abhängigkeit eines Überhangwinkels der Objektoberfläche beziehungsweise Bauteiloberfläche durch die Ausrichtung des Hochenergiestrahls in Richtung des Überhangs ausgerichtet werden. Durch die Anpassung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls in dem Winkelbereich des Überhangs ist wiederum gewährleistet, dass der Hochenergiestrahl in das Objektvolumen und nicht in das umliegende Pulverbett des Werkstoffs eingeleitet wird. Oberflächenrauigkeiten werden dadurch in diesen Bereichen minimiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Vorrichtung mindestens eine Datenspeichervorrichtung und/oder eine Datenverarbeitungseinrichtung, wobei die Datenspeichervorrichtung und/oder Datenverarbeitungseinrichtung mit der Steuervorrichtung zur Einstellung und/oder Veränderung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls wenigstens zur Übertragung von geometrischen Daten des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts verbunden ist. Durch die Übertragung der dreidimensionalen geometrischen Daten des herzustellenden oder zu reparierenden Objektes, die zudem für die generative Herstellung oder Reparatur des Objektes benötigt werden, können die benötigten Einstrahlwinkel während der generativen Herstellung oder Reparatur des Objektes automatisch an die Steuervorrichtung übertragen werden. Zudem besteht die Möglichkeit, dass die so erzeugten Einstrahlwinkel manuell oder durch Hinzfügen von Korrekturfaktoren verändert werden.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Strahlungsquelle mindestens ein steuerbares und/oder regelbares optisches System zum Ablenken und/oder Fokussieren des erzeugten Hochenergiestrahls. Dadurch besteht unter anderem die Möglichkeit, den Einstrahlwinkel des Hochenergiestrahls in die Werkstoffschicht exakt einzustellen. Die Steuerung und Regelung des optischen Systems kann über die Steuervorrichtung erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese mindestens eine Verfahreinheit zum Verfahren der Strahlungsquelle innerhalb des Bauraums. Entsprechende Verfahreinheiten sind aus dem Stand der Technik bekannt und sollen daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben werden. Entscheidend ist jedoch, dass die Verfahreinheit gewährleistet, dass die Strahlungsquelle, insbesondere eine Lasereinrichtung, zumindest über den gesamten Bereich der Bauplattform bewegt werden kann.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts, wobei das erfindungsgemäße Verfahren zumindest folgende Schritte umfasst: a) Schichtweises Auftragen von mindestens einem Werkstoff auf mindestens eine innerhalb eines Bauraums angeordnete Bauplattform im Bereich einer Aufbau- und Fügezone; b) schichtweises und lokales Verschmelzen und/oder Versintern des Werkstoffs durch Zuführen von Energie mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls im Bereich der Aufbau- und Fügezone zum Ausbilden einer Schicht des Objekts, wobei eine den Hochenergiestrahl erzeugende Strahlungsquelle relativ zu der Baupattform zumindest innerhalb des Bauraums verfahrbar ist; c) schichtweises Absenken der Bauplattform um eine vordefinierte Schichtdicke: und d) Wiederholen der Schritte a) bis c) bis zur Fertigstellung des Objekts. Dabei ist während des schichtweisen und lokalen Verschmelzens und/oder Versinterns des Werkstoffs ein Einstrahlwinkel des Hochenergiestrahls in die Werkstoffschicht einstellbar und/oder veränderbar. Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit der Veränderung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls in die Werkstoffschicht während des Verschmelzens und/oder Versintern des Werkstoffs wird erreicht, dass der Hochenergiestrahl in das Objekt- beziehungsweise Bauteilvolumen und nicht in das umliegende Pulverbett des Werkstoffes eingeleitet wird. Damit werden Oberflächenrauigkeiten des Objektes in diesen Bereichen minimiert, eine Nachbehandlung der Oberflächen des Objektes ist nicht oder nur minimal notwendig. Dadurch ergibt sich eine deutliche Qualitätsverbesserung des herzustellenden oder zu reparierenden Objektes. Des Weiteren ergibt sich vorteilhafterweise die Möglichkeit, dass durch das Einstellen des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls die Schmelzbadgeometrie beeinflusst werden kann. Dadurch kann Einfluss auf die Textur des Werkstoffes des Objektes genommen werden. Beispielsweise können Rissbildungen beeinflusst und gegebenenfalls reduziert werden. Zudem kann durch die Einstellung und/oder Veränderung des Einstrahlwinkel des Hochenergiestrahls in die Werkstoffschicht der Strahlengang der Strahlungsquelle so orientiert werden, dass entstehende Prozessnebenprodukte, wie zum Beispiel Schmauch, Rauch, Auswürfe etc., geringeren oder keinen Einfluss auf den generativen Herstellungsprozess nehmen können. Auch dadurch ist eine deutliche Qualitätsverbesserung bezüglich des herzustellenden oder zu reparierenden Objektes gegeben. Schließlich können durch das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise Bauteil- beziehungsweise Objektgeometrien mit relativ kleinen Aufbauwinkeln erzeugt werden, ohne dass hierzu Stützen am Objekt notwendig sind. Üblicherweise beträgt hierbei ein Grenzwinkel gemäß dem Stand der Technik ca. 45°. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dieser Grenzwinkel bis mindestens 30° reduziert werden. Des Weiteren können durch die Einstellung und/oder Veränderung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls in die Werkstoffschicht während des schichtweisen lokalen Verschmelzens und/oder Versintern des Werkstoffs nicht nur die Oberflächengeometrie des herzustellenden oder zu reparierenden Objektes, sondern auch definierte Gefügerichtungen im Bauteil beziehungsweise Objekt erzeugt werden. Beispielsweise können richtungsabhängige Materialeigenschaften beziehungsweise Bauteil- und Objekteigenschaften definiert erzeugt werden. Derartiges ist durch eine Nachbehandlung von Bauteiloberflächen nach der Herstellung des Bauteils beziehungsweise Objektes gemäß dem Stand der Technik nicht möglich.
Bei dem im Vorhergehenden beschriebenen Bauraum handelt es sich üblicherweise um eine Prozesskammer zur Durchführung des generativen Herstellungs- oder Reparaturverfahrens. Bei dem herzustellenden oder zu reparierenden dreidimensionalen Objekt kann es sich um ein Bauteil oder einen Bauteilbereich eines Flugtriebwerks, insbesondere eines Verdichters oder einer Turbine handeln. Der verwendete Werkstoff kann pulverförmig, flüssig oder pastös ausgebildet sein und besteht üblicherweise aus Metall, einer Metalllegierung, Keramik oder Kunststoff oder einer Mischung daraus. Der Hochenergiestrahl kann ein Laser- oder Elektronenstrahl sein. Bei Verwendung eines Laserstrahls wird üblicherweise ein selektives Laserschmelz- oder Lasersinterverfahren durchgeführt. Unter Strahlungsquelle sind direkte und indirekte Strahlungsquellen zu verstehen. Indirekte Strahlungsquellen können beispielsweise verfahrbare optische Systeme umfassen, welche einen von einer direkten Strahlungsquelle erzeugten Hochenergiestrahl in Richtung der Werkstoffschicht ablenkten.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Einstrahlwinkel des Hochenergiestrahls in Abhängigkeit einer Oberflächengeometrie des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts innerhalb eines jeweiligen Aufbaubereichs des Objekts eingestellt und/oder verändert. Durch die Anpassung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls an die Oberflächengeometrie des herzustellenden oder zu reparierenden Objektes kann der Hochenergiestrahl wiederum vorteilhafterweise in das Objekt- beziehungsweise Bauteilvolumen und nicht in das umliegende Pulverbett des Werkstoffs geleitet werden. Dadurch werden wiederum Oberflächenrauigkeiten in diesen Bereichen minimiert, eine mögliche Nachbehandlung der Oberflächen ist nicht oder nur minimal notwendig. Zudem besteht die Möglichkeit, dass der Einstrahlwinkel derart eingestellt wird, dass er einem Bauteilwinkel einer Fläche des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts in dem jeweiligen Aufbaubereich des Objekts mit einer maximalen Winkelabweichung von ±10 Prozent entspricht. Auch hierdurch ist eine sichere Einleitung des Hochenergiestrahls in das Bauteil- beziehungsweise Objektvolumen gewährleistet. Zudem kann es sich bei der genannten Fläche um eine Überhangfläche des Objektes handeln, so dass der Hochenergiestrahl in Abhängigkeit eines Überhangwinkels dieser Überhangfläche des Objektes durch die Ausrichtung des Hochleistungslasers in Richtung des Überhangs ausgerichtet wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Einstrahlwinkel mittels von in mindestens einer Datenspeichervorrichtung und/oder Datenverarbeitungseinrichtung gespeicherten geometrischen Daten des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts ermittelt. Dadurch ist eine automatische und exakte Einstellung des Einstrahlwinkels möglich. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass der Einstrahlwinkel manuell oder anhand von Korrekturfaktoren verändert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Hochenergiestrahl über mindestens ein steuerbares und/oder regelbares optisches System der Strahlungsquelle abgelenkt und/oder fokussiert. Damit ist eine exakte Ausrichtung des Hochenergiestrahls in Richtung der Werkstoffschicht möglich.
Die sich aus der Verwendung der Vorrichtung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ergebenden Merkmale und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil für eine Turbine oder einen Verdichter, wobei dieses Bauteil mittels einer Vorrichtung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt und/oder durch ein Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung erhältlich und/oder hergestellt ist. Die sich aus der Vorrichtung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt und dem Verfahren gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt ergebenden Merkmale und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und zweiten Erfindungsaspektes zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und/oder zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, dem Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in dem Ausführungsbeispiel genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts gemäß dem Stand der Technik; und
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts 36 gemäß dem Stand der Technik. Man erkennt, dass über eine stationär über einer Bauteilplattform 14 angeordneten Lasereinrichtung 2 ein Laserstrahl 3 auf eine Werkstoffschicht 22 des Werkstoffs 16 gerichtet wird. Der Werkstoff 16 beziehungsweise das Objekt 36 liegen dabei auf einer Bauplattform 14 auf. Innerhalb eines Bauraums 12 erfolgt ein schichtweises lokales Verschmelzen und/oder Versintern des verfestigbaren Werkstoffs 16 in vordefinierten Bereichen. Mittels des Laserstrahls 3 wird im Bereich einer Aufbau- und Fügezone 28 die Werkstoffschicht 22 lokal zu einer Objektschicht verschmolzen und/oder versintert. Man erkennt, dass der Einstrahlwinkel des Laserstrahls 3 je nach Position und Aufbaubereich unterschiedlich ist. Man erkennt, dass bei dieser bekannten Vorrichtung 1 zur generativen Herstellung des dreidimensionalen Objektes 36 der Laserstrahl 3 innerhalb des Bauraums 12 nur in einem Punkt senkrecht zur Lasereinrichtung 2 auf den pulverförmigen Werkstoff 16 beziehungsweise die Werkstoffschicht 22 auftrifft. Bei einem senkrechten Auftreffen des Laserstrahls 3 ist der resultierende Schmelzbereich im Wesentlichen kreisförmig. Je weiter entfernt von diesem Idealpunkt der Laserstrahl 3 auf der Werkstoffschicht 22 auftrifft, desto ellipsoider wird der Schmelzbereich. Da hierbei die Schmelzfläche vergrößert wird, entstehen Bereiche am Objekt 36 mit deutlich verminderter Qualität. Zudem ist der Einstrahlwinkel des Laserstrahls 3 völlig unabhängig von einer Oberflächengeometrie des herzustellenden Objekts 36, so dass Laserstrahlen, die in Randbereichen des Objektes auftreffen über die vergrößerte, ellipsoidförmige Schmelzzone in weiten Bereichen auch in das umliegende Pulverbett des Werkstoffs 16 eindringen und somit auch nicht erwünschte Bereiche der jeweiligen Werkstoffschicht 22 verschmolzen und/oder versintert werden. Dies führt zu Oberflächenrauigkeiten, die nur mittels entsprechend aufwändigen Nachbehandlungen minimiert werden können.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts 36, welche die bei einer bekannten Vorrichtung 1 gemäß dem Stand der Technik beschriebenen Nachteile überwindet. Die Vorrichtung 10 umfasst dabei ebenfalls einen Bauraum 12 für ein schichtweises, aufeinanderfolgendes Verfestigen eines verfestigbaren Werkstoffs 16 in vordefinierten Bereichen zum schichtweisen Aufbau des dreidimensionalen Objekts 36 oder zur schichtweisen Reparatur einzelner Bereiche des dreidimensionalen Objekts 36. Des Weiteren umfasst die dargestellte Vorrichtung 10 eine Strahlungsquelle 18 zum Erzeugen wenigstens eines Hochenergiestrahls 20. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Strahlungsquelle 18 um eine Lasereinrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls 20. Man erkennt, dass die Strahlungsquelle 18 mittels einer Verfahreinheit 26 zumindest in einem Bereich über einer Bauplattform 14 der Vorrichtung 10 verfahrbar ist (vergleiche Doppelpfeil). Mittels des Hochenergiestrahls 20 wird eine Werkstoffschicht 22 im Bereich einer Aufbau- und Fügezone 28 lokal zu einer Objektschicht verschmolzen und/oder versintert. Zudem umfasst die Vorrichtung 10 eine Steuervorrichtung 24 zur Einstellung und/oder Veränderung des Einstrahlwinkels α₁, α₂, α₃ des Hochenergiestrahls 20 in die Werkstoffschicht 22 während des Verschmelzens und/oder Versinterns der Werkstoffschicht 22 zu einer Objektschicht des Objekts 36. In Abhängigkeit einer Oberflächengeometrie des Objekts 36 werden die Einstrahlwinkel α₁, α₂, α₃ des Hochenergiestrahls 20 innerhalb beispielhaft ausgewählter und dargestellter Aufbaubereiche 30, 32, 34 des Objekts 36 eingestellt und/oder verändert. Es wird deutlich, dass die Einstrahlwinkel α₁ und α₃ jeweils einem entsprechenden Bauteilwinkel β₁, β₂ einer jeweiligen Fläche 40, 42 des herzustellenden Objekts 36 in dem jeweiligen Aufbaubereich 30, 34 entsprechen. Dabei können die Einstrahlwinkel α1, α3 eine maximale Winkelabweichung von ±10 Prozent gegenüber dem jeweiligen Bauteilwinkel β₁, β₂ aufweisen. Des Weiteren wird deutlich, dass der Einstrahlwinkel α₂ des Hochenergiestrahls 20 senkrecht zur Werkstoffschicht 22 verläuft. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass die Einstrahlwinkel α₁, α₂, α₃ nicht nur in Abhängigkeit der Oberflächengeometrie des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts 36 eingestellt und/oder verändert werden, sondern dass auch innerhalb des Objektvolumens während des Aufbaus die Einstrahlwinkel α₁, α₂, α₃ des Hochenergiestrahls 20 verändert werden. Hierbei kann über das Einstellen des Einstrahlwinkels die Schmelzbadgeometrie beeinflusst werden, wodurch vorteilhafterweise die Möglichkeit besteht, Einfluss auf die Textur des Werkstoffes des Objektes 36 zu nehmen. So können zum Beispiel Objekte beziehungsweise Bauteile mit definierten Gefügerichtungen innerhalb des Bauteils beziehungsweise Objekts erzeugt werden. Daraus ergeben sich richtungsabhängige Material- und Bauteileigenschaften, die definiert erzeugt werden können.
Des Weiteren erkennt man, dass die Steuervorrichtung 24 mit der Strahlenquelle 18 beziehungsweise der Lasereinrichtung, datenleitend verbunden ist. Die entsprechenden Steuerbefehle beziehungsweise Steuerdaten werden in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Datenspeichervorrichtung 38 bereitgestellt. In der Datenspeichervorrichtung 38 sind geometrische Daten des herzustellenden oder zu reparierenden Objektes 36 abgespeichert und werden entsprechend an die Steuervorrichtung 24 übertragen. Anhand dieser geometrischen Daten werden über die Steuervorrichtung 24 die entsprechenden Einstrahlwinkel α₁, α₂, α₃ des Hochenergiestrahls 20 in die Werkstoffschicht 22 während des Verschmelzens oder während des Versinterns der Werkstoffschicht 22 zu einer Objektschicht des Objekts 36 eingestellt und/oder verändert.
Bei dem dargestellten Objekt 36 kann es sich beispielsweise um ein Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere um ein Bauteil einer Turbine oder eines Verdichters handeln.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Lasereinrichtung
3: Laserstrahl
10: Vorrichtung
12: Bauraum
14: Bauplattform
16: Werkstoff
18: Strahlungsquelle
20: Hochenergiestrahl
22: Werkstoffschicht
24: Steuervorrichtung
26: Verfahreinheit
28: Aufbau- und Fügezone
30: Aufbaubereich
32: Aufbaubereich
34: Aufbaubereich
36: Objekt
38: Datenspeichervorrichtung, Datenverarbeitungseinrichtung
40: Fläche
42: Fläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009051479 A1 [0003]
WO 02/36331 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung (10) zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts (36) umfassend: – mindestens einen Bauraum (12) für ein schichtweises, aufeinanderfolgendes Verfestigen mindestens eines verfestigbaren Werkstoffs (16) in vordefinierten Bereichen zum schichtweisen Aufbau des dreidimensionalen Objekts (36) oder zur schichtweisen Reparatur einzelner Bereiche des dreidimensionalen Objekts (36) innerhalb des Bauraums (12); und – mindestens eine Strahlungsquelle (18) zum Erzeugen wenigstens eines Hochenergiestrahls (20), mittels welchem eine Werkstoffschicht (22) im Bereich einer Aufbau- und Fügezone (28) lokal zu einer Objektschicht verschmelzbar und/oder versinterbar ist, wobei die Strahlungsquelle (18) relativ zu einer Bauplattform (14) innerhalb des Bauraums (12) verfahrbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) und/oder die Strahlungsquelle (18) mindestens eine Steuervorrichtung (24) zur Einstellung und/oder Veränderung des Einstrahlwinkels (α₁, α₂, α₃) des Hochenergiestrahls (20) in die Werkstoffschicht (22) während des Verschmelzens und/oder Versinterns der Werkstoffschicht (22) zu einer Objektschicht des Objekts (36) umfasst.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (24) derart ausgebildet ist, dass der Einstrahlwinkel (α₁, α₂, α₃) des Hochenergiestrahls (20) in Abhängigkeit einer Oberflächengeometrie des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts (36) innerhalb eines jeweiligen Aufbaubereichs (30, 32, 34) des Objekts (36) einstellbar und/oder veränderbar ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (24) derart ausgebildet ist, dass der Einstrahlwinkel (α₁, α₃) derart einstellbar ist, dass er einem Bauteilwinkel (β₁, β₂) einer Fläche (40, 42) des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts (36) in dem jeweiligen Aufbaubereich (30, 34) des Objekts (36) mit einer maximalen Winkelabweichung von ± 10% entspricht.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) mindestens eine Datenspeichervorrichtung und/oder eine Datenverarbeitungseinrichtung (38) umfasst, wobei die Datenspeichervorrichtung und/oder Datenverarbeitungseinrichtung (38) mit der Steuervorrichtung (24) wenigstens zur Übertragung von geometrischen Daten des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts (36) verbunden ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (18) mindestens ein steuerbares und/oder regelbares optisches System zum Ablenken und/oder Fokussieren des erzeugten Hochenergiestrahls (20) umfasst.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochenergiestrahl (20) ein Laser- oder Elektronenstrahl ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) mindestens eine Verfahreinheit (26) zum Verfahren der Strahlungsquelle (18) innerhalb des Bauraums (12) umfasst.
Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts (36) zumindest folgende Schritte umfassend: a) Schichtweises Auftragen von mindestens einem Werkstoff (16) auf mindestens eine innerhalb eines Bauraums (12) angeordneten Bauplattform (14) im Bereich einer Aufbau- und Fügezone (28); b) Schichtweises und lokales Verschmelzen und/oder Versintern des Werkstoffs (16) durch Zuführen von Energie mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls (20) in eine Werkstoffschicht (22) im Bereich der Aufbau- und Fügezone (28) zum Ausbilden einer Schicht des Objekts (36), wobei eine den Hochenergiestrahl (20) erzeugende Strahlungsquelle (18) relativ zu der Bauplattform (14) zumindest innerhalb des Bauraums (12) verfahrbar ist; c) Schichtweises Absenken der Bauplattform (14) um eine vordefinierte Schichtdicke; und d) Wiederholen der Schritte a) bis c) bis zur Fertigstellung des Objekts (36), dadurch gekennzeichnet, dass während des schichtweisen und lokalen Verschmelzens und/oder Versinterns des Werkstoffs (16) ein Einstrahlwinkel (α₁, α₂, α₃) des Hochenergiestrahls (20) in die Werkstoffschicht (22) einstellbar und/oder veränderbar ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstrahlwinkel (α₁, α₂, α₃) des Hochenergiestrahls (22) in Abhängigkeit einer Oberflächengeometrie des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts (36) innerhalb eines jeweiligen Aufbaubereichs (30, 32, 34) des Objekts (36) eingestellt und/oder verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstrahlwinkel (α₁, α₃) derart eingestellt wird, dass er einem Bauteilwinkel (β₁, β₂) einer Fläche (40, 42) des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts (36) in dem jeweiligen Aufbaubereich (30, 34) des Objekts (36) mit einer maximalen Winkelabweichung von ±10% entspricht.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstrahlwinkel (α₁, α₂, α₃) mittels von in mindestens einer Datenspeichervorrichtung und/oder Datenverarbeitungseinrichtung (38) gespeicherten geometrischen Daten des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts (36) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochenergiestrahl (20) über mindestens ein steuerbares und/oder regelbares optisches System der Strahlungsquelle (18) abgelenkt und/oder fokussiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochenergiestrahl (22) ein Laser- oder Elektronenstrahl ist.
Bauteil für eine Turbine oder einen Verdichter, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13 erhältlich und/oder hergestellt ist.