DE102017213762A1 - Verfahren und Vorrichtung zur generativen Herstellung eines Bauteils oder eines Bauteilabschnitts - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur generativen Herstellung eines Bauteils oder eines Bauteilabschnitts Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Herstellung eines Bauteils (2) oder eines Bauteilabschnitts, das die Schritte aufweist: a) Auftragen einer Schicht eines pulverförmigen Bauteilwerkstoffs (7) auf eine Bauteilplattform (3) im Bereich einer Aufbau- und Fügezone (10), b) Lokales Verschmelzen oder Versintern des aufgetragenen Bauteilwerkstoffs (7) im Bereich der Aufbau- und Fügezone (10) unter Verwendung eines ersten Laserstrahls (14) eines Bearbeitungslasers (11) unter Vorheizung des zu verschmelzenden oder zu versinternden Bauteilwerkstoffs und c) Wiederholen der Schritte a) und b) bis zur Fertigstellung des Bauteils (2) oder des Bauteilabschnitts, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorheizen in Schritt b) unter Verwendung eines zweiten Laserstrahls (15) eines Vorheizlasers (12) erfolgt, der den ersten Laserstrahl (14) des Bearbeitungslasers (11) ringförmig umgibt. Ferner betrifft die Erfindung eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung (1).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Herstellung eines Bauteils oder eines Bauteilabschnitts, das die Schritte aufweist: a) Auftragen einer Schicht eines pulverförmigen Bauteilwerkstoffs auf eine Bauteilplattform im Bereich einer Aufbau- und Fügezone, b) Lokales Verschmelzen oder Versintern des aufgetragenen Bauteilwerkstoffs im Bereich der Aufbau- und Fügezone unter Verwendung eines ersten Laserstrahls eines Bearbeitungslasers unter Vorheizung des zu verschmelzenden oder zu versinternden Bauteilwerkstoffs und c) Wiederholen der Schritte a) und b) bis zur Fertigstellung des Bauteils oder des Bauteilabschnitts. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
  • Verfahren der eingangs genannten Art, bei denen ein Bauteil bzw. ein Bauteilabschnitt durch Verschmelzen oder Versintern eines pulverförmigen Bauteilwerkstoffs schichtweise aufgebaut wird, sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt. Der pulverförmige Bauteilwerkstoff wird in einem ersten Schritt in einer vorbestimmten Schichtstärke, die meist zwischen 15 und 500 µm liegt, auf eine Bauteilplattform einer entsprechenden Vorrichtung im Bereich einer Aufbau- und Fügezone aufgetragen. In einem weiteren Schritt wird der Bauteilwerkstoff dann unter Verwendung eines Laserstrahls eines Bearbeitungslasers selektiv geschmolzen oder gesintert. Die Bewegung des Laserstrahls wird dabei in Abhängigkeit einer Schichtinformation der jeweils herzustellenden Bauteilschicht gesteuert, die normalerweise aus einem 3D-CAD-Körper mittels Software generiert wird. Anschließend werden die zuvor beschriebenen Schritte wiederholt, bis das Bauteil oder der Bauteilabschnitt vollständig gefertigt ist, wobei die Bauteilplattform normalerweise vor dem Auftragen jeder weiteren Bauteilwerkstoffschicht um ein der Schichtstärke entsprechendes Maß abgesenkt wird, um einen Abstand zwischen der Aufbau- und Fügezone und einer optischen Einheit, die den Laserstrahl des Bearbeitungslasers auf diese richtet, konstant zu halten.
  • Ein Problem bei der generativen Bearbeitung von Bauteilwerkstoffen aus schwer schweißbaren Legierungen, wie beispielsweise bei der Bearbeitung γ'-aushärtender Nickel-Basis-Superlegierungen stellt die so genannte Heißrissbildung dar, die aus prozessinduzierten Spannungen resultiert. Zur Lösung dieses Problems gibt es bereits mehrere Ansätze, bei denen zwischen indirekten und direkten Ansätzen unterschieden wird.
  • Ein indirekter Ansatz besteht darin, das mit Heißrissen gefertigte Bauteil einer thermischen Nachbehandlung in Form eines so genannten HIP-Prozesses (Hot Isostatic Pressing) zu unterziehen, um die bei der generativen Fertigung entstandenen inneren Defekte bzw. Risse zu schließen. Erfahrungsgemäß ist dies jedoch nur bedingt möglich, da in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie erhebliche Defekte auftreten können, wie beispielsweise Risse mit einer Länge von mehr als 10mm, die im Rahmen einer solchen Nachbehandlung nicht vollständig eliminiert werden können.
  • Direkte Lösungsansätze sind darauf gerichtet, bereits der Entstehung von Heißrissen entgegenzuwirken. Sie sehen grundsätzlich vor, den Bauteilwerkstoff während der generativen Fertigung vorzuheizen, um die durch den Laserstrahl des Bearbeitungslasers verursachten Temperaturgradienten innerhalb des Bauteilwerkstoffes zu verringern und entsprechend der Entstehung von Heißrissen entgegenzuwirken.
  • In diesem Zusammenhang besteht eine bekannte Möglichkeit darin, den Bauteilwerkstoff unter Verwendung von Heizstrahlern vorzuwärmen. Dies hat allerdings den Nachteil, dass das umgebende Pulverbett meist in einem erheblichen Maße beeinflusst wird und durch Sintereffekte an den Bauteiloberflächen eine erhebliche Degradierung der Oberflächenqualität stattfinden kann. Darüber hinaus geht die Vorwärmung unter Verwendung von Heizstrahlern auch mit einer nicht unerheblichen Aufheizung von Großteilen der Vorrichtung einher, was weitere Probleme nach sich zieht.
  • Eine weitere bekannte Möglichkeit besteht darin, zu schmelzende oder zu sinternde Bereiche der obersten Bauteilwerkstoffschicht lokal zu erwärmen. In diesem Zusammenhang ist eine erste Variante bekannt, bei der eine solche lokale Erwärmung unter Einsatz einer oberhalb des Pulverbettes angeordneten und parallel zu diesem verfahrbaren induktiven Vorheizeinrichtung erfolgt, siehe hierzu beispielsweise die DE 10 2014 108 081 A1 . Ein Nachteil einer solchen induktiven Vorheizeinrichtung besteht allerdings darin, dass sie einen zusätzlichen apparativen Aufwand darstellt und innerhalb des Bauraums der Vorrichtung viel Bauraum beansprucht. Zudem müssen die Bewegungen des Laserstrahls des Bearbeitungslasers und der Vorheizeinrichtung steuerungstechnisch aufeinander abgestimmt werden, was ebenfalls nicht unproblematisch ist. Bei einer zweiten bekannten Variante wird ein zweiter Laserstrahl eines Vorheizlasers mit eigener optischer Einheit zum lokalen Vorwärmen des Pulverbetts eingesetzt, der dem ersten Laserstrahl des Bearbeitungslasers vorläuft. Aber auch hier sind der zusätzliche apparative Aufwand und der Platzbedarf hoch. Ebenso ist die steuerungstechnische Abstimmung der Bewegungen des Laserstrahls des Bearbeitungslasers und des Laserstrahls des Vorheizlasers komplex. Ein weiteres Problem besteht darin, dass ein kontrolliertes Abkühlen der verschmolzenen oder gesinterten Bereiche nicht gewährleistet ist.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren und eine alternative Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet, dass das Vorheizen in Schritt b) unter Verwendung eines zweiten Laserstrahls eines Vorheizlasers erfolgt, der den ersten Laserstrahl des Bearbeitungslasers ringförmig umgibt. Dank der ringförmigen Anordnung des zweiten Laserstrahls um den ersten Laserstrahl, die beispielsweise erzielt werden kann, indem der Bearbeitungslase im Gauss-Modus und der Vorwärmlaser im so genannten Donut- oder Bagel-Modus betrieben wird, wird zum einen die steuerungstechnische Abstimmung der Bewegungen des Laserstrahls des Bearbeitungslasers und des Laserstrahls des Vorheizlasers erleichtert, da beide Laserstrahlen unabhängig von der Bewegungsrichtung im Wesentlichen auf denselben Punkt der Aufbau- und Fügezone gerichtet werden können. Zum anderen wird dank der ringförmigen Anordnung nicht nur ein kontrolliertes lokales Vorwärmen des zu schmelzenden oder zu sinternden Bauteilwerkstoffes durch den dem ersten Laserstrahl vorlaufenden Bereich des zweiten Laserstrahls sichergestellt, sondern auch ein kontrolliertes lokales Abkühlen durch den dem ersten Laserstrahl nachlaufenden Bereich des zweiten Laserstrahls, wodurch eine Heißrissbildung sicher verhindert werden kann.
  • Bevorzugt weist bzw. weisen der erste Laserstrahl und/oder der zweite Laserstrahl eine Wellenlänge im Infrarotbereich aufweist.
  • Der zweite Laserstrahl hat vorteilhaft eine geringere Strahlungsintensität als der erste Laserstrahl, um entsprechend ein Intensitätsgefälle von innen nach außen zu erzielen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl über eine einzelne optische Einheit auf den Bauteilwerkstoff gerichtet. Dies ist zum einen dahingehend von Vorteil, dass eine zusätzliche optische Einheit für den Vorwärmlaser entfällt, wodurch die Kosten reduziert werden. Zum anderen wird aber auch die steuerungstechnische Abstimmung der Bewegungen des Laserstrahls des Bearbeitungslasers und des Laserstrahls des Vorheizlasers deutlich erleichtert.
  • Bevorzugt werden der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl über einen halbdurchlässigen Strahlteiler der optischen Einheit gemeinsam zugeführt. Auf diese Weise wird ein sehr kompakter Aufbau der entsprechenden Vorrichtung ermöglicht.
  • Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich bei dem Bauteilwerkstoff um eine schwer schweißbare Legierung, insbesondere um eine aushärtende Nickel-Basis-Superlegierung, insbesondere mit einem hohen Anteil an γ'-Ausscheidungen. Bei derartigen Bauteilwerkstoffen wirken sich die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einhergehenden Vorteile besonders deutlich aus.
  • Das fertiggestellte Bauteil kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens optional einer thermischen Nachbehandlung unterzogen werden, beispielsweise einem HIP-Prozess, um kleinere Defekte im Bauteil zu beseitigen.
  • Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ferner eine Vorrichtung zur generativen Herstellung eines Bauteils, umfassend eine Bauteilplattform, eine Pulverbeschickungseinrichtung, einen Bearbeitungslaser, einen Vorheizlaser und eine gemeinsame optische Einheit für den Bearbeitungslaser und den Vorheizlaser, wobei die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist ein halbdurchlässiger Strahlteiler zwischen dem Bearbeitungslaser und dem Vorheizlaser einerseits und der optischen Einheit andererseits angeordnet, über den die beiden Laserstrahlen gemeinsam der optischen Einheit zugeführt werden.
  • Die optische Einheit weist bevorzugt zumindest einen Scanner und eine F-Theta-Optik auf.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform einer Vorrichtung bzw. eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
    • 1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 2 eine schematische Draufsicht zweier Laserstrahlen, die unter Einsatz der in 1 dargestellten Vorrichtung erzeugt werden, und
    • 3 eine schematische Ansicht der Strahlintensitäten der in 2 dargestellten Laserstrahlen.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zur generativen Herstellung eines Bauteils 2 oder eines Bauteilabschnitts dient. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Bauteilplattform 3, die innerhalb einer Fertigungskammer 4 auf- und abwärts in Z-Richtung bewegbar ist. Ferner ist eine Pulverbeschickungseinrichtung 5 vorgesehen. Diese umfasst eine Pulvervorratskammer 6 zur Aufnahme von pulverförmigem Bauteilwerkstoff 7, einen Pulverzuführkolben 8, der innerhalb der Pulvervorratskammer 6 auf- und abwärts in Z-Richtung bewegbar ist, und ein Rakel 9, das in Y-Richtung hin und her bewegbar und dazu ausgelegt ist, in der Pulvervorratskammer 6 enthaltenen Bauteilwerkstoff zur Fertigungskammer 4 zu transportieren und im Bereich einer Aufbau- und Fügezone 10 der Fertigungskammer 4 mit einer vorbestimmten Schichtstärke gleichmäßig zu verteilen. Ferner weist die Vorrichtung 1 einen Bearbeitungslaser 11, einen Vorheizlaser 12 und eine gemeinsame optische Einheit 13 für den Bearbeitungslaser 11 und den Vorheizlaser 12 auf. Bei dem Bearbeitungslaser 11 und bei dem Vorheizlaser 12 handelt es sich jeweils um solche Laser, die Laserstrahlen 14 und 15 mit Wellenlängen im Infrarotbereich emittieren, wie beispielsweise Nd-Yag-Laser oder dergleichen. Die optische Einheit 13 umfasst einen Scanner 16 und eine F-Theta-Optik 17. Zwischen dem Bearbeitungslaser 11 und dem Vorheizlaser 12 einerseits und der optischen Einheit 13 andererseits ist ein halbdurchlässiger Strahlteiler 18 angeordnet, der den Laserstrahl 14 des Bearbeitungslasers 11 und den Laserstrahl 13 des Vorheizlasers 12 gemeinsam zur optischen Einheit 13 lenkt, von wo aus die Laserstrahlen 14 und 15 über den Scanner 16 und die F-Theta-Optik 17 basierend auf Schichtinformationen einer herzustellenden Bauteilschicht, die normalerweise aus einem 3D-CAD-Körper mittels Software generiert werden, auf die Aufbau- und Fügezone 10 gerichtet werden können.
  • Zur Herstellung eines Bauteils oder eines Bauteilabschnitts unter Einsatz der Vorrichtung 1 wird die Bauteilplattform in einem ersten Schritt in eine Position bewegt, die um ein Maß unterhalb der Aufbau- und Fügezone 10 liegt, das der Schichtstärke der nachfolgend zu generierenden Bauteilschicht entspricht, wobei die Schichtstärke normalerweise in einem Bereich zwischen 15 und 500 µm liegt. Der Pulverzuführkolben 7 wird um ein analoges Maß oberhalb der Aufbau- und Fügezone 10 positioniert. Daraufhin wird das Rakel 9 ausgehend von der in 1 ganz links in gestrichelten Linien dargestellten Position in die ganz rechte, ebenfalls gestrichelt dargestellte Position verfahren, so dass eine Schicht des pulverförmigen Bauteilwerkstoffes gleichmäßig auf der Bauteilplattform 3 verteilt wird. Anschließend wird diese Schicht im Bereich der Aufbau- und Fügezone 10 lokal verschmolzen. Hierzu werden die Laserstrahlen 14 und 15 auf den Strahlteiler 18 derart gerichtet, dass der im Querschnitt kreisförmige Lasterstrahl 14 des Bearbeitungslasers 11 ringförmig von dem Laserstrahl 15 des Vorheizlasers 12 umgeben ist, wie es in 2 schematisch dargestellt ist. Dies wird vorliegend erreicht, indem der Bearbeitungslaser 11 im Gauss-Modus und der Vorheizlaser 12 im Donat- oder Bagelmodus betrieben werden. Die Strahlungsintensität des Laserstrahls 14 des Bearbeitungslasers 11 ist dabei wesentlich höher als die des Laserstrahls 15 des Vorheizlasers 12, wie es in 3 schematisch gezeigt ist.
  • Die Laserstrahlen 14 und 15 werden ausgehend von dem Strahlteiler 18 gemeinsam zur optischen Einheit 13 gelenkt, von wo sie über den Scanner 16 und die Theta-Optik 17 auf die Aufbau- und Fügezone 10 gerichtet werden. Die gemeinsame Bewegung der Laserstrahlen 14 und 15 relativ zur Aufbau- und Fügezone 10 wird dabei in Abhängigkeit einer Schichtinformation der jeweils herzustellenden Bauteilschicht gesteuert, die normalerweise aus einem 3D-CAD-Körper mittels Software generiert wird. Dank der ringförmigen Anordnung des Laserstrahls 15 des Vorheizlasers 12 um den Laserstrahl 14 des Bearbeitungslasers heizt der Laserstrahl 15 das letztendlich durch den Laserstrahl 14 zu verschmelzende Pulver nicht nur vor sondern auch nach, da der Laserstrahl 15 dem Laserstrahl 14 sowohl vor- als auch nachläuft. Entsprechend wird hohen Temperaturgradienten während des Verschmelzens und damit einer Heißrissbildung effektiv entgegengewirkt, wobei die Strahlungsintensitäten des Laserstrahlen 14 und 15 unabhängig voneinander gewählt und somit optimal an den zu verarbeitenden Bauteilwerkstoff und die zu fertigende Schichtstärke angepasst werden können. Somit ist auch die Bearbeitung schwer schweißbarer Bauteilwerkstoffe möglich, wie die Bearbeitung einer γ' aushärtenden Nickel-Basis-Superlegierung, insbesondere mit einem hohen Anteil an γ'-Ausscheidungen, um nur ein Beispiel zu nennen. Zur Fertigung der nächsten und darauffolgenden Schichten wird die Bauteilplattform 3 jeweils erneut um eine Schichtstärke abgesenkt, pulverförmiger Bauteilwerkstoff 7 aufgetragen und selektiv verschmolzen.
  • Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht zum einen in der zuvor beschriebenen Vermeidung einer Heißrissbildung dank der flexibel einstellbaren sowie lokalen Vorheizung und kontrollierten Abkühlung des zu verschmelzenden bzw. verschmolzenen Pulvers. Zum anderen ist aber auch der apparative Aufbau einfach, da der Bearbeitungslaser 11 und der Vorheizlaser 12 die optische Einheit 13 ebenso wie den Strahlteiler 18 gemeinsam nutzen, was zu vergleichsweise geringen Kosten und einem geringen Platzbedarf führt. Darüber hinaus ist auch die Abstimmungen der Bewegungen der Laserstrahlen 14 und 15 unproblematisch, da auch die Steuerung der Bewegungen stets gemeinsam über die optische Einheit 13 erfolgt.
  • Das fertiggestellte Bauteil kann einer thermischen Nachbehandlung unterzogen werden, wie beispielsweise einem HIP-Prozess, wobei eine solche Nachbehandlung optional ist.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102014108081 A1 [0007]

Claims (10)

  1. Verfahren zur generativen Herstellung eines Bauteils (2) oder eines Bauteilabschnitts, das die Schritte aufweist: a) Auftragen einer Schicht eines pulverförmigen Bauteilwerkstoffs (7) auf eine Bauteilplattform (3) im Bereich einer Aufbau- und Fügezone (10), b) Lokales Verschmelzen oder Versintern des aufgetragenen Bauteilwerkstoffs (7) im Bereich der Aufbau- und Fügezone (10) unter Verwendung eines ersten Laserstrahls (14) eines Bearbeitungslasers (11) unter Vorheizung des zu verschmelzenden oder zu versinternden Bauteilwerkstoffs und c) Wiederholen der Schritte a) und b) bis zur Fertigstellung des Bauteils (2) oder des Bauteilabschnitts, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorheizen in Schritt d) unter Verwendung eines zweiten Laserstrahls (15) eines Vorheizlasers (12) erfolgt, der den ersten Laserstrahl (14) des Bearbeitungslasers (11) ringförmig umgibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (14) und/oder der zweite Laserstrahl (15) eine Wellenlänge im Infrarotbereich aufweist/aufweisen.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl (15) einer geringere Strahlungsintensität als der erste Laserstrahl (14) aufweist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (14) und der zweite Laserstrahl (15) über eine einzelne optische Einheit (13) auf den Bauteilwerkstoff (7) gerichtet werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (14) und der zweite Laserstrahl (15) über einen halbdurchlässigen Strahlteiler (18) der optischen Einheit (13) gemeinsam zugeführt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bauteilwerkstoff (7) um eine schwer schweißbare Legierung handelt, insbesondere um eine γ' aushärtende Nickel-Basis-Superlegierung, insbesondere mit einem hohen Anteil an γ'-Ausscheidungen.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das fertiggestellte Bauteil (2) einer thermischen Nachbehandlung unterzogen wird.
  8. Vorrichtung (1) zur generativen Herstellung eines Bauteils (2), umfassend eine Bauteilplattform (3), eine Pulverbeschickungseinrichtung (5), einen Bearbeitungslaser (11), einen Vorheizlaser (12) und eine gemeinsame optische Einheit (13) für den Bearbeitungslaser (11) und den Vorheizlaser (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
  9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein halbdurchlässiger Strahlteiler (17) zwischen dem Bearbeitungslaser (11) und dem Vorheizlaser (12) einerseits und der optischen Einheit (13) andererseits angeordnet ist.
  10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit (13) einen Scanner (16) und eine F-Theta-Optik (17) aufweist.
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