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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Hohlräumen, Porosität oder Kühlkanälen in einer schichtweise bzw. additiv herzustellenden Struktur für ein Bauteil. Weiterhin werden ein entsprechend hergestelltes Bauteil und eine entsprechende Vorrichtung angegeben.
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Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine, wie einer stationären Gasturbine, vorgesehen. Besonders bevorzugt betrifft die Bauteilstruktur eine Komponente einer Brennkammer wie ein Resonatorbauteil oder ein anderes heißgasbeaufschlagtes Teil. Alternativ kann es sich bei dem Bauteil um ein anderes kühlbares oder teilweise poröses Bauteil handeln, beispielsweise eines, das für den Einsatz in der Automobilität oder im Luftfahrtsektor Anwendung findet.
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Vorzugsweise ist das Bauteil eine zu kühlende Komponente, beispielsweise kühlbar über eine Fluidkühlung. Dazu weist das Bauteil vorzugsweise eine maßgeschneiderte Durchlässigkeit oder Permeabilität für ein entsprechendes Kühlfluid, beispielsweise Kühlluft, auf.
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Moderne Gasturbinen sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um ihre Effizienz zu steigern. Dies führt allerdings unter anderem zu immer höheren Temperaturen im Heißgaspfad. Die metallischen Materialien für Laufschaufeln, insbesondere in den ersten Stufen, werden ständig hinsichtlich ihrer Festigkeit bei hohen Temperaturen, Kriechbelastung und thermomechanischer Ermüdung, verbessert.
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Die generative oder additive Fertigung gewinnt aufgrund ihres für die Industrie disruptiven Potenzials zunehmend an Bedeutung für die Serienherstellung der oben genannten Turbinenkomponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten.
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Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM).
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Weitere additive Verfahren sind beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED)“-Verfahren, insbesondere Laserauftragschweißen, Elektronenstrahl-, oder Plasma-Pulverschweißen, Drahtschweißen, metallischer Pulverspritzguss, sogenannte „sheet lamination“-Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS, GDCS).
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Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additive manufacturing“) haben sich allgemein als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann.
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Eine CAD-Datei oder ein Computerprogrammprodukt, kann beispielsweise als (flüchtiges oder nicht-flüchtiges) Speichermedium, wie z.B. eine Speicherkarte, ein USB-Stick, eine CD-ROM oder DVD, oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server und/oder in einem Netzwerk bereitgestellt oder umfasst werden.
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Die Herstellung von Gasturbinenschaufeln mittels der beschriebenen pulverbett-basierten Verfahren (LPBF englisch für „Laser Powder Bed Fusion“) ermöglicht vorteilhaft die Implementierung von neuen Geometrien, Konzepten, Lösungen und/oder Design, welche die Herstellungskosten bzw. die Aufbau- und Durchlaufzeit reduzieren, den Herstellungsprozess optimieren und beispielsweise eine thermo-mechanische Auslegung oder Strapazierfähigkeit der Komponenten verbessern können.
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Auf konventionelle Art, beispielsweise gusstechnisch, hergestellte Heißgaskomponenten, stehen der additiven Fertigungsroute beispielsweise hinsichtlich ihrer Designfreiheit und auch in Bezug auf die erforderliche Durchlaufzeit und den damit verbundenen hohen Kosten sowie dem fertigungstechnischen Aufwand deutlich nach.
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In den LPBF-Prozessen ist es durch Bestrahlungsselektion und/oder Parametervariationen bereits grundsätzlich möglich, poröse Strukturen oder Hohlraumstrukturen zu erzeugen. Solche Poren oder Kavitäten sind in ihrer Größe durch eine Parametervariation jedoch zufällig verteilt und kaum beeinflussbar.
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Weiterhin können Poren, Kavitäten oder Kanäle im CAD-Modell konstruiert und anschließend drucktechnisch oder herstellungstechnisch umgesetzt werden. Werden die Poren oder Kanäle im CAD-Modell vorgesehen, müssen sie jedoch eine Mindestgröße aufweisen, damit sie durch die Herstellungsanlage oder den entsprechenden 3D-Drucker realisiert werden können. Auch das Material muss eine Mindestwandstärke haben, damit es von der Maschine generiert werden kann. Deshalb sind dünnwandigen Strukturen nur bis zu einer Mindestgröße „druckbar“. Außerdem können sich generierte Poren durch diese Mindestgröße bei der nächsten Schichtüberdeckung direkt mit neuem Pulver zusetzen. Des Weiteren lassen sich durch das Freilassen von Schmelzbahnen Freistellen nur ungenau erzeugen, da die geometrischen Abmessungen der Schmelzbäder sich trotz gleicher Parameter deutlich unterscheiden können und - abhängig von der Bauteilgeometrie - einer natürlichen Schwankung in ihrer Breite sowie Höhe von mindestens ± 5 µm unterliegen können.
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Derzeit erfordert der Aufbauprozess von Komponenten mit Poren, Kavitäten und Kühlkanälen abschließend eine aufwändige Entpulverung.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten durch Bestrahlung mit Laserstrahlung mit Hilfe eines Lasers, wobei bei jeder Schicht nach dem Bestrahlen durch den Laser zumindest eine Randbereichsoberfläche der jeweiligen Schicht mit einem Ultrakurzpulslaser bestrahlt wird, ist beispielsweise bekannt aus
EP 3 022 008 B1 .
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen technischen Probleme zu lösen. Insbesondere soll eine verbesserte Möglichkeit des dosierten Materialabtrags während des additiven Aufbaus eines Bauteils angegeben werden, um Hohlräume gezielt zu konfektionieren.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Hohlräumen, Porosität oder Kühlkanälen in einer schichtweise bzw. additiv herzustellenden Struktur für das Bauteil. Vorzugsweise wird die Bauteilstruktur mittels selektivem Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen hergestellt.
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Das Verfahren umfasst das Bearbeiten von Material für die Struktur während des schichtweisen Aufbaus derselben mit einem Kurzpulslaser, vorzugsweise Ultrakurzpulslaser, wobei Material (subtraktiv) abgetragen oder verdampft wird, vorzugsweise, um die Hohlräume oder Kavitäten gemäß einer vorbestimmten Geometrie oder Porosität in der Struktur herzustellen.
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Gemäß dem additiven schichtweisen Herstellungsprozess kann der Abtrag auf pulverförmiges Material als auch bereits verfestigtes Vollmaterial der Struktur des Bauteils betreffen. Gleichwohl kann sich der Abtrag beides, d.h. beispielsweise mit einer neuen Pulverschicht beschichtetes Vollmaterial, beziehen.
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Bei Ultrakurzpulslasern reicht der Pulsbetrieb bzw. eine Pulsation oder Pulsdauer üblicherweise in den Bereich von Pikosekunden oder Femtosekunden hinein. Demgegenüber könnte ein beispielsweise standardmäßig für das selektive Bestrahlen in der additiven Herstellung herangezogener Festkörper- oder Faserlaser im modengekoppelten oder gepulsten Betrieb grundsätzlich ebenfalls Pulsdauern bis nahe an den Femtosekundenbereich erreichen.
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Durch die vorgeschlagenen Mittel ist es insbesondere möglich, feinste Strukturen besonders hoher Genauigkeit herzustellen, oder zu bearbeiten. Die Anwendung von ultrakurzen Laserpulsen erlaubt die Bestrahlung mit Laserfoki von weniger als 50 µm im Durchmesser. Dies bewirkt mit Vorteil, dass das exponierte Material so schnell und stark erhitzt wird, dass dieses, ohne zunächst in ein Schmelzbad überzugehen, in eine Plasmaphase übergeht bzw. verdampft. Vorzugsweise bildet sich noch nicht einmal eine Wärmeeinflusszone um den Laserfokus herum. Mangels messbaren Wärmeaustausches mit dem umgebenden Pulver entstehen folglich auch keine Heißrisse, Thermospannungen und auch keine sonstigen nachteiligen Herstellungsartefakte, wie Oberflächenrauheit, welche konventionell dadurch entsteht, dass Pulverpartikel in ein Schmelzbad hineingezogen werden, und so verfestigen. Weiterhin kann mit Vorteil verhindert werden, dass kleine Kavitäten bei einem erneutem Pulverauftrag aufwendig von Pulver befreit werden müssen.
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In einer Ausgestaltung wird die Struktur für das Bauteil durch ein pulverbett-basiertes Verfahren, insbesondere selektives Lasersintern, selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen aufgebaut.
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In einer Ausgestaltung wird die Struktur für das Bauteil durch selektives Laserschmelzen aufgebaut, wobei der Ultrakurzpulslaser von einem Schmelzlaser für das selektive Laserschmelzen verschieden ist. Vorzugsweise ist der Ultrakurzpulslaser für die Anwendung von noch kürzeren Laserpulsen, wie Femtosekunden-Laserpulsen (siehe oben), eingerichtet.
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In einer Ausgestaltung wird ein Energieeintrag, beispielsweise eine Bestrahlungsleistung, des Ultrakurzpulslasers in das Material derart gewählt, dass das Material durch direktes oder unmittelbares Verdampfen abgetragen wird. Wie oben angedeutet kann dadurch vorteilhaft die Entstehung eines regelrechten Schmelzbades und einer Wärmeeinflusszone verhindert werden. So kann auch die Entstehung von übergebührender Oberflächenrauheit und Heißrissen vorteilhaft verhindert werden.
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In einer Ausgestaltung wird das Material bearbeitet, ohne dass ein regelrechtes Schmelzbad, eine flüssige Materialphase, oder auch nur eine Wärmeeinflusszone in dem Material entsteht.
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In einer Ausgestaltung wird der Abtrag von Material durch den Ultrakurzpulslaser entlang einer Schichtnormalen, üblicherweise der vertikalen Aufbaurichtung des Prozesses, größer bemessen als eine Schichtdicke von neu aufzutragendem Material bzw. Pulver. Denn, ist der Abtrag geringer als eine neue Schichtbreite, so würde die neue Schicht die durch den Abtrag entstandene Kavität komplett wieder verschließen. Die Einstellung der Abtragstiefe des Ultrakurzpulslasers lässt sich beispielsweise über eine Belichtungsdauer oder Pulsdauer bzw. die Laserintensität oder Laserleistung einstellen.
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In einer Ausgestaltung werden die Hohlräume oder Poren mit Abmessungen hergestellt, die kleiner sind als ein beispielsweise geringster, mittlerer oder Median-Durchmesser von Pulverpartikeln oder einer Pulverfraktion des Materials. Somit geraten auch bei einem erneuten Pulverauftrag mit Vorteil keine neuen Partikel in den entstandenen kleinen Hohlraum. Auf eine aufwendige Entpulverung desselben kann demgemäß mit Vorteil verzichtet werden.
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In einer Ausgestaltung werden die Hohlräume oder Poren dazu mit Abmessungen im Mikrometerbereich, vorzugsweise kleiner als 50 µm, besonders bevorzugt kleiner als 20 µm hergestellt.
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In einer Ausgestaltung wird das Material in übereinander folgenden Schichten an der gleichen oder einer nur geringfügig versetzten (lateralen) Schichtposition abgetragen, um Hohlräume oder Hohlkanäle (zumindest teilweise oder in Projektion) entlang einer Aufbaurichtung der Struktur zu bilden. Auch diese Kanäle müssen vorteilhafterweise nachträglich nicht unbedingt von Pulver befreit werden, wenn die Abmessungen klein genug sind (siehe oben), um zu verhindern, dass sich Pulver überhaupt darin absetzt. Durch diese Ausgestaltung können Kühlkavitäten mit Vorteil vertikal oder auch schräg oder diagonal in verschiedenen Winkeln, die Bauteilstruktur durchziehend, ausgestaltet werden. Demgemäß kann die genannte geringfügige Versetzung ein Maß bezeichnen, das nachträglich noch eine fluidische Kommunikation in den einzelnen Schichten der Struktur gewährleistet.
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In einer Ausgestaltung wird das Material innerhalb einer (zu verfestigenden) Schicht abgetragen, um Hohlkanäle innerhalb dieser Schicht, beispielsweise in der Schichtebene, der Struktur zu bilden. Diese Hohlkanäle können natürlich auch eine Mehrzahl von fluidisch getrennten oder verbundenen Kanälen betreffen. Auch gemäß dieser Ausgestaltung ist der Materialabtrag natürlich vorzugsweise vorbestimmt bzw. im Vorfeld - durch eine CAD-Datei und/oder Steuerungsanweisungen der Herstellungsanlage - festgelegt.
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In einer Ausgestaltung wird der Ultrakurzpulslaser (zusätzlich) verwendet, um eine Oberflächenrauheit der Hohlräume zu reduzieren und/oder eine Oberfläche der Hohlräume oder Kavitäten (gezielt) zu strukturieren.
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In einer Ausgestaltung wird durch den Ultrakurzpulslaser ausschließlich bereits verfestigtes Material, beispielsweise nachträglich, im Anschluss an eine erfolgte selektive Bestrahlung des Materials, durchgeführt, um die Hohlräume in der Struktur herzustellen. Gemäß dieser Ausgestaltung erfolgt der Abtrag dann zweckmäßig auch vor einer erneuten Pulverbeschichtung.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil, welches gemäß dem oder mithilfe des beschriebenen Verfahrens hergestellt oder herstellbar ist, wobei die Hohlräume in der Struktur des Bauteils entlang eine Dimension eine Abmessung haben, die kleiner ist als ein geringster oder mittlerer Durchmesser von Pulverpartikeln der entsprechenden Fraktion des Materials.
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In einer Ausgestaltung ist eine Wandstärke von Strukturen des Bauteils kleiner als ein während des Herstellungsprozesses entstehendes Schmelzbad zum Aufbau der entsprechenden Struktur, beispielsweise in lateraler Dimension. Gemäß dieser Ausgestaltung kann mit Vorteil auch das Design des Bauteils filigraner ausgestaltet werden.
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In einer Ausgestaltung weist das Bauteil eine Gitterstruktur, beispielsweise mit Gitterstreben gemäß der Dimension der oben beschriebenen Wandstruktur, auf, wobei die Kühlkanäle beispielsweise schräg oder diagonal durch das Bauteil verlaufen können.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils, umfassend eine Bestrahlungseinrichtung zum selektiven Verfestigen des, vorzugsweise pulverförmigen, Materials für das Bauteil, sowie eine Steuerung und eine Strahlquelle zum Anwenden eines Ultrakurzpulslaser zum Abtragen des Materials, wie oben beschrieben. Unter Umständen kann die Bestrahlungseinrichtung, beispielsweise über den Arbeitslaser im LPBF-Prozess, welcher ausgelegt sein kann, ebenfalls ultrakurze Laserpulse zu erzeugen, zusätzlich für den vorliegend beschriebenen Materialabtrag genutzt werden.
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Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf das Verfahren bzw. das Bauteil beziehen, können ferner die Vorrichtung betreffen, und umgekehrt.
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Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
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1 deutet schematisch das Arbeitsprinzip eines pulverbettbasierten additiven Herstellungsverfahrens an.
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Die 2 und 3 deuten schematisch und qualitativ technische Aspekte bei der Entstehung von Hohlräumen während des Prozesses an.
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In den 4 fortfolgende wird ein erfindungsgemäßes Verfahren sowie ein entsprechend hergestelltes Bauteil beschrieben. Insbesondere zeigt 4 eine schematische Schnittansicht eines Bauteils, in deren Struktur mithilfe eines Ultrakurzpulslasers Material abgetragen wurde.
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5 deutet ähnlich zur 4 und nachfolgend an den beschriebenen Materialabtrag eine Pulverbeschichtung an.
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6 deutet weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, insbesondere zu dem Verfahren zum Herstellen von Hohlräumen, als auch zu der Anordnung von Kühlkanälen in der Bauteilstruktur an.
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Die 7 bis 9 deuten weitere Einzelheiten des beschriebenen Verfahrens und des so gewonnenen Bauteils an.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer additiven Herstellungsanlage oder Vorrichtung 100, an der qualitativ das Prinzip pulverbettbasierter additiver Herstellungsverfahren angedeutet ist. Die Anlage 100 ist vorzugsweise zum schichtweisen additiven Aufbau eines Bauteils 10 durch selektives Lasersintern, selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen eingerichtet.
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Dementsprechend weist die Anlage eine absenkbare Bauplattform 1 auf. Die Bauplattform 1 wird sukzessive und schichtweise mit einem, vorzugsweise pulverförmigen, Ausgangsmaterial P beschichtet. Diese erfolgt mittels einer horizontal beweglichen Beschichtungseinrichtung 3. Nachdem jeweils eine Schicht mit Schichtdicke L selektiv entsprechend der gewünschten Bauteilgeometrie durch einen Energiestrahl, beispielsweise einen Laser oder Elektronenstrahl, exponiert wurde, wird vorzugsweise eine neue Pulverlage mittels der Beschichtungseinrichtung 3 aufgetragen.
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Das selektive Bestrahlen erfolgt mittels einer Bestrahlungseinrichtung 2. Die Bestrahlungseinrichtung 2 weist weiterhin eine Steuerung 4 zum Ansteuern der Bestrahlungseinrichtung 2 auf. Alternativ kann die Bestrahlungseinrichtung 2 mit der Steuerung verschaltet und/oder an diese gekoppelt sein. Zum Aufschmelzen des Pulvers P entsteht am Auftreffpunkt des Lasers ein mit dem Bezugszeichen M angedeutetes (flüssiges) Schmelzbad sowie eine dieses umgebende Wärmeeinflusszone W, in der weiterhin entweder teilflüssige Phasen vorliegen und/oder das Material immer noch besonders anfällig für Heißrisse oder andere Defekte ist.
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Die Bestrahlungseinrichtung 2 ist üblicherweise mit einer Strahlquelle zum Aussenden eines Energiestrahls B1, insbesondere eines Arbeitslasers, für das selektive Aufschweißen der Struktur für das Bauteil 10 ausgerüstet. Konventionelle laserbasierte additive Fertigungsanlagen arbeiten normalerweise mit Festkörper- oder Faserlasern, beispielsweise mit Erbium oder Ytterbium als Dotierungselement für den laseraktiven Faserkern. Mit solchen Laserquellen lassen sich unter Umständen auch sehr kurze oder ultrakurze Laserpulse erreichen, insbesondere bei einer entsprechenden Einrichtung zur Modenkopplung (nicht explizit gekennzeichnet), oder dergleichen. Zusätzlich zu dem Laserstrahl B1 ist die Bestrahlungseinrichtung 2 vorzugsweise mit einer zweiten Strahlquelle zur Aussendung ultrakurzer Laserpulse (vergleiche gestrichelte Strahl B2 in 1) ausgerüstet. Der ultrakurz gepulste Laserstrahl B2 ist vorzugsweise eingerichtet, gepulste Laserstrahlung mit Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden und Femtosekunden auszusenden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieser Laserstrahl B2 zu Materialbearbeitung, genauer zum dosierten oder konfektionierten Abtrag von Material eingesetzt, insbesondere um maßgeschneidert, kleine Hohlräume, Poren, Kavitäten oder Kühlkanäle in der Struktur des Bauteils 10 zu generieren.
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Anders als von der 1 suggeriert, kann die technische Lösung der vorliegenden Erfindung auch mittels einer einzigen Strahlquelle umgesetzt werden, nämlich dann, wenn ein und derselbe Laser beispielsweise im kontinuierlichen Betrieb als Arbeitslaser und im ultrakurz gepulsten Betrieb zum seriellen Materialabtrag genutzt wird.
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Vorzugsweise wird der Laserstrahl B2 jedoch von einer von der Strahlquelle zur Emission des Laserstrahls B1 verschiedenen Strahlquelle (nicht explizit gekennzeichnet) ausgesendet.
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Das Bauteil 10 ist vorzugsweise eine kühlbare und im Betrieb zu kühlende Komponente des Heißgaspfades einer Strömungsmaschine, wie eine Turbinenschaufel, Hitzeschildkomponente einer Brennkammer und/oder eine Resonatorkomponente, beispielsweise ein Helmholtz-Resonator.
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Alternativ kann es sich bei dem Bauteil 10 um ein Ringsegment, ein Brennerteil oder eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, eine Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Stempel oder einen Wirbler handeln, oder einen entsprechenden Übergang, Einsatz, oder ein entsprechendes Nachrüstteil.
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2 zeigt schematisch und lediglich qualitativ eine Querschnittsansicht eines Schichtstapels einer additiv aufgebauten Struktur für das Bauteil 10, wobei in der oberste Lage oder Schicht des Materials noch eine (ovale) Kontur von Schweißraupen, erkennbar ist; diese Schicht also noch nicht durch eine nachfolgende Bestrahlung über mehrere Schichtdicken hinweg umgeschmolzen wurde.
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Mit dem Bezugszeichen 11 ist eine, beispielsweise durch Parametervariation entstandene, Freistelle bzw. eine Kavität oder ein entsprechender Hohlraum 11 entstanden.
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Wie anhand der 3 verdeutlicht, neigen solche Poren dazu, sich im Wege einer nachfolgenden Pulverbeschichtung (zwangsläufig) mit neuem Pulver P zuzusetzen. Mit anderen Worten füllen Pulverpartikel solche Poren auf, die normalerweise Mindestgrößen oberhalb der gängigen und mittleren Pulverdurchmesser haben. Damit könnte zwar ein entsprechender Schichtdefekt teilweise kompensiert werden. Prozessinhärent ist es dann aber unmöglich, maßgeschneiderte Poren in einer additiv aufzubauenden Struktur für das Bauteil 10 einzubringen.
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4 deutet ähnlich zu den Darstellungen der 2 und 3 einen Teil einer Schichtstruktur für ein Bauteil 10 an. Mit dem Bezugszeichen B2 wird hier, wie oben angedeutet, ein ultrakurzer Laserpuls angedeutet, welcher zur Materialbearbeitung, insbesondere zum dosierten Abtrag von Material aus der Schicht verwendet wird. Insbesondere können durch diese erfindungsgemäße Maßnahme Hohlräume 11 einer bestimmten (maßgeschneiderten) Geometrie in der Struktur des Bauteils 10 gebildet werden.
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Zweckmäßigerweise wird ein Energieeintrag, beispielsweise kontrolliert über die Parameter der Belichtungs- und Pulsdauer, die zeitliche und räumliche Strahlungs- oder Energiedichte bzw. die Laserintensität des Ultrakurzpulslasers B2 in das Material derart gewählt, dass das Material durch unmittelbares und direktes Verdampfen abgetragen wird. Dies, vorzugsweise ohne, dass ein regelrechtes Schmelzbad (wie anhand von Bezugszeichen M in 1 dargestellt) in dem Material entsteht.
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Weiterhin ist in den 4 fortfolgende zu erkennen, dass die Tiefe t des Materialabtrags (vgl. auch 5) oder Porentiefe von Material durch den Ultrakurzpulslaser B2 entlang einer Schichtnormalen oder vertikalen Aufbaurichtung z (vergleiche 6 weiter unten) größer bemessen wird als eine Schicht oder Schichtdicke L von aufzutragendem Material. Wäre der Abtrag hingegen geringer als eine Schichtbreite und der Schichtdicke L, so würde eine neu aufzutragende Schicht die entstandene Kavität komplett wieder verschließen.
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5 deutet im Querschnitt eine Situation an, in der die Schicht, in welcher der Laserpuls B2 den Abtrag bewirkt hat, im Wege der additiven Herstellung des Bauteils 10 mit einer neuen Lage Pulver P beschichtet wurde. Die Rohmaterial-Pulverfraktionen unterliegen natürlich einer gewissen Schwankung in den Pulverdurchmessern, was auch in der Darstellung der 5 angedeutet ist. Weiterhin ist im oberen Bereich der Darstellung zu erkennen, dass die Hohlräume 11 oder Poren mit Abmessungen d2 hergestellt werden, die kleiner sind als ein mittlerer und/oder geringster Durchmesser d1 von Pulverpartikeln der entsprechenden Rohpulverfraktion des Materials. Diese laterale Abmessung des Materialabtrags bzw. diejenigen der Poren bewirkt mit Vorteil, dass bei einem erneuten Pulverauftrag keine neuen Pulverpartikel in die entstandene Pore eindringen können. Eine aufwändige Entpulverung dieser Kavitäten entfällt somit. Das Maß d2 wird dazu vorzugsweise - über den Pulsbetrieb des Lasers B2 - kleiner als 100 µm, besonders bevorzugt kleiner als 50 µm, insbesondere kleiner als 20 µm, gewählt.
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6 zeigt in einer zu den 4 und 5 ähnlichen Querschnittsdarstellung ein Bauteil 10 bzw. einen Teil davon, bei dem durch das vorliegend beschriebene Verfahren ganze Hohlkanäle 11, beispielsweise zur Kühlung des Bauteils im Betrieb eingebracht wurden. In den oberen Schichten sind wieder oval angedeutete Schweißraupen zu erkennen, so wie - über mindestens drei Schichten hinweg - erfindungsgemäße Hohlkanäle. Schichtweise können diese Kanäle 11 durch versetzt eingebrachte Laserpulse mit einem Versatz v versehen werden, um beispielsweise einen Kühlkanal, welcher sich ansonsten vertikal durch das Bauteil 10 erstrecken würde, leicht schräg oder diagonal verlaufen zu lassen.
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Der rechts oben gezeigte Kühlkanal 11 ist hingegen derart schichtweise durch den Materialabtrag des Ultrakurzpulslaser B2 eingebracht worden, dass er vertikal und parallel zur Aufbaurichtung des Bauteils 10 verläuft.
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Werden die Kanäle 11 aber (wie links zu sehen) versetzt aufgebaut, werden die vom Ultrakurzpulslaser B2 generierten Freiräume teilweise wieder zugeschmolzen. Denn, in neu aufgeschmolzenen Schichten entsteht auch immer ein Schmelzbad, welches bekannterweise nicht formstabil ist und maßgeblich die geometrische Auflösung der erzielten Strukturen limitiert. Deshalb muss der genannte Versatz v so gestaltet werden, dass die verbleibenden Freiräume dennoch fluidisch verbunden bleiben und einen Kanal bilden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass einzelne oder mehrere Kanäle teilweise oder vollständig innerhalb einer Schicht L eingebracht werden, indem dort entsprechend nur in der einen Schicht Material abgetragen wird. Die Situation ist im unteren Teil der Darstellung der 6 durch die runden Kreise angedeutet, welche illustrieren sollen, dass ein entsprechender Kühlkanal in die Darstellungsebene hinein verläuft. Unten rechts in dem dargestellten Bauteil 10 ist durch die gestrichelten Linien noch ein schräger und diagonaler Kühlverlauf angedeutet.
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Für den Fachmann ist ersichtlich, dass die Geometrie der so geformten Kühlkanäle 11 natürlich auf einfache Weise durch eine Steuerung des Arbeitslasers und des Ultrakurzpulslaser B2 gemäß der individuellen Designanforderungen des Bauteils 10 konfektioniert werden kann. Insbesondere kann die Dichte der Kanäle an eine entsprechende Kühlleistung, welche ein bestimmungsgemäßer Betrieb des Bauteils erfordert, angepasst werden.
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Mit anderen Worten können die Kanäle 11 in allen Koordinaten- oder Raumrichtungen aufgebaut werden. Dabei können sie in einer Ebene (x-, y-Richtung) als auch über mehrere Ebenen (z-Richtung) hinweg generiert werden. Es besteht somit auch die Möglichkeit, komplexe Strukturen, wie Gitterstrukturen mit sehr klein bemessenen Gitterstreben oder Wandstärken zu generieren. Beispielsweise kann eine Wandstärke (vergleiche Bezugszeichen b in 7 weiter unten) durch das beschriebene Verfahren kleiner dimensioniert werden als ein während des Herstellungsprozesses üblicherweise entstehendes Schmelzbad bzw. eine daraus resultierende Schweißraupe während des Aufbaus der entsprechenden Struktur. Wie oben beschrieben ist das Schmelzbad beim kontinuierlichen Laserbetrieb der maßgebliche Faktor, was die Wandstärke als auch die Oberflächenrauheit der aufgebauten Strukturen angeht. Durch die vorgestellten Mittel können unter anderem also die Formgebung und die räumliche Auflösung von additiven dünnen Wandstrukturen deutlich verbessert werden.
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Alternativ oder zusätzlich zu der Verwendung des Ultrakurzpulslasers B2 zum Materialabtrag kann der Ultrakurzpulslaser B2 auch verwendet werden, um eine Oberflächenrauheit der Hohlräume 11 zu reduzieren und/oder eine Oberfläche 12 der Hohlräume zu strukturieren.
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7 zeigt weiterhin einen möglichen Vergleich zwischen der Schichtdicke L und der Tiefe t des Materialertrags, wobei letztere im vorliegenden Fall ca. viermal größer gewählt ist als die Schichtdicke L. Weiterhin ist in 7 am rechten Rand der Bauteilstruktur die Wanddicke b eingezeichnet (siehe oben).
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Die 8 und 9 zeigen weiterhin wie sich die Dimension oder Kontur k eines entsprechenden Hohlraumes 11 definiert, wenn nach dem Materialabtrag weitere Bauteilschichten aufgebaut werden. In der 8 ist wieder eine Kavität 11 gezeigt, welche sich über mehrere Schichten in die Struktur des Bauteils 10 hinein erstreckt.
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9 deutet zudem weitere oberhalb der Kavität 11 verlaufende Schichten L für die Struktur des Bauteils 10 an, beispielsweise durch einen fortschreitenden Aufbauprozess.
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Soll nun - ausgehend von der Situation in 8 - eine neue Pulver- oder Materialschicht die entstandene Kavität 11 schließen, wird die Geometrie k der Kavität im unteren Teil durch den Ultrakurzpulslaser B2 bestimmt, und im oberen Teil durch die Geometrie der darüberliegenden Schmelzbahn. Somit bestimmt sich auch die initiale Breite der Kavität durch die Höhe, in der sie durch die darüberliegende Schmelzbahn begrenzt wird. Durch den Arbeitslaser B1 werden nämlich, wie oben angedeutet, nicht nur die letzte Pulverschicht, sondern auch die darunterliegenden Schichten (wieder) aufgeschmolzen.
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Das obere Ende einer mit dem UKP-Laser entstandenen Hohlraumkontur k wird durch darüberliegende Schichten, welche im normalen Arbeitsmodus bestrahlt und verfestigt werden, also wieder verschlossen.
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Dadurch entsteht, wie in 9 (relativ zur 8) ersichtlich, eine Verkleinerung der vertikalen Ausdehnung oder Tiefe t des Hohlraums 11.
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Konventionell, d.h. ohne die beschriebenen Meriten der vorliegenden Erfindung, werden Kavitäten oder Hohlräume während des LPBF-Prozesses nur beim Aufschmelzen des Materials generiert. Dabei wird dann die betroffene Stelle nicht belichtet, das Pulver wird nicht aufgeschmolzen und das Material wird nicht zu Vollmaterial abgekühlt und verfestigt. Dies funktioniert allerdings nur bis zu gewissen Material- bzw. Wandstärken (siehe weiter oben).
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Durch die vorliegende Erfindung wird diese Beschränkung mit Vorteil beseitigt, indem der Ultrakurzpulslaser B2 ausschließlich für den Abtrag von bereits verfestigtem Material verwendet wird, beispielsweise im Anschluss an eine selektive Bestrahlung des Materials, um die Hohlräume 11 in der Struktur herzustellen. Mit anderen Worten wird mit dem Laser B2 vorzugsweise erst ein kompletter Schichtaufbau erzeugt, und die Kavitäten 11 werden erst anschließend subtraktiv eingebracht. Daher können - wie beschrieben - auch komplexe und sehr feine Kavitäten oder Poren in LPBF-erzeugten Komponenten integriert werden.
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Durch die beschriebene Anwendung von Laserpulsen können also deutlich feinere Strukturen generiert werden, da diese eine höhere Genauigkeit im Materialabtrag als die üblichen Arbeitslaser ermöglichen, und somit auch feine Hohlräume oder filigrane Gitterstrukturen erzeugt werden können.
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Des Weiteren wird in das Bauteil so mit Vorteil keine zusätzliche und ungleichmäßige Wärme eingebracht, die innere Spannungen erzeugen könnte. Der ultrakurze intensive Strahlungseintrag führt zu einer direkten (Plasma)verdampfung. Dadurch entstehen vorteilhafterweise keine oder keine nachteilhaften Heiß- Mikro- und/oder Makrorisse, keine Materialermüdung, kein messbares Schmelzbad, ja noch nicht einmal ein messbarer Wärmeaustausch, kein Schmauch, keine laserinduzierten Stoßwellen, keine beeinträchtigte Oberflächenrauheit oder daraus resultierende Materialdefekte, Spannungen oder anderweitige Veränderungen des Gefüges, oder der Oberflächengüte.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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