EP4142970A1 - Irradiation strategy for a coolable, additively manufactured structure - Google Patents

Irradiation strategy for a coolable, additively manufactured structure

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EP4142970A1
EP4142970A1 EP21731710.6A EP21731710A EP4142970A1 EP 4142970 A1 EP4142970 A1 EP 4142970A1 EP 21731710 A EP21731710 A EP 21731710A EP 4142970 A1 EP4142970 A1 EP 4142970A1
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EP
European Patent Office
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layer
component
irradiation
vectors
irradiation vectors
Prior art date
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Pending
Application number
EP21731710.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Johannes Albert
Ole Geisen
Oliver HERMANN
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4142970A1 publication Critical patent/EP4142970A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • B23K26/34Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342Build-up welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • B33Y50/02Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for providing manufacturing instructions, in particular instructions for selective irradiation in additive manufacturing, and a corresponding additive manufacturing method.
  • the method for providing manufacturing instructions may be a computer-aided manufacturing (CAM) method.
  • the component is preferably provided for use in the hot gas path of a gas turbine, such as a stationary gas turbine.
  • the component structure particularly preferably relates to a component of a combustion chamber or a resonator component such as a Helmholtz resonator or a part thereof.
  • the component may be another coolable or partially porous component, such as one used for automotive or aerospace applications.
  • the component is preferably a component to be cooled, for example it can be cooled via fluid cooling.
  • the component preferably has a tailor-made permeability for a corresponding cooling fluid, for example cooling air.
  • Modern gas turbines are subject to constant improvement in order to increase their efficiency. However, this leads, among other things, to ever higher temperatures in the hot gas path.
  • the metallic materials for rotor blades, especially in the first stages, are constantly being considered in terms of their strength at high temperatures, creep loads and thermomechanical fatigue.
  • Additive manufacturing processes include, for example, selective laser melting (SLM) or laser sintering (SLS) or electron beam melting (EBM) as powder bed processes.
  • SLM selective laser melting
  • SLS laser sintering
  • EBM electron beam melting
  • Other additive processes are, for example, "Directed Energy Deposition (DED)” processes, in particular laser build-up welding, electron beam or plasma powder welding, wire welding, metal powder injection molding, so-called “sheet lamination” processes, or thermal spraying processes (VPS LPPS, GDCS).
  • DED Directed Energy Deposition
  • a method for selective laser melting is known, for example, from EP 2601 006 Bl.
  • Nes component can be carried out radiation parameters largely on the basis of a corresponding CAD file and the choice of appropriate manufacturing and / or Be.
  • a CAD file or a corresponding computer program or computer program product can, for example, as a (volatile or non-volatile) storage medium, such as a memory card, a USB stick, a CD-ROM or DVD, or in the form of a downloadable file from a server and/or provided or included in a network. Thieves- provision can also be made, for example, in a wireless communication network by transferring a corresponding file with the computer program.
  • a computer program (product) may include program code, machine code or numerical control instructions such as G-code and/or other executable program instructions in general.
  • LPBF powder bed-based method
  • Laser Powder Bed Fusion advantageously enables the implementation of new geometries, concepts, solutions and/or design, which reduce the manufacturing costs or the construction and throughput times, optimize the manufacturing process and, for example, improve a thermo-mechanical design or the durability of the components.
  • Blade components manufactured in a conventional way, for example by casting are significantly inferior to the additive manufacturing route in terms of their design freedom and also in relation to the required throughput time and the associated high costs and manufacturing effort.
  • powder bed-based methods such as selective laser melting or electron beam melting also offer the possibility of producing porous structures in a targeted manner through parameter settings or variations.
  • the so-called hatching distance is an important parameter in the area-like (selective) irradiation or exposure of a powder layer by an energy beam, such as a laser or electron beam, which has a special influence on the structure or structure obtained. Porosity of the layer or the component has.
  • the permeability By setting a certain porosity in the material, there is still a technically controllable permea- stability, which can be used, for example, for particularly effective cooling of the resulting structure or component.
  • the permeability, the ability for the cooling fluid to flow through or the permeability can also vary depending on the direction in which the structure is built up and the direction of flow. The permeability is particularly dependent on parameters.
  • the irradiation power, the scanning speed, the beam focus and the layer thickness can also have an impact on the structure obtained and its porosity.
  • the laser power correlates strongly with a melt pool depth, i.e. the dimension that describes the expansion of an initially liquid and then solidifying structure downwards into the powder bed during powder consolidation.
  • a variation of the hatching spacing has a significant influence on the flowability or porosity of a structure along its build-up direction, usually the vertical (z-direction). If, on the other hand, the energy input is reduced, for example, a flattened melt pool is formed, which results in relatively large lateral porosity.
  • An additive manufacturing method and corresponding system, comprising circular radiation paths is known, for example, from EP 3406 370 A1.
  • the method for producing a three-dimensional object and a corresponding component with a specially fabricated porosity is known, for example, from WO 2014/202352 A1.
  • an additively manufactured porous structure can be used in a targeted manner to develop advantageous permeability and thus to achieve a controlled and significantly more efficient cooling effect. It is therefore an object of the present invention to expand the area of application of additive manufacturing technologies to the components described or to use material and manufacturing characteristics of additive technologies in a targeted manner for structural advantages and design optimization of the components. This means that not only the conventionally known advantages of additive technologies can be used to advantage. Contrary to the common view in the professional world, according to which the structure achieved additively is weaker and not yet comparable to that of conventionally manufactured components, an improved structure can even be reproducibly achieved in the present case.
  • One aspect of the present invention relates to a method for providing manufacturing instructions for the powder bed-based additive manufacturing of a component.
  • Vorzugswei se the manufacturing instructions relate to the process preparation of the actual manufacturing process, in particular means of the so-called “Computer-Aided-Manufacturing” (CAM).
  • CAM Computer-Aided-Manufacturing
  • the method includes the provision of first radiation vectors for a layer to be produced additively, which, when correspondingly irradiated by an energy beam, in particular a laser or electron beam, causes an (at least partially) porous structure of the layer along the corresponding vector or path.
  • the radiation vectors mentioned are preferably chosen to be the same or of the same kind and can form a first radiation pattern.
  • the radiation vectors mentioned preferably represent so-called hatching vectors. Alternatively, they can be contour vectors.
  • Said layer to be produced additively preferably relates to a previously prepared raw material layer made of powder in a standard manner, the selective irradiation of which leads to the formation of a part of a component cross section.
  • the method also includes providing the named or similar first irradiation vectors for a layer that follows (next) layer to be produced additively in such a way that paths of a porous structure of the layer and the following layer overlap at least partially or slightly in the layer plane in order to To enable flow through the (completely) manufactured component along or at an angle to its assembly direction.
  • Said (after the first-mentioned layer) following or next layer is preferably an immediately following layer.
  • the paths mentioned are intended to denote the course of the irradiation vectors for producing the porous structure in at least some areas of the component.
  • the component can be traversed by porous structure profiles through an appropriate selection of the radiation vectors or paths.
  • the means described can advantageously be used to produce a permeable component structure or one through which a flow can flow along and also at an angle to a construction direction of the component (cf. vertical Z-direction).
  • component properties can already be defined during process preparation, which allow subsequent flow through the component for efficient cooling during its intended operation.
  • the degrees of freedom gained in this way can significantly increase the cooling effect of the entire component and also expand its thermal range of application. In the case of turbine components, this also allows the use of higher combustion temperatures and greater energy efficiency of the entire turbomachine.
  • the method is or includes a CAM method.
  • irradiation vectors of the slice and the following slice overlap in the slice plane by an amount that is smaller than a lateral extension of the paths.
  • the radiation vectors of the layer and the following layer completely overlap in the layer plane.
  • the first irradiation vectors of the following slice are offset relative to the first irradiation vectors of the (previous) slice, preferably linearly or translationally.
  • the corresponding first radiation vectors of the layer can also be offset relative to the following layer.
  • Such an offset can be individually adjusted and tailored according to the design requirements of the component and a thermal load situation, and advantageously allows tailored cooling, even of individual areas of the component.
  • the first irradiation vectors of the following slice are twisted or rotated relative to the first irradiation vectors of the (previous) slice. This is particularly the case with rotationally symmetrical or cylindrical term components useful and / or advantageous when choosing a curved or circular course of irradiation.
  • an irradiation power or a radiation power density of the first irradiation vectors e.g. B. relative to a standard set of parameters for the formation of a full material structure - reduced.
  • an irradiation speed of the first irradiation vectors is increased relative to standard parameters for forming a solid material structure.
  • a porous structure of the layer or of a corresponding component cross-section of the component can likewise be brought about particularly advantageously by this measure.
  • second irradiation vectors are provided for irradiating the layer to be produced additively and/or in the following layer to be produced additively, which cause a dense structure of the corresponding layer or the corresponding component area.
  • a dense structure should preferably refer to a largely non-porous structure, in particular a solid material.
  • the component is to be provided with sufficient mechanical stability or corresponding structural properties that are just not permeable as a result of this configuration.
  • the first irradiation vectors represent a plurality of parallel irradiation vectors of a (each) layer for the component, which, according to the design requirements, are to be equipped with porous properties.
  • the first irradiation vectors represent a plurality of radially or radially symmetrical fenden irradiation vectors of a corresponding component layer, the first irradiation vectors of the following layer being twisted or rotated relative to the first irradiation vectors of the layer.
  • further irradiation vectors are provided and/or used, which represent a plurality of, in particular largely, concentric irradiation vectors of a corresponding layer for the component, and the further irradiation vectors produce an at least partially porous structure.
  • other irradiation parameters can preferably be selected for the further irradiation vectors, which, however, are also expediently suitable for forming a porous structure.
  • the structure of the component can be further varied in certain areas and accordingly adapted to a corresponding thermo-mechanical load situation.
  • the further irradiation vectors for the said layer and the following layer are provided, with the further irradiation vectors of the following layer being offset radially relative to the further irradiation vectors of the layer.
  • a further aspect of the present invention relates to a method for the additive manufacturing of the component by selective laser melting, selective laser sintering or electron beam melting.
  • the manufacturing instructions for the layer to be produced additively are specified in a first component area of the component, and in a second component area, different from the first component area, defines further manufacturing instructions which differ from the manufacturing instructions mentioned.
  • a further aspect of the present invention relates to a component which - as described above - can be produced or produced, the component being a component to be cooled of the hot gas path of a turbomachine, such as a turbine blade, a heat shield component of a combustion chamber and/or a resonator component.
  • a turbomachine such as a turbine blade, a heat shield component of a combustion chamber and/or a resonator component.
  • Another aspect of the present invention relates to a computer program or computer program product, comprising the manufacturing instructions, as described above, wherein the computer program product when executing a corresponding program by a computer, for example for controlling and/or programming a build processor and/or a Irradiation device of an additive manufacturing system, cause these means to carry out the manufacturing of the component as described above.
  • Configurations, features and/or advantages that relate to the method for providing manufacturing instructions or the computer program product can also relate directly to the additive manufacturing method or the component or to an application having it, such as a flow machine, and vice versa.
  • the term "and/or" when used in a series of two or more items means that each of the listed items can be used alone, or any combination of two or more of the listed items can be used.
  • FIG. 1 uses a schematic representation to indicate a powder bed-based additive manufacturing method.
  • FIG. 2 indicates a schematic perspective view of courses of a cooling fluid flow in a component as well as individual layers of the same that are to be strengthened.
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of irradiation vectors for a layer to be produced additively.
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of irradiation vectors for a subsequent layer to be produced additively.
  • FIG. 5 indicates on the left--similarly to FIG. 2--a schematic side view or sectional view (XZ plane) of flow paths in a component.
  • XZ plane sectional view
  • FIG. 6 indicates a schematic lateral or sectional view (YZ plane) of flow patterns in a component.
  • FIG. 7 shows a schematic plan view of radiation vectors running radially.
  • FIG. 8 shows a schematic plan view of radiation vectors running radially and concentrically.
  • FIG. 9 shows a schematic plan view of irradiation vectors for a layer to be produced additively.
  • FIG. 10 shows a schematic plan view of irradiation vectors for a layer to be produced additively following the layer mentioned.
  • FIG. 11 shows a schematic perspective view of a rotationally symmetrical component section with flow paths running partially longitudinally and circumferentially. Similar to FIGS. 9 and 10, FIGS. 12 and 13 indicate a radial offset of concentrically running courses of irradiation of successive layers to be produced additively.
  • FIG. 14 shows a corresponding perspective view of a component section according to FIGS. 12 and 13.
  • FIG. 15 indicates a radial section of the component according to the performance shown in FIGS. 12 to 14.
  • FIG. 1 indicates steps of an additive manufacturing process of a component 10 on the basis of a manufacturing system 100 shown in simplified form.
  • the manufacturing system 100 is preferably designed as an LPBF system and for the additive construction of parts or components from a powder bed, in particular for selective laser melting.
  • the system 100 can specifically also relate to a system for selective laser sintering or electron beam melting.
  • the system has a construction platform 1 .
  • a component 10 to be produced additively is produced in layers from a powder bed on the construction platform 1 .
  • the latter is formed by a powder P, which can be distributed in layers on the construction platform 1 by a coating device 3 .
  • regions of the layer L are selectively melted by an irradiation device 2 with an energy beam 5, for example a laser or electron beam, according to the predetermined geometry of the component 10 and then solidified.
  • the system 100 preferably has an irradiation device 2 for irradiating the powder layers L with an energy beam 5 .
  • the construction platform 1 is preferably lowered by an amount corresponding to the layer thickness L (compare the downward-pointing arrow in FIG. 1).
  • the thickness L is usually only between 20 and 40 gm, so that the entire process easily requires a number of thousands to several tens of thousands of layers.
  • the geometry of the component 10 is usually defined by a CAD file ("Computer-Aided-Design"). After reading such a file into the manufacturing system 100, the process then first requires the definition of a suitable irradiation strategy, for example by means of the CAM ("Computer-Aided-Manufacturing"), whereby the component geometry is also divided into the individual layers. This can be carried out or implemented by a corresponding build processor 4 via a computer program.
  • the component 10 is preferably a component of the hot gas path of a flow machine that can be cooled and is to be cooled during operation, such as a turbine blade, heat shield component of a combustion chamber and/or a resonator component, for example a Helmholtz resonator.
  • the component 10 can be a ring segment, a burner part or tip, a skirt, a shield, a heat shield, a nozzle, a seal, a filter, muzzle or lance, ram or swirler, or equivalent transition, insert, or equivalent retrofit part.
  • said build processor 4 or a corresponding circuit is provided, which, for example, is equipped with corresponding CAM Information or manufacturing instructions can be programmed and/or the irradiation device 2 can accordingly cause the component to be built up layer by layer in accordance with the manufacturing instructions described below.
  • the build processor circuit 4 preferably acts as an interface between the software that prepares the actual construction process and the corresponding hardware of the production system 100.
  • the build processor can be set up, for example, to run a computer program (cf. computer program product CPP) with corresponding production instructions.
  • Methods for providing manufacturing instructions for the powder bed-based additive manufacturing of the component 10 include, according to the invention, the provision of first irradiation vectors VI for a layer n to be produced additively (cf. Figures below), which, in the case of a corresponding irradiation by the energy beam 5, is a porous structure of the layer n cause.
  • the method also includes providing the first irradiation vectors VI for a layer n+1 to be produced additively after layer n in such a way that paths 11 of a porous structure 12 of layer n and the following layer n+1 are in one layer at least partially overlap in order to allow flow through the manufactured component along and/or obliquely in its assembly direction Z.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a component or a component section which is additively layered can be built.
  • the dashed lines distinguish individual component layers.
  • the arrows running diagonally or obliquely marked with the reference character F are intended to indicate a corresponding direction of flow, according to which the component section can expediently be flowed through by a cooling fluid for cooling during normal operation.
  • the flow direction F runs at least partially in the XZ plane and is slightly inclined to the direction Z.
  • a scanning or irradiation strategy according to the invention must be defined in advance.
  • an irradiation power P of the first irradiation vectors VI can be reduced and/or an irradiation speed v of these can be increased relative to standard parameters for forming a solid material structure. This is indicated in FIG. 3 and the following figures.
  • FIG. 3 shows the first irradiation vectors VI (vertical) which cause the functional porosity. These are only arranged in a grid-like manner, for example.
  • the first irradiation vectors VI comprise a plurality of parallel irradiation vectors of a given layer n for the component 10.
  • the layer n can any layer in the layer structure of the component.
  • second irradiation vectors V2 can be provided for irradiation of layer n to be produced additively and/or in the following layer n+1 to be produced additively (cf. FIG. 4 below), which produce a dense structure of the corresponding layer, in particular a solid material. This is indicated in Figure 3 by the background. Such a dense structure is usually expedient for reasons of stability or for the dimensional stability of the component 10 .
  • third, irradiation vectors V3 can be provided in the manner of a grid or grid. These vectors V3 can also produce a porous structure in the construction section, for example a different type of porous structure with a differently measured porosity, of the corresponding layer.
  • Irradiation according to the first irradiation vectors VI and the further irradiation vectors V3 can, for example, each have a porosity of between 5% and 40%, preferably of about 20%.
  • FIG. 4 shows--analogously to FIG. 3--a schematic plan view of a component layer n+1 following that shown in FIG. 3, or a corresponding raw powder layer.
  • the arrangement of the first irradiation vectors VI shows a linear offset of these irradiation vectors relative to layer n (cf. FIG. 5).
  • FIG. 5 shows a side view of the component section in the XZ plane with diagonal paths 11 in the structure of the component, which are intended to indicate a cooling or flow path.
  • FIG. 5 shows enlarged for three successive layers n, n+1 and n+2. It can be seen that the structure paths 11 reinforced by the first irradiation vectors VI in the course of the additive manufacturing process are offset in layers by the amount d in order to produce the diagonal or oblique course.
  • the presented scanning strategy is based on a shift of the irradiation vectors in a preferred direction in order to favor the formation of the cavities or flow paths to be flowed through. For example, if a flow, as in the example shown, is to occur at an angle of more or less than 90° relative to the XY or slice plane, ie at least partially along the Z direction, a vector VI in slice n+1 is created by the amount d translated translationally along the positive X or Y direction.
  • the amount d determines the desired angle that the course of the flow paths should form with respect to the Z direction of construction.
  • an offset can also be dispensed with completely in order to achieve an exactly vertical course of the paths 11 (not explicitly marked).
  • FIG. 6 indicates a situation in the other lateral direction, the Y-direction, relative to the Z build-up direction.
  • FIG. 7 shows a top view of a circular production area or a round layer area.
  • a radial direction is marked with an arrow and the reference symbol R starting from a central area.
  • First irradiation vectors VI of a corresponding irradiation pattern are arranged or provided along R--arranged radially symmetrically in the present case merely by way of example--in order to form a porous layer structure. After production, this advantageously again allows a radial throughflow of a fluid F, and a correspondingly achievable cooling in the component.
  • Said first radiation vectors VI run uniformly at a distance of one polar angle. Contrary to what is shown, this angle distance can of course also vary between individual vectors VI.
  • second irradiation vectors for forming a dense material structure of the layer—are designated. These vectors V2 mean the remaining layer structure and are shown—for the sake of clarity—without individual irradiation paths.
  • scan vectors according to FIG. 7 can be provided.
  • a plurality of further, concentrically arranged irradiation vectors V3 are indicated in FIG. 8, which likewise produce an at least partially porous structure in one of the layers. This, for example, to be able to bring about a cooling effect in the circumferential direction if the component is to be flown through and cooled accordingly during operation.
  • the above-mentioned radiation vectors VI running radially are supplemented by concentric paths or paths V3, which run at a radial distance from one another and can form both a closed and an interrupted path. This applies equally to the other radiation vectors described.
  • the permeability for a cooling fluid F can be achieved, for example, by omitting layers and reducing the energy they have introduced. For example, open areas can also be provided in a targeted manner, which allow a corresponding permeability.
  • an impermeable “wall” can be provided—for example in sectors—if the component 10 or the corresponding component area is to be cooled only in the Z direction, for example.
  • FIG. 9 shows, for a given slice n, an irradiation pattern already described with reference to FIG. 8, comprising the first, second and further, third, irradiation vectors VI, V2 and V3.
  • FIG. 10 again shows the situation for a—preferably immediately—following layer n+1. It can be seen that the first irradiation vectors VI of the following slice n+1 have been rotated clockwise by a small angle Df relative to the first irradiation vectors VI of slice n. With this configuration of the present invention, the through-flow and cooling effect can likewise be tailored in an advantageous manner and locally decisively improved.
  • FIG. 11 shows a perspective schematic view of a cylindrical or approximately rotationally symmetrical component structure which can be produced according to an irradiation pattern according to FIGS. 9 and 10.
  • the first irradiation vectors VI were twisted or rotationally offset layer by layer, so that the paths 11 of the component 10 that are shown and run obliquely relative to the direction Z of construction can be produced. According to the illustration in FIG. 11, the anti-clockwise rotation is shown.
  • FIGS. 12 to 14 also indicate that, in addition to twisting the flow-active paths (cf. VI) in component 10, a whirlpool effect (cf. irradiation vectors V3) or eddy-like flow and cooling can also be achieved.
  • the concentric tracks can be provided in layers, for example with a radial offset (cf. Ar), and thus a correspondingly improved flow and cooling can be specified over the entire component. This is shown in particular in FIG. 13 for layer n+1.
  • the radial offset can be provided without a polar offset, and vice versa.
  • FIG. 14 shows a perspective schematic view of the component 10 with both a radial and a polar offset of the porosity-causing irradiation vectors VI and V3.
  • Such a scanning or irradiation strategy could, for example, be used to supply a lubricant to a component area or a bearing in the Z direction, and then to be evenly transferred to a shaft both circumferentially and over the length and radius of the bearing.
  • FIGS. 12 and 13 A radial or longitudinal section of the structure of Figure 14 is shown in Figure 15, where in particular the concentric and longitudinal flow paths - through the layered sen radial offset (see FIGS. 12 and 13) are arranged slightly inclined to the Z-direction.
  • the irradiation strategies presented advantageously allow a tailoring of cooling or heat dissipation properties of thermally highly stressed components in general.
  • the thermal properties can also only be adapted and improved to local or individual areas of the component with the solutions presented.

Abstract

The invention relates to a method for providing manufacturing instructions for the powder-bed-based additive manufacturing of a component (10). The method comprises providing first irradiation vectors (V1) for a layer (n) to be additively manufactured, which first irradiation vectors, upon appropriate irradiation by an energy beam (5), in particular a laser beam or electron beam, cause a porous structure of the layer, as well as providing the first irradiation vectors (V1) for a layer (n+1) which is to be additively manufactured and which follows the layer (n), in such a way that paths (11) of a porous structure (12) of the layer (n) and of the following layer (n+1) at least partially overlap in order to allow for a flow through the manufactured component along a build-up direction (Z). The invention also relates to a corresponding additive manufacturing method, a correspondingly manufactured component, as well as a computer program or computer program product.

Description

Beschreibung description
Bestrahlungsstrategie für eine kühlbare, additiv hergestellte Struktur Irradiation strategy for a coolable, additively manufactured structure
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereit stellen von Herstellungsanweisungen, insbesondere Anweisungen für eine selektive Bestrahlung in der additiven Herstellung, sowie ein entsprechendes additives Herstellungsverfahren. Bei dem Verfahren zum Bereitstellen von Herstellungsanweisungen kann es sich um ein rechnerunterstütztes Herstellungsverfah ren (CAM: „Computer-Aided-Manufacturing") handeln. The present invention relates to a method for providing manufacturing instructions, in particular instructions for selective irradiation in additive manufacturing, and a corresponding additive manufacturing method. The method for providing manufacturing instructions may be a computer-aided manufacturing (CAM) method.
Weiterhin wird ein additiv hergestelltes bzw. herstellbares Bauteil und ein Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt angegeben. Furthermore, an additively manufactured or manufacturable component and a computer program or computer program product are specified.
Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine, wie einer stationären Gasturbine, vorgese hen. Besonders bevorzugt betrifft die Bauteilstruktur eine Komponente einer Brennkammer bzw. ein Resonatorbauteil wie einen Helmholtz-Resonator oder einen Teil davon. 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. The component is preferably provided for use in the hot gas path of a gas turbine, such as a stationary gas turbine. The component structure particularly preferably relates to a component of a combustion chamber or a resonator component such as a Helmholtz resonator or a part thereof. Alternatively, the component may be another coolable or partially porous component, such as one used for automotive or aerospace applications.
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, bei spielsweise Kühlluft, auf. The component is preferably a component to be cooled, for example it can be cooled via fluid cooling. For this purpose, the component preferably has a tailor-made permeability for a corresponding cooling fluid, for example cooling air.
Moderne Gasturbinen sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um ihre Effizienz zu steigern. Dies führt allerdings unter ande rem zu immer höheren Temperaturen im Heißgaspfad. Die metal lischen Materialien für Laufschaufeln, insbesondere in den ersten Stufen, werden ständig hinsichtlich ihrer Festigkeit bei hohen Temperaturen, Kriechbelastung und thermomechani scher Ermüdung, verbessert. Modern gas turbines are subject to constant improvement in order to increase their efficiency. However, this leads, among other things, to ever higher temperatures in the hot gas path. The metallic materials for rotor blades, especially in the first stages, are constantly being considered in terms of their strength at high temperatures, creep loads and thermomechanical fatigue.
Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund ihres für die Industrie disruptiven Potenzials zunehmend interes santer auch für die Serienherstellung der oben genannten Tur binenkomponenten . Due to its disruptive potential for industry, generative or additive manufacturing is also becoming increasingly interesting for the series production of the turbine components mentioned above.
Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Weitere additive Verfahren sind beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED) "-Verfahren, insbesondere Laserauf tragschweißen, Elektronenstrahl-, oder Plasma-Pulver schweißen, Drahtschweißen, metallischer Pulverspritzguss, so genannte „sheet lamination"-Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS, GDCS). Additive manufacturing processes include, for example, selective laser melting (SLM) or laser sintering (SLS) or electron beam melting (EBM) as powder bed processes. Other additive processes are, for example, "Directed Energy Deposition (DED)" processes, in particular laser build-up welding, electron beam or plasma powder welding, wire welding, metal powder injection molding, so-called "sheet lamination" processes, or thermal spraying processes (VPS LPPS, GDCS).
Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielswei se bekannt aus EP 2601 006 Bl. A method for selective laser melting is known, for example, from EP 2601 006 Bl.
Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additive manufac- turing") haben sich weiterhin als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leicht- bau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Ferti gung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt ei nes Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD- Datei und der Wahl entsprechender Fertigungs- und/oder Be strahlungsparameter erfolgen kann. Additive manufacturing processes have also proven to be particularly advantageous for complex or delicately designed components, for example labyrinth-like structures, cooling structures and/or lightweight structures Chain of process steps advantageous since a manufacturing or manufacturing step ei Nes component can be carried out radiation parameters largely on the basis of a corresponding CAD file and the choice of appropriate manufacturing and / or Be.
Eine CAD-Datei oder ein entsprechendes Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt, kann beispielsweise als (flüchtiges oder nicht-flüchtiges) Speichermedium, wie z.B. eine Spei cherkarte, 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. Die Be- reitstellung kann weiterhin zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entspre chenden Datei mit dem Computerprogramm erfolgen. Ein Compu terprogramm (produkt) kann Programmcode, Maschinencode bzw. numerische Steuerungsanweisungen, wie G-Code und/oder andere ausführbare Programmanweisungen im Allgemeinen beinhalten. A CAD file or a corresponding computer program or computer program product can, for example, as a (volatile or non-volatile) storage medium, such as a memory card, a USB stick, a CD-ROM or DVD, or in the form of a downloadable file from a server and/or provided or included in a network. Thieves- provision can also be made, for example, in a wireless communication network by transferring a corresponding file with the computer program. A computer program (product) may include program code, machine code or numerical control instructions such as G-code and/or other executable program instructions in general.
Die Herstellung von Gasturbinenschaufeln mittels der be schriebenen pulverbett-basierten Verfahren („LPBF" englisch für „Laser Powder Bed Fusion") ermöglicht vorteilhaft die Im plementierung von neuen Geometrien, Konzepten, Lösungen und/oder Design, welche die Herstellungskosten bzw. die Auf bau- und Durchlaufzeit reduzieren, den Herstellungsprozess optimieren und beispielsweise eine thermo-mechanische Ausle gung oder Strapaziertähigkeit der Komponenten verbessern kön nen. The production of gas turbine blades by means of the described powder bed-based method ("LPBF" for "Laser Powder Bed Fusion") advantageously enables the implementation of new geometries, concepts, solutions and/or design, which reduce the manufacturing costs or the construction and throughput times, optimize the manufacturing process and, for example, improve a thermo-mechanical design or the durability of the components.
Auf konventionelle Art, beispielsweise gusstechnisch, herge stellte Schaufelkomponenten, stehen der additiven Fertigungs route beispielsweise hinsichtlich ihrer Designfreiheit und auch in Bezug auf die erforderliche Durchlaufzeit und den da mit verbundenen hohen Kosten sowie dem fertigungstechnischen Aufwand deutlich nach. Blade components manufactured in a conventional way, for example by casting, are significantly inferior to the additive manufacturing route in terms of their design freedom and also in relation to the required throughput time and the associated high costs and manufacturing effort.
Insbesondere pulverbettbasierte Verfahren, wie selektives La serschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen bieten weiterhin die Möglichkeit, durch Parametereinstellungen oder - Variationen, poröse Strukturen zielgerichtet herzustellen. Bekanntlich stellt der sogenannte Schraffurabstand (englisch: „hatching distance") bei der flächenartigen (selektiven) Be strahlung oder Belichtung einer Pulverschicht durch einen Energiestrahl, wie einen Laser oder Elektronenstrahl, u.a. einen wichtigen Parameter dar, der besonderen Einfluss auf die erhaltene Struktur bzw. Porosität der Schicht bzw. des Bauteils hat. In particular, powder bed-based methods such as selective laser melting or electron beam melting also offer the possibility of producing porous structures in a targeted manner through parameter settings or variations. As is well known, the so-called hatching distance is an important parameter in the area-like (selective) irradiation or exposure of a powder layer by an energy beam, such as a laser or electron beam, which has a special influence on the structure or structure obtained. Porosity of the layer or the component has.
Durch die Einstellung einer bestimmten Porosität im Material ergibt sich technisch weiterhin eine kontrollierbare Permea- bilität, welche beispielsweise für eine besonders effektive Kühlung der resultierenden Struktur bzw. Komponente genutzt werden kann. Die Durchlässigkeit, Durchströmbarkeit für das Kühlfluid oder die Permeabilität kann weiterhin je nach Auf baurichtung der Struktur und Durchströmungsrichtung, variie ren. Die Permeabilität ist insbesondere stark parameterabhän gig. Neben dem Schraffurabstand können unter Umständen die Bestrahlungsleistung, die Scangeschwindigkeit, der Strahlfo kus als auch die Schichtdicke einen Einfluss auf die erhalte ne Struktur bzw. deren Porosität haben. Insbesondere die La serleistung korreliert stark mit einer Schmelzbadtiefe, also demjenigen Maß, welches die Ausdehnung einer zunächst flüssi gen und dann erstarrenden Struktur während der Pulververfes tigung nach unten in das Pulverbett hinein bezeichnet. By setting a certain porosity in the material, there is still a technically controllable permea- stability, which can be used, for example, for particularly effective cooling of the resulting structure or component. The permeability, the ability for the cooling fluid to flow through or the permeability can also vary depending on the direction in which the structure is built up and the direction of flow. The permeability is particularly dependent on parameters. In addition to the hatching spacing, the irradiation power, the scanning speed, the beam focus and the layer thickness can also have an impact on the structure obtained and its porosity. In particular, the laser power correlates strongly with a melt pool depth, i.e. the dimension that describes the expansion of an initially liquid and then solidifying structure downwards into the powder bed during powder consolidation.
Eine Variation des Schraffurabstandes hat maßgeblichen Ein fluss auf die Durchströmbarkeit oder Porosität einer Struktur entlang seiner Aufbaurichtung, üblicherweise der Vertikalen (z-Richtung). Wird dagegen der Energieeintrag beispielsweise verringert, so bildet sich ein abgeflachtes Schmelzbad, was eine relativ große laterale Porosität zur Folge hat. A variation of the hatching spacing has a significant influence on the flowability or porosity of a structure along its build-up direction, usually the vertical (z-direction). If, on the other hand, the energy input is reduced, for example, a flattened melt pool is formed, which results in relatively large lateral porosity.
Ein additives Herstellungsverfahren und entsprechendes Sys tem, umfassend kreisförmige Bestrahlungspfade ist beispiels weise bekannt aus EP 3406 370 Al. An additive manufacturing method and corresponding system, comprising circular radiation paths, is known, for example, from EP 3406 370 A1.
Das Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objek tes und ein entsprechendes Bauteil mit einer speziell konfek tionierten Porosität ist beispielsweise bekannt aus WO 2014/202352 Al. The method for producing a three-dimensional object and a corresponding component with a specially fabricated porosity is known, for example, from WO 2014/202352 A1.
Insbesondere bei Gasturbinenkomponenten des Heißgaspfades, bei denen es zu starker mechanischer als auch thermischer Be lastung kommt, kann eine additiv hergestellte poröse Struktur zielgerichtet zur Ausbildung einer vorteilhaften Permeabili tät und damit zu einer kontrollierten und deutlich effizien teren Kühlwirkung genutzt werden. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Einsatzbereich additiver Fertigungstechnologien auf die be schriebenen Bauteile auszuweiten bzw. Material- bzw. Herstel lungscharakteristiken additiver Technologien gezielt für strukturelle Vorteile und Designoptimierung der Bauteile zu nutzen. Damit können nicht nur die konventionell bekannten Vorteile der additiven Technologien vorteilhaft genutzt wer den. Entgegen der gängigen Ansicht in der Fachwelt, wonach die additiv erzielte Struktur schwächer und noch nicht ver gleichbar mit derjenigen, konventionell hergestellter Bautei le ist, kann vorliegend sogar eine verbesserte Struktur re produzierbar erzielt werden. Particularly in the case of gas turbine components in the hot gas path, which are subject to high mechanical and thermal loads, an additively manufactured porous structure can be used in a targeted manner to develop advantageous permeability and thus to achieve a controlled and significantly more efficient cooling effect. It is therefore an object of the present invention to expand the area of application of additive manufacturing technologies to the components described or to use material and manufacturing characteristics of additive technologies in a targeted manner for structural advantages and design optimization of the components. This means that not only the conventionally known advantages of additive technologies can be used to advantage. Contrary to the common view in the professional world, according to which the structure achieved additively is weaker and not yet comparable to that of conventionally manufactured components, an improved structure can even be reproducibly achieved in the present case.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Pa tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Ge genstand der abhängigen Patentansprüche. This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous configurations are the subject matter of the dependent patent claims.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von Herstellungsanweisungen für die pulver bettbasierte additive Herstellung eines Bauteils. Vorzugswei se betreffen die Herstellungsanweisungen die Prozessvorberei tung des eigentlichen Herstellungsprozesses, insbesondere Mittel des sogenannten „Computer-Aided-Manufacturing" (CAM). One aspect of the present invention relates to a method for providing manufacturing instructions for the powder bed-based additive manufacturing of a component. Vorzugswei se the manufacturing instructions relate to the process preparation of the actual manufacturing process, in particular means of the so-called "Computer-Aided-Manufacturing" (CAM).
Das Verfahren umfasst das Bereitstellen von ersten Bestrah lungsvektoren für eine additiv herzustellende Schicht, welche bei einer entsprechenden Bestrahlung durch einen Energie strahl, insbesondere einen Laser oder Elektronenstrahl, eine (zumindest teilweise) poröse Struktur der Schicht entlang des entsprechenden Vektors oder Pfades hervorruft. Die genannten Bestrahlungsvektoren sind vorzugsweise gleich oder gleichar tig gewählt und können ein erstes Bestrahlungsmuster bilden. The method includes the provision of first radiation vectors for a layer to be produced additively, which, when correspondingly irradiated by an energy beam, in particular a laser or electron beam, causes an (at least partially) porous structure of the layer along the corresponding vector or path. The radiation vectors mentioned are preferably chosen to be the same or of the same kind and can form a first radiation pattern.
Vorzugsweise stellen die genannten Bestrahlungsvektoren soge nannte Schraffurvektoren dar. Alternativ kann es sich um Kon turvektoren handeln. Die genannte additiv herzustellende Schicht betrifft vorzugs weise eine zuvor standardmäßig präparierte Rohmaterialschicht aus Pulver, deren selektive Bestrahlung zum Ausbilden eines Teils eines Bauteilquerschnitts führt. The radiation vectors mentioned preferably represent so-called hatching vectors. Alternatively, they can be contour vectors. Said layer to be produced additively preferably relates to a previously prepared raw material layer made of powder in a standard manner, the selective irradiation of which leads to the formation of a part of a component cross section.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Bereitstellen der genann ten oder gleichartigen ersten Bestrahlungsvektoren für eine, auf die Schicht folgende, (nächste) additiv herzustellende Schicht derart, dass Pfade einer porösen Struktur der Schicht und der folgenden Schicht in Schichtebene zumindest teilweise oder leicht überlappen, um eine Durchströmung des (fertig) hergestellten Bauteils entlang oder angewinkelt zu seiner Aufbaurichtung zu ermöglichen. The method also includes providing the named or similar first irradiation vectors for a layer that follows (next) layer to be produced additively in such a way that paths of a porous structure of the layer and the following layer overlap at least partially or slightly in the layer plane in order to To enable flow through the (completely) manufactured component along or at an angle to its assembly direction.
Bei der genannten (auf die erstgenannte Schicht) folgenden oder nächsten Schicht handelt es sich vorzugsweise um eine unmittelbar folgende Schicht. Said (after the first-mentioned layer) following or next layer is preferably an immediately following layer.
Die genannten Pfade sollen den Verlauf der Bestrahlungsvekto ren zur Herstellung der porösen Struktur in zumindest einigen Bereichen des Bauteils bezeichnen. Mit anderen Worten kann das Bauteil durch eine entsprechende Wahl der Bestrahlungs vektoren oder Pfade, von porösen Strukturverläufen durchzogen sein. The paths mentioned are intended to denote the course of the irradiation vectors for producing the porous structure in at least some areas of the component. In other words, the component can be traversed by porous structure profiles through an appropriate selection of the radiation vectors or paths.
Durch die beschriebenen Mittel kann vorteilhafterweise eine permeable oder durchströmbare Bauteilstruktur entlang und auch schräg zu einer Aufbaurichtung des Bauteils (vgl. verti kale Z-Richtung) hergestellt werden. Bereits während der Pro zessvorbereitung können auf diese Weise Bauteileigenschaften festgelegt werden, welche eine nachträgliche Durchströmung des Bauteils zur effizienten Kühlung während seines bestim mungsgemäßen Betriebs erlauben. Durch die so gewonnenen Frei heitsgrade kann die Kühlwirkung des gesamten Bauteils maßgeb lich erhöht und dessen thermischer Anwendungsbereich eben falls erweitert werden. Dies erlaubt bei Turbinenbauteilen weiterhin den Einsatz höherer Verbrennungstemperaturen und eine höhere Energieeffizienz der gesamten Strömungsmaschine. In einer Ausgestaltung ist oder umfasst das Verfahren ein CAM Verfahren. The means described can advantageously be used to produce a permeable component structure or one through which a flow can flow along and also at an angle to a construction direction of the component (cf. vertical Z-direction). In this way, component properties can already be defined during process preparation, which allow subsequent flow through the component for efficient cooling during its intended operation. The degrees of freedom gained in this way can significantly increase the cooling effect of the entire component and also expand its thermal range of application. In the case of turbine components, this also allows the use of higher combustion temperatures and greater energy efficiency of the entire turbomachine. In one embodiment, the method is or includes a CAM method.
In einer Ausgestaltung überlappen Bestrahlungsvektoren der Schicht und der folgenden Schicht in der Schichtebene um ein Maß, dass kleiner ist als eine laterale Ausdehnung der Pfade. Dadurch kann besonders vorteilhaft eine für eine Kühlwirkung hinreichende Permeabilität eines diagonal oder leicht schräg verlaufenden Pfades im Bauteil erreicht werden. In one configuration, irradiation vectors of the slice and the following slice overlap in the slice plane by an amount that is smaller than a lateral extension of the paths. As a result, a permeability that is sufficient for a cooling effect of a path running diagonally or slightly obliquely in the component can be achieved in a particularly advantageous manner.
In einer Ausgestaltung überlappen Bestrahlungsvektoren der Schicht und der folgenden Schicht in der Schichtebene voll ständig. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil ein mög lichst steiler, paralleler Verlauf eines Fluidpfades entlang der Aufbaurichtung des Bauteils, beispielsweise seiner Längs richtung, realisiert werden. In one embodiment, the radiation vectors of the layer and the following layer completely overlap in the layer plane. As a result of this configuration, the steepest possible, parallel course of a fluid path along the direction of construction of the component, for example its longitudinal direction, can advantageously be implemented.
In einer Ausgestaltung werden die ersten Bestrahlungsvektoren der folgenden Schicht relativ zu den ersten Bestrahlungsvek toren der (vorherigen) Schicht, vorzugsweise linear oder translatorisch, versetzt. In one configuration, the first irradiation vectors of the following slice are offset relative to the first irradiation vectors of the (previous) slice, preferably linearly or translationally.
Unter der Prämisse, dass die Bereitstellung der Vektoren oder anderer Herstellungsparameter bereits prozessvorbereitend durchgeführt wird, können auch die entsprechenden ersten Be strahlungsvektoren der Schicht relativ zu der folgenden Schicht versetzt werden. Ein derartiger Versatz kann indivi duell gemäß den Designanforderungen des Bauteils und einer thermischen Belastungssituation angepasst und konfektioniert werden, und erlaubt vorteilhafterweise eine maßgeschneiderte Kühlung, sogar von einzelnen Bereichen des Bauteils. Under the premise that the vectors or other production parameters are already provided in preparation for the process, the corresponding first radiation vectors of the layer can also be offset relative to the following layer. Such an offset can be individually adjusted and tailored according to the design requirements of the component and a thermal load situation, and advantageously allows tailored cooling, even of individual areas of the component.
In einer Ausgestaltung werden die ersten Bestrahlungsvektoren der folgenden Schicht relativ zu den ersten Bestrahlungsvek toren der (vorherigen) Schicht verdreht oder rotiert. Dies ist insbesondere bei rotationssymmetrischen oder zylinderar- tigen Bauteilen zweckmäßig und/oder vorteilhaft bei der Wahl eines gebogenen oder kreisförmigen Bestrahlungsverlaufs. In one configuration, the first irradiation vectors of the following slice are twisted or rotated relative to the first irradiation vectors of the (previous) slice. This is particularly the case with rotationally symmetrical or cylindrical term components useful and / or advantageous when choosing a curved or circular course of irradiation.
In einer Ausgestaltung wird eine Bestrahlungsleistung oder eine Strahlungsleistungsdichte der ersten Bestrahlungsvekto ren - z. B. relativ zu einem Standard-Parametersatz zur Aus bildung einer Vollmaterialstruktur - verringert. Durch diese Maßnahmen kann besonders vorteilhaft eine poröse Struktur der Schicht oder eines entsprechenden Bauteilquerschnitt hervor gerufen, generiert oder provoziert werden. In one embodiment, an irradiation power or a radiation power density of the first irradiation vectors—e.g. B. relative to a standard set of parameters for the formation of a full material structure - reduced. Through these measures, a porous structure of the layer or of a corresponding component cross section can be brought about, generated or provoked in a particularly advantageous manner.
In einer Ausgestaltung wird eine Bestrahlungsgeschwindigkeit der ersten Bestrahlungsvektoren relativ zu Standardparametern zur Ausbildung einer Vollmaterialstruktur erhöht. Durch diese Maßnahme kann ebenfalls besonders vorteilhaft eine poröse Struktur der Schicht oder eines entsprechenden Bauteilquer schnitts des Bauteils hervorgerufen werden. In one configuration, an irradiation speed of the first irradiation vectors is increased relative to standard parameters for forming a solid material structure. A porous structure of the layer or of a corresponding component cross-section of the component can likewise be brought about particularly advantageously by this measure.
In einer Ausgestaltung werden zweite Bestrahlungsvektoren für eine Bestrahlung der additiv herzustellende Schicht und/oder in der additiv herzustellenden folgenden Schicht bereitge stellt, welche eine dichte Struktur der entsprechenden Schicht oder des entsprechenden Bauteilbereichs hervorrufen. Eine dichte Struktur soll vorliegend vorzugsweise eine weit gehend porenfreie Struktur, insbesondere ein Vollmaterial, bezeichnen. Vorteilhafterweise ist das Bauteil durch die die se Ausgestaltung mit einer ausreichenden mechanischen Stabi lität oder entsprechend gerade nicht permeablen Strukturei genschaften zu versehen. In one configuration, second irradiation vectors are provided for irradiating the layer to be produced additively and/or in the following layer to be produced additively, which cause a dense structure of the corresponding layer or the corresponding component area. In the present case, a dense structure should preferably refer to a largely non-porous structure, in particular a solid material. Advantageously, the component is to be provided with sufficient mechanical stability or corresponding structural properties that are just not permeable as a result of this configuration.
In einer Ausgestaltung stellen die ersten Bestrahlungsvekto ren eine Mehrzahl von parallelen Bestrahlungsvektoren einer (jeden) Schicht für das Bauteil dar, welche gemäß den Design anforderungen gerade mit porösen Eigenschaften ausgestattet werden sollen. In one configuration, the first irradiation vectors represent a plurality of parallel irradiation vectors of a (each) layer for the component, which, according to the design requirements, are to be equipped with porous properties.
In einer Ausgestaltung stellen die ersten Bestrahlungsvekto ren eine Mehrzahl von radial oder radialsymmetrisch verlau- fenden Bestrahlungsvektoren einer entsprechenden Bauteil schicht dar, wobei die ersten Bestrahlungsvektoren der fol genden Schicht relativ zu den ersten Bestrahlungsvektoren der Schicht, insbesondere verdreht oder rotiert werden. In one configuration, the first irradiation vectors represent a plurality of radially or radially symmetrical fenden irradiation vectors of a corresponding component layer, the first irradiation vectors of the following layer being twisted or rotated relative to the first irradiation vectors of the layer.
In einer Ausgestaltung werden weitere Bestrahlungsvektoren bereitgestellt und/oder angewendet, welche eine Mehrzahl von, insbesondere weitgehend, konzentrischen Bestrahlungsvektoren einer entsprechenden Schicht für das Bauteil darstellen, und wobei die weiteren Bestrahlungsvektoren eine zumindest teil weise poröse Struktur hervorrufen. Relativ zu den ersten Be strahlungsvektoren, können für die weiteren Bestrahlungsvek toren vorzugsweise andere Bestrahlungsparameter gewählt wer den, welche aber dennoch ebenfalls zur Ausbildung einer porö sen Struktur zweckmäßig geeignet sind. Durch diese Ausgestal tung kann die Struktur des Bauteils in bestimmten Bereichen weiter variiert und dementsprechend an eine entsprechende thermomechanische Belastungssituation angepasst werden. In one configuration, further irradiation vectors are provided and/or used, which represent a plurality of, in particular largely, concentric irradiation vectors of a corresponding layer for the component, and the further irradiation vectors produce an at least partially porous structure. Relative to the first irradiation vectors, other irradiation parameters can preferably be selected for the further irradiation vectors, which, however, are also expediently suitable for forming a porous structure. With this design, the structure of the component can be further varied in certain areas and accordingly adapted to a corresponding thermo-mechanical load situation.
In einer Ausgestaltung werden die weiteren Bestrahlungsvekto ren für die genannte Schicht und die folgende Schicht bereit gestellt, wobei die weiteren Bestrahlungsvektoren der folgen den Schicht relativ zu den weiteren Bestrahlungsvektoren der Schicht radial versetzt werden. Durch diese Ausgestaltung kann die Strukturvarianz oder Freiheitsgrade seiner Permeabi- litätseigenschaften des Bauteils weiterhin vorteilhafterweise erhöht werden. In one configuration, the further irradiation vectors for the said layer and the following layer are provided, with the further irradiation vectors of the following layer being offset radially relative to the further irradiation vectors of the layer. As a result of this configuration, the structural variance or degrees of freedom of its permeability properties of the component can also advantageously be increased.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung des Bauteils durch selek tives Laserschmelzen, selektives Lasersintern oder Elektro nenstrahlschmelzen . A further aspect of the present invention relates to a method for the additive manufacturing of the component by selective laser melting, selective laser sintering or electron beam melting.
In einer Ausgestaltung werden die Herstellungsanweisungen für die additiv herzustellende Schicht in einem ersten Bauteilbe reich des Bauteils festgelegt, und wobei in einem zweiten, von dem ersten Bauteilbereich verschiedenen Bauteilbereich, weitere Herstellungsanweisungen definiert, welche von den ge nannten Herstellungsanweisungen verschieden sind. In one configuration, the manufacturing instructions for the layer to be produced additively are specified in a first component area of the component, and in a second component area, different from the first component area, defines further manufacturing instructions which differ from the manufacturing instructions mentioned.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil, welches - wie oben beschrieben - herstellbar oder hergestellt ist, wobei das Bauteil eine zu kühlende Komponen te des Heißgaspfades einer Strömungsmaschine ist, wie eine Turbinenschaufel, eine Hitzeschildkomponente einer Brennkam mer und/oder ein Resonatorbauteil. A further aspect of the present invention relates to a component which - as described above - can be produced or produced, the component being a component to be cooled of the hot gas path of a turbomachine, such as a turbine blade, a heat shield component of a combustion chamber and/or a resonator component.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt, umfassend die Herstellungsanweisungen, wie oben beschrieben, wobei das Com puterprogrammprodukt bei der Ausführung eines entsprechenden Programms durch einen Computer, beispielsweise zur Ansteue rung und/oder Programmierung eines Build-Prozessors und oder eine Bestrahlungsvorrichtung einer additiven Herstellungsan lage, diese Mittel veranlassen, das Herstellen des Bauteils wie oben beschrieben durchzuführen. Another aspect of the present invention relates to a computer program or computer program product, comprising the manufacturing instructions, as described above, wherein the computer program product when executing a corresponding program by a computer, for example for controlling and/or programming a build processor and/or a Irradiation device of an additive manufacturing system, cause these means to carry out the manufacturing of the component as described above.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorlie gend auf das Verfahren zum Bereitstellen von Herstellungsan weisungen bzw. das Computerprogrammprodukt beziehen, können ferner das additive Herstellungsverfahren oder das Bauteil direkt oder eine dieses aufweisende Anwendung, wie ein Strö mungsmaschine betreffen, und umgekehrt. Configurations, features and/or advantages that relate to the method for providing manufacturing instructions or the computer program product can also relate directly to the additive manufacturing method or the component or to an application having it, such as a flow machine, and vice versa.
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. As used herein, the term "and/or" when used in a series of two or more items means that each of the listed items can be used alone, or any combination of two or more of the listed items can be used.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben. Further details of the invention are described below with reference to the figures.
Figur 1 deutet anhand einer schematischen Darstellung ein pulverbettbasiertes additives Herstellungsverfahren an. Figur 2 deutet eine schematische perspektivische Ansicht von Verläufen einer Kühlfluidströmung in einem Bauteil an sowie einzelne zu verfestigende Schichten desselben. FIG. 1 uses a schematic representation to indicate a powder bed-based additive manufacturing method. FIG. 2 indicates a schematic perspective view of courses of a cooling fluid flow in a component as well as individual layers of the same that are to be strengthened.
Figur 3 zeigt eine schematische Aufsicht von Bestrahlungsvek toren für eine additiv herzustellende Schicht. FIG. 3 shows a schematic plan view of irradiation vectors for a layer to be produced additively.
Figur 4 zeigt eine schematische Aufsicht von Bestrahlungsvek toren für eine folgende additiv herzustellende Schicht. FIG. 4 shows a schematic plan view of irradiation vectors for a subsequent layer to be produced additively.
Figur 5 deutet links - ähnlich zur Figur 2 - eine schemati sche Seiten- oder Schnittansicht (XZ-Ebene) von Strömungsver läufen in einem Bauteil an. Im rechten Teil der Darstellung ist ein Schichtverlauf und ein Versatz von Bestrahlungspfaden angedeutet. FIG. 5 indicates on the left--similarly to FIG. 2--a schematic side view or sectional view (XZ plane) of flow paths in a component. In the right part of the illustration, a layer profile and an offset of the radiation paths are indicated.
Figur 6 deutet analog zur Figur 5 eine schematische Seiten oder Schnittansicht (YZ-Ebene) von Strömungsverläufen in ei nem Bauteil an. Analogously to FIG. 5, FIG. 6 indicates a schematic lateral or sectional view (YZ plane) of flow patterns in a component.
Figur 7 zeigt eine schematische Aufsicht von radial verlau fenden Bestrahlungsvektoren. FIG. 7 shows a schematic plan view of radiation vectors running radially.
Figur 8 zeigt eine schematische Aufsicht von radial und kon zentrisch verlaufenden Bestrahlungsvektoren. FIG. 8 shows a schematic plan view of radiation vectors running radially and concentrically.
Figur 9 zeigt ähnlich zu Figur 8 eine schematische Aufsicht von Bestrahlungsvektoren für eine additiv herzustellende Schicht. Similar to FIG. 8, FIG. 9 shows a schematic plan view of irradiation vectors for a layer to be produced additively.
Figur 10 zeigt eine schematische Aufsicht von Bestrahlungs vektoren für eine auf die genannte Schicht folgende additiv herzustellende Schicht. FIG. 10 shows a schematic plan view of irradiation vectors for a layer to be produced additively following the layer mentioned.
Figur 11 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht ei nes rotationssymmetrischen Bauteilabschnitts mit zum Teil längs und umfänglich verlaufenden Strömungspfaden. Figur 12 und 13 deuten ähnlich zu den Figuren 9 und 10 einen radialen Versatz von konzentrisch verlaufenden Bestrahlungs verläufen von aufeinander folgenden additiv herzustellenden Schichten an. FIG. 11 shows a schematic perspective view of a rotationally symmetrical component section with flow paths running partially longitudinally and circumferentially. Similar to FIGS. 9 and 10, FIGS. 12 and 13 indicate a radial offset of concentrically running courses of irradiation of successive layers to be produced additively.
Figur 14 zeigt analog zur Figur 11 eine entsprechende per spektivische Ansicht eines Bauteilabschnitts gemäß den Figu ren 12 und 13. Analogous to FIG. 11, FIG. 14 shows a corresponding perspective view of a component section according to FIGS. 12 and 13.
Figur 15 deutet einen Radialschnitt des Bauteil gemäß der in den Figuren 12 bis 14 gezeigten Aufführung an. FIG. 15 indicates a radial section of the component according to the performance shown in FIGS. 12 to 14.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszei chen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Grö ßenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständ nis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein. In the exemplary embodiments and figures, elements that are the same or have the same effect can each be provided with the same reference numbers. The elements shown and their size ratios to one another are not to be regarded as true to scale; rather, individual elements may be shown with exaggerated thickness or large dimensions for better display and/or better understanding.
Figur 1 deutet anhand einer vereinfacht dargestellten Her stellungsanlage 100 Schritte eines additiven Herstellungspro zesses eines Bauteils 10 an. FIG. 1 indicates steps of an additive manufacturing process of a component 10 on the basis of a manufacturing system 100 shown in simplified form.
Die Herstellungsanlage 100 ist vorzugsweise als LPBF-Anlage und für den additiven Aufbau von Bauteilen oder Komponenten aus einem Pulverbett, insbesondere für selektives Laser schmelzen, ausgestaltet. Die Anlage 100 kann im Speziellen auch eine Anlage zum selektiven Lasersintern oder Elektronen strahlschmelzen betreffen. Entsprechend weist die Anlage eine Bauplattform 1 auf. Auf der Bauplattform 1 wird ein additiv herzustellendes Bauteil 10 schichtweise aus einem Pulverbett hergestellt. Letzteres wird durch ein Pulver P gebildet, wel ches durch eine Beschichtungseinrichtung 3 schichtweise auf der Bauplattform 1 verteilt werden kann. Nach dem Aufträgen einer jeden Schicht L aus Pulver P mit ei ner Schichtdicke werden gemäß der vorgegebenen Geometrie des Bauteils 10 selektiv Bereiche der Schicht L mit einem Ener giestrahl 5, beispielsweise einem Laser oder Elektronen strahl, von einer Bestrahlungseinrichtung 2 aufgeschmolzen und anschließend verfestigt. The manufacturing system 100 is preferably designed as an LPBF system and for the additive construction of parts or components from a powder bed, in particular for selective laser melting. The system 100 can specifically also relate to a system for selective laser sintering or electron beam melting. Accordingly, the system has a construction platform 1 . A component 10 to be produced additively is produced in layers from a powder bed on the construction platform 1 . The latter is formed by a powder P, which can be distributed in layers on the construction platform 1 by a coating device 3 . After each layer L of powder P with egg ner layer thickness has been applied, regions of the layer L are selectively melted by an irradiation device 2 with an energy beam 5, for example a laser or electron beam, according to the predetermined geometry of the component 10 and then solidified.
Für die Bestrahlung der Pulverschichten L mit einem Energie strahl 5 weist die Anlage 100 vorzugsweise eine Bestrahlungs vorrichtung 2 auf. The system 100 preferably has an irradiation device 2 for irradiating the powder layers L with an energy beam 5 .
Nach jeder Schicht L wird die Bauplattform 1 vorzugsweise um ein der Schichtdicke L entsprechendes Maß abgesenkt (verglei che nach unten gerichteter Pfeil in Figur 1). Die Dicke L be trägt üblicherweise lediglich zwischen 20 und 40 gm, so dass der gesamte Prozess leicht eine Anzahl von Tausenden bis hin zu mehreren Zehntausend Schichten erfordert. After each layer L, the construction platform 1 is preferably lowered by an amount corresponding to the layer thickness L (compare the downward-pointing arrow in FIG. 1). The thickness L is usually only between 20 and 40 gm, so that the entire process easily requires a number of thousands to several tens of thousands of layers.
Die Geometrie des Bauteils 10 wird üblicherweise durch eine CAD-Datei („Computer-Aided-Design") festgelegt. Nach dem Ein lesen einer solchen Datei in die Herstellungsanlage 100 er fordert der Prozess anschließend zunächst die Festlegung ei ner geeigneten Bestrahlungsstrategie beispielsweise durch Mittel des CAM („Computer-Aided-Manufacturing"), wodurch auch ein Aufteilen der Bauteilgeometrie in die einzelnen Schichten erfolgt. Dies kann durch einen entsprechenden Build-Prozessor 4 über ein Computerprogramm durchgeführt oder umgesetzt wer den. The geometry of the component 10 is usually defined by a CAD file ("Computer-Aided-Design"). After reading such a file into the manufacturing system 100, the process then first requires the definition of a suitable irradiation strategy, for example by means of the CAM ("Computer-Aided-Manufacturing"), whereby the component geometry is also divided into the individual layers. This can be carried out or implemented by a corresponding build processor 4 via a computer program.
Das Bauteil 10 ist vorzugsweise eine kühlbare und im Betrieb zu kühlende Komponente des Heißgaspfades einer Strömungsma schine, wie eine Turbinenschaufel, Hitzeschildkomponente ei ner Brennkammer und/oder eine Resonatorkomponente, beispiels weise ein Helmholtz-Resonator. The component 10 is preferably a component of the hot gas path of a flow machine that can be cooled and is to be cooled during operation, such as a turbine blade, heat shield component of a combustion chamber and/or a resonator component, for example a Helmholtz resonator.
Alternativ kann es sich bei dem Bauteil 10 um ein Ringseg ment, ein Brennerteil oder eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, eine Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Stempel oder ei nen Wirbler handeln, oder einen entsprechenden Übergang, Ein satz, oder ein entsprechendes Nachrüstteil. Alternatively, the component 10 can be a ring segment, a burner part or tip, a skirt, a shield, a heat shield, a nozzle, a seal, a filter, muzzle or lance, ram or swirler, or equivalent transition, insert, or equivalent retrofit part.
Um Herstellungsanweisungen für den Aufbau des Bauteils (siehe weiter unten), beispielsweise ausgehend von einer vorgegebe nen CAD-Geometrie des Bauteils umzusetzen oder zu prozessie ren, wird der genannte Build-Prozessor 4 oder eine entspre chende Schaltung vorgesehen, welche beispielsweise mit ent sprechenden CAM-Informationen oder Herstellungsanweisungen programmiert werden kann und/oder die Bestrahlungsvorrichtung 2 entsprechend veranlassen kann, das Bauteil gemäß den weiter unten beschriebenen Herstellungsanweisungen schichtweise auf zubauen. Die Build-Prozessorschaltung 4 fungiert vorzugsweise als Schnittstelle zwischen der den eigentlichen Aufbauprozess vorbereitenden Software und der entsprechenden Hardware der Herstellungsanlage 100. Der Build-Prozessor kann dazu bei spielsweise eingerichtet sein, ein Computerprogramm (vgl. Computerprogrammprodukt CPP) mit entsprechenden Herstellungs anweisungen, auszuführen. In order to implement or process manufacturing instructions for the construction of the component (see below), for example based on a given CAD geometry of the component, said build processor 4 or a corresponding circuit is provided, which, for example, is equipped with corresponding CAM Information or manufacturing instructions can be programmed and/or the irradiation device 2 can accordingly cause the component to be built up layer by layer in accordance with the manufacturing instructions described below. The build processor circuit 4 preferably acts as an interface between the software that prepares the actual construction process and the corresponding hardware of the production system 100. The build processor can be set up, for example, to run a computer program (cf. computer program product CPP) with corresponding production instructions.
Verfahren zum Bereitstellen von Herstellungsanweisungen für die pulverbettbasierte additive Herstellung des Bauteils 10, umfassen erfindungsgemäß das Bereitstellen von ersten Be strahlungsvektoren VI für eine additiv herzustellende Schicht n (vgl. Figuren weiter unten), welche bei einer entsprechen den Bestrahlung durch den Energiestrahl 5, eine poröse Struk tur der Schicht n hervorrufen. Weiterhin umfasst das Verfah ren das Bereitstellen der ersten Bestrahlungsvektoren VI, für eine, auf die Schicht n folgende, additiv herzustellende Schicht n+1 derart, dass Pfade 11 einer porösen Struktur 12 der Schicht n und der folgenden Schicht n+1 in einer Schicht ebene zumindest teilweise überlappen, um eine Durchströmung des hergestellten Bauteils entlang und/oder schräg seiner Aufbaurichtung Z zu ermöglichen. Methods for providing manufacturing instructions for the powder bed-based additive manufacturing of the component 10 include, according to the invention, the provision of first irradiation vectors VI for a layer n to be produced additively (cf. Figures below), which, in the case of a corresponding irradiation by the energy beam 5, is a porous structure of the layer n cause. The method also includes providing the first irradiation vectors VI for a layer n+1 to be produced additively after layer n in such a way that paths 11 of a porous structure 12 of layer n and the following layer n+1 are in one layer at least partially overlap in order to allow flow through the manufactured component along and/or obliquely in its assembly direction Z.
Figur 2 deutet in der perspektivischen Ansicht ein Bauteil bzw. einen Bauteilabschnitt an, welcher schichtweise additiv aufgebaut werden kann. Die gestrichelten Linien unterscheiden einzelne Bauteilschichten. Durch die mit dem Bezugszeichen F bezeichneten diagonal bzw. schräg verlaufenden Pfeile soll eine entsprechende Strömungsrichtung angedeutet sein, gemäß der der Bauteilabschnitt, im bestimmungsgemäßen Betrieb zweckmäßig von einem Kühlfluid zur Kühlung durchströmt werden kann. FIG. 2 shows a perspective view of a component or a component section which is additively layered can be built. The dashed lines distinguish individual component layers. The arrows running diagonally or obliquely marked with the reference character F are intended to indicate a corresponding direction of flow, according to which the component section can expediently be flowed through by a cooling fluid for cooling during normal operation.
Gemäß der Darstellung verläuft die Strömungsrichtung F zumin dest teilweise in der XZ-Ebene und leicht geneigt zur Aufbau richtung Z. Um solch eine Durchströmbarkeit oder Permeabili tät des Bauteils zu gewährleisten, muss im Vorfeld bereits eine erfindungsgemäße Scan- oder Bestrahlungsstrategie defi niert werden. According to the illustration, the flow direction F runs at least partially in the XZ plane and is slightly inclined to the direction Z. In order to ensure such flowability or permeability of the component, a scanning or irradiation strategy according to the invention must be defined in advance.
Insbesondere kann eine solche Funktonalität mit diagonal oder schräg zur Aufbaurichtung Z verlaufender Porosität oder Durchlässigkeit nicht mehr durch schichtweise gleichartige oder gleichartig angeordnete Bestrahlungsparameter erzielt werden, sondern es bedarf vorzugsweise eines Versatzes von Bestrahlungsvektoren mit entsprechend gewählten oder variier ten Bestrahlungsparametern. In particular, such a functionality with porosity or permeability running diagonally or at an angle to the build-up direction Z can no longer be achieved by irradiation parameters arranged in layers of the same type or in the same way, but rather an offset of irradiation vectors with appropriately selected or varied irradiation parameters is required.
Zur Erzielung einer porösen Struktur in den beschriebenen Kühlverläufen oder Kanälen kann beispielsweise eine Bestrah lungsleistung P der ersten Bestrahlungsvektoren VI verringert und/oder eine Bestrahlungsgeschwindigkeit v dieser relativ zu Standardparametern zur Ausbildung einer Vollmaterialstruktur, erhöht werden. Dies ist in Figur 3 und den folgenden Figuren angedeutet. To achieve a porous structure in the described cooling paths or channels, for example, an irradiation power P of the first irradiation vectors VI can be reduced and/or an irradiation speed v of these can be increased relative to standard parameters for forming a solid material structure. This is indicated in FIG. 3 and the following figures.
Figur 3 zeigt die ersten Bestrahlungsvektoren VI (vertikal), welche die funktionale Porosität hervorrufen. Diese sind le diglich beispielhaft rasterartig angeordnet. Gemäß der Dar stellung der Figur 3 umfassen die ersten Bestrahlungsvektoren VI eine Mehrzahl von parallelen Bestrahlungsvektoren einer gegebenen Schicht n für das Bauteil 10. Die Schicht n kann eine beliebige Schicht im Schichtaufbau des Bauteils bedeu ten. FIG. 3 shows the first irradiation vectors VI (vertical) which cause the functional porosity. These are only arranged in a grid-like manner, for example. According to the illustration in FIG. 3, the first irradiation vectors VI comprise a plurality of parallel irradiation vectors of a given layer n for the component 10. The layer n can any layer in the layer structure of the component.
Zudem können zweite Bestrahlungsvektoren V2 für eine Bestrah lung der additiv herzustellenden Schicht n und/oder in der additiv herzustellenden folgenden Schicht n+1 (vgl. Figur 4 weiter unten) bereitgestellt werden, welche eine dichte Struktur der entsprechenden Schicht hervorrufen, insbesondere ein Vollmaterial. Dies ist Figur 3 durch den Hintergrund an gedeutet. Eine solche dichte Struktur ist üblicherweise aus Stabilitätsgründen bzw. für die Formfestigkeit des Bauteils 10 zweckmäßig. In addition, second irradiation vectors V2 can be provided for irradiation of layer n to be produced additively and/or in the following layer n+1 to be produced additively (cf. FIG. 4 below), which produce a dense structure of the corresponding layer, in particular a solid material. This is indicated in Figure 3 by the background. Such a dense structure is usually expedient for reasons of stability or for the dimensional stability of the component 10 .
Weiterhin können raster- oder gitterartig weitere, dritte, Bestrahlungsvektoren V3 (horizontal) vorgesehen werden. Diese Vektoren V3 können ebenfalls eine poröse Struktur in dem Bau teilabschnitt, beispielsweise eine andersartige poröse Struk tur mit einer anders bemessenen Porosität, der entsprechenden Schicht hervorrufen. Furthermore, further, third, irradiation vectors V3 (horizontal) can be provided in the manner of a grid or grid. These vectors V3 can also produce a porous structure in the construction section, for example a different type of porous structure with a differently measured porosity, of the corresponding layer.
Eine Bestrahlung gemäß den ersten Bestrahlungsvektoren VI und den weiteren Bestrahlungsvektoren V3 kann beispielweise je weils eine Porosität von zwischen 5 % und 40 % betragen, vor zugsweise von etwa 20 %. Irradiation according to the first irradiation vectors VI and the further irradiation vectors V3 can, for example, each have a porosity of between 5% and 40%, preferably of about 20%.
Figur 4 zeigt - analog zur Figur 3 - schematisch eine Auf sicht auf eine auf die in Figur 3 gezeigte folgende Bauteil schicht n+1, bzw. eine entsprechende Rohpulverschicht. Anhand der Anordnung der ersten Bestrahlungsvektoren VI erkennt man relativ zur Schicht n einen linearen Versatz dieser Bestrah lungsvektoren (vgl. Figur 5). FIG. 4 shows--analogously to FIG. 3--a schematic plan view of a component layer n+1 following that shown in FIG. 3, or a corresponding raw powder layer. The arrangement of the first irradiation vectors VI shows a linear offset of these irradiation vectors relative to layer n (cf. FIG. 5).
Dieser Versatz erlaubt die Ausbildung der in Figur 5 darge stellten Permeabiltätsverläufe schräg zur Aufbaurichtung (vgl. auch Figur 2). Figur 5 zeigt im linken Teil der Dar stellung eine Seitenansicht des Bauteilabschnitts in XZ-Ebene mit diagonal verlaufenden Pfaden 11 in der Struktur des Bau teils, welche einen Kühl- oder Strömungspfad andeuten sollen. Im rechten Teil der Darstellung der Figur 5 ist die Situation vergrößert für drei aufeinanderfolgende Schichten n, n+1 und n+2 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die durch die ers ten Bestrahlungsvektoren VI im Wege des additiven Herstel lungsprozesses verfestigten Strukturpfade 11 schichtweise um das Maß d versetzt wird, um den diagonalen bzw. schrägen Ver lauf herzustellen. This offset allows the permeability curves shown in FIG. 5 to form obliquely to the direction of build-up (cf. also FIG. 2). In the left part of the representation, FIG. 5 shows a side view of the component section in the XZ plane with diagonal paths 11 in the structure of the component, which are intended to indicate a cooling or flow path. In the right-hand part of the illustration in FIG. 5, the situation is shown enlarged for three successive layers n, n+1 and n+2. It can be seen that the structure paths 11 reinforced by the first irradiation vectors VI in the course of the additive manufacturing process are offset in layers by the amount d in order to produce the diagonal or oblique course.
Mit anderen Worten beruht die vorgestellte Scanstrategie auf einer Verschiebung der Bestrahlungsvektoren in eine Vorzugs richtung, um die Ausbildung der zu durchströmenden Kavitäten oder Strömungspfade zu begünstigen. Soll beispielsweise eine Strömung, wie im gezeigten Beispiel, in einem Winkel von mehr oder weniger als 90° relativ zur XY- oder Schichtebene, d.h. zumindest teilweise entlang der Z Richtung entstehen, so wird ein Vektor VI in der Schicht n+1 um den Betrag d translato risch entlang der positiven X- oder Y-Richtung verschoben.In other words, the presented scanning strategy is based on a shift of the irradiation vectors in a preferred direction in order to favor the formation of the cavities or flow paths to be flowed through. For example, if a flow, as in the example shown, is to occur at an angle of more or less than 90° relative to the XY or slice plane, ie at least partially along the Z direction, a vector VI in slice n+1 is created by the amount d translated translationally along the positive X or Y direction.
Der Betrag d bestimmt dabei den gewünschten Winkel, den der Verlauf der Strömungspfade zur Aufbaurichtung Z bilden soll. The amount d determines the desired angle that the course of the flow paths should form with respect to the Z direction of construction.
Alternativ zu dieser Anordnung kann auch komplett auf einen Versatz verzichtet werden, um einen genau vertikalen Verlauf der Pfade 11 zu erzielen (nicht explizit gekennzeichnet). As an alternative to this arrangement, an offset can also be dispensed with completely in order to achieve an exactly vertical course of the paths 11 (not explicitly marked).
Figur 6 deutet analog zur Figur 5 eine Situation in der ande ren lateralen Richtung, der Y-Richtung, relativ zur Aufbau richtung Z an. Analogously to FIG. 5, FIG. 6 indicates a situation in the other lateral direction, the Y-direction, relative to the Z build-up direction.
Links ist wieder eine Seitenansicht des Bauteilabschnitts in YZ Ebene mit diagonal verlaufenden Pfaden 11 in der Struktur des Bauteils gezeigt, welche eine Durchströmung andeuten sol len. On the left is again a side view of the component section in the YZ plane with diagonal paths 11 in the structure of the component, which are intended to indicate a flow.
Im rechten Teil der Darstellung in Figur 6 ist die Situation wieder im Schichtquerschnitt angedeutet. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit ist hier ein zur Darstellung der Figur 5 ähnlicher Versatz d angedeutet, so dass sich für das Bauteil 10 insgesamt ein gleichmäßiger diagonal schräger Verlauf der Pfade 11 ergibt. In the right part of the illustration in FIG. 6, the situation is again indicated in the layer cross section. Without loss of generality, an offset d similar to that shown in FIG. 5 is indicated here, so that the component 10 results in a uniform diagonally oblique course of the paths 11 overall.
Figur 7 zeigt eine Aufsicht auf eine kreisförmige Herstel lungsfläche bzw. einen runden Schichtbereich. Eine Radial richtung ist ausgehend von einem zentralen Bereich mit einem Pfeil und dem Bezugszeichen R gekennzeichnet. Entlang von R sind - vorliegend lediglich beispielhaft radialsymmetrisch angeordnet - erste Bestrahlungsvektoren VI eines entsprechen den Bestrahlungsmusters angeordnet bzw. bereitgestellt, um eine poröse Schichtstruktur zu bilden. Diese erlaubt nach der Herstellung vorteilhafterweise wieder eine radial Durchströ mung mit einem Fluid F, und eine entsprechend erzielbare Küh lung im Bauteil. FIG. 7 shows a top view of a circular production area or a round layer area. A radial direction is marked with an arrow and the reference symbol R starting from a central area. First irradiation vectors VI of a corresponding irradiation pattern are arranged or provided along R--arranged radially symmetrically in the present case merely by way of example--in order to form a porous layer structure. After production, this advantageously again allows a radial throughflow of a fluid F, and a correspondingly achievable cooling in the component.
Die genannten ersten Bestrahlungsvektoren VI verlaufen gleichmäßig im Abstand eines Polarwinkels. Dieser Winkelab stand kann - anders als dargestellt - natürlich auch zwischen einzelnen Vektoren VI variieren. Said first radiation vectors VI run uniformly at a distance of one polar angle. Contrary to what is shown, this angle distance can of course also vary between individual vectors VI.
Weiterhin sind zweite Bestrahlungsvektoren - zur Ausbildung einer dichten Materialstruktur der Schicht - bezeichnet. Die se Vektoren V2 bedeuten die restliche Schichtstruktur und sind - der Übersichtlichkeit halber - ohne einzelne Bestrah lungspfade dargestellt. Furthermore, second irradiation vectors—for forming a dense material structure of the layer—are designated. These vectors V2 mean the remaining layer structure and are shown—for the sake of clarity—without individual irradiation paths.
Insbesondere bei rotationssymmetrischen Bauteilen oder Struk turen können Scanvektoren gemäß der Figur 7 bereitgestellt werden. In particular in the case of rotationally symmetrical components or structures, scan vectors according to FIG. 7 can be provided.
Zusätzlich dazu sind in Figur 8 eine Mehrzahl von weiteren, konzentrisch angeordneten Bestrahlungsvektoren V3 angedeutet, welche ebenfalls eine zumindest teilweise poröse Struktur ei ner der Schichten hervorrufen. Dies, um beispielsweise eine Kühlwirkung auch in Umfangsrichtung hervorrufen zu können, wenn das Bauteil im Betrieb entsprechend durchströmt und ge kühlt werden soll. In Figur 8 sind die genannten radial verlaufenden Bestrah lungsvektoren VI durch konzentrisch verlaufende Bahnen oder Verläufe V3 ergänzt, die durch einen radialen Abstand vonei nander entfernt verlaufen und sowohl einen geschlossenen als auch einen unterbrochenen Verlauf bilden können. Dies gilt für die anderen beschriebenen Bestrahlungsvektoren gleicher maßen. Die Durchlässigkeit für ein Kühlfluid F kann bei spielsweise durch das Auslassen von Schichten, sowie das He rabsetzen ihrer eingebrachten Energie erreicht werden. Es können z.B. auch gezielt offene Stellen vorgesehen werden, welche eine entsprechende Permeabilität erlauben. In addition to this, a plurality of further, concentrically arranged irradiation vectors V3 are indicated in FIG. 8, which likewise produce an at least partially porous structure in one of the layers. This, for example, to be able to bring about a cooling effect in the circumferential direction if the component is to be flown through and cooled accordingly during operation. In FIG. 8, the above-mentioned radiation vectors VI running radially are supplemented by concentric paths or paths V3, which run at a radial distance from one another and can form both a closed and an interrupted path. This applies equally to the other radiation vectors described. The permeability for a cooling fluid F can be achieved, for example, by omitting layers and reducing the energy they have introduced. For example, open areas can also be provided in a targeted manner, which allow a corresponding permeability.
Für andere Anwendungen kann demgegenüber - beispielsweise sektorweise - eine undurchlässige „Wand" vorgesehen sein, wenn das Bauteil 10 oder der entsprechende Bauteilbereich beispielsweise lediglich in Z-Richtung gekühlt werden soll. For other applications, on the other hand, an impermeable “wall” can be provided—for example in sectors—if the component 10 or the corresponding component area is to be cooled only in the Z direction, for example.
Wird nun eine Anpassung oder Versetzung der Vektoren von Schicht zu Schicht vorgenommen, ähnlich der oben beschriebe nen Ausführungsformen, kann ebenfalls eine dreidimensionale Durchströmung ermöglicht werden. Dies ist in den folgenden Figuren angedeutet. If the vectors are now adapted or shifted from layer to layer, similar to the embodiments described above, a three-dimensional flow can also be made possible. This is indicated in the following figures.
Figur 9 zeigt für eine gegebene Schicht n ein bereits anhand der Figur 8 beschriebenes Bestrahlungsmuster, umfassend die ersten, zweiten und weiteren, dritten, Bestrahlungsvektoren VI, V2 und V3. FIG. 9 shows, for a given slice n, an irradiation pattern already described with reference to FIG. 8, comprising the first, second and further, third, irradiation vectors VI, V2 and V3.
Figur 10 zeigt die Situation wieder für eine - vorzugsweise unmittelbar - folgende Schicht n+1. Es ist zu erkennen, dass die ersten Bestrahlungsvektoren VI der folgenden Schicht n+1 relativ zu den ersten Bestrahlungsvektoren VI der Schicht n um einen kleinen Winkel Df im Uhrzeigersinn verdreht wurden. Durch diese Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung lässt sich die Durchströmbarkeit und Kühlwirkung ebenfalls auf vor teilhafte Weise maßschneidern und lokal entscheidend verbes- sern. Figur 11 zeigt eine perspektivische Schema-Ansicht einer zy lindrischen oder annähernd rotationssymmetrischen Bauteil struktur, welche gemäß einem Bestrahlungsmusters gemäß den Figuren 9 und 10 herstellbar ist. Dabei wurden schichtweise jeweils die erste Bestrahlungsvektoren VI verdreht oder rota torisch versetzt, sodass die gezeigten, relativ zur Aufbau richtung Z schräg verlaufenden Pfade 11 des Bauteils 10 her gestellt werden können. Gemäß der Darstellung der Figur 11, ist die Verdrehung entgegen dem Uhrzeigersinn dargestellt. FIG. 10 again shows the situation for a—preferably immediately—following layer n+1. It can be seen that the first irradiation vectors VI of the following slice n+1 have been rotated clockwise by a small angle Df relative to the first irradiation vectors VI of slice n. With this configuration of the present invention, the through-flow and cooling effect can likewise be tailored in an advantageous manner and locally decisively improved. FIG. 11 shows a perspective schematic view of a cylindrical or approximately rotationally symmetrical component structure which can be produced according to an irradiation pattern according to FIGS. 9 and 10. In this case, the first irradiation vectors VI were twisted or rotationally offset layer by layer, so that the paths 11 of the component 10 that are shown and run obliquely relative to the direction Z of construction can be produced. According to the illustration in FIG. 11, the anti-clockwise rotation is shown.
Die Figuren 12 bis 14 deuten überdies an, dass neben der Ver drehung der strömungsaktiven Pfade (vgl. VI) im Bauteil 10 auch eine Strudelwirkung (vgl. Bestrahlungsvektoren V3) oder wirbelartige Durchströmung und Kühlung erzielt werden kann. Dazu können die konzentrischen Bahnen schichtweise beispiels weise mit einem radialen Versatz (vgl. Ar) versehen werden, und somit über das gesamte Bauteil eine entsprechend verbes serte Durchströmung und Kühlung angegeben werden. Dies ist insbesondere in Figur 13 für die Schicht n+1 dargestellt. FIGS. 12 to 14 also indicate that, in addition to twisting the flow-active paths (cf. VI) in component 10, a whirlpool effect (cf. irradiation vectors V3) or eddy-like flow and cooling can also be achieved. For this purpose, the concentric tracks can be provided in layers, for example with a radial offset (cf. Ar), and thus a correspondingly improved flow and cooling can be specified over the entire component. This is shown in particular in FIG. 13 for layer n+1.
Auch kann der radiale Versatz ohne einen polaren Versatz vor gesehen werden, und umgekehrt. Also, the radial offset can be provided without a polar offset, and vice versa.
Figur 14 zeigt eine perspektivische schematische Ansicht des Bauteils 10 mit sowohl einem radialen als auch einem polaren Versatz von porositätsstiftenden Bestrahlungsvektoren VI und V3. FIG. 14 shows a perspective schematic view of the component 10 with both a radial and a polar offset of the porosity-causing irradiation vectors VI and V3.
Durch solch eine Scan- oder Bestrahlungsstrategie könnte bei spielsweise ein Schmiermittel einem Bauteilbereich oder einem Lager in Z-Richtung zugeführt werden, und sich dann sowohl umfangsseitig als auch über die Länge und den Radius des La gers gleichmäßig auf eine Welle zu übertragen. Such a scanning or irradiation strategy could, for example, be used to supply a lubricant to a component area or a bearing in the Z direction, and then to be evenly transferred to a shaft both circumferentially and over the length and radius of the bearing.
Ein Radial- bzw. Längsschnitt der Struktur aus Figur 14 ist in Figur 15 dargestellt, wo insbesondere die konzentrischen und längs verlaufenden Strömungspfade - durch den schichtwei- sen radialen Versatz (vgl. Figuren 12 und 13) leicht schräg zur Z-Richtung angestellt angeordnet sind. A radial or longitudinal section of the structure of Figure 14 is shown in Figure 15, where in particular the concentric and longitudinal flow paths - through the layered sen radial offset (see FIGS. 12 and 13) are arranged slightly inclined to the Z-direction.
Die vorgestellten Bestrahlungsstrategien erlauben vorteilhaf- terweise eine Konfektionierung von Kühlungs- oder Wärmeaus- tragseigenschaften von thermisch hoch belasteten Bauteilen im Allgemeinen. Die thermischen Eigenschaften können mit den vorgestellten Lösungen selbstverständlich ebenfalls nur auf lokale oder einzelne Bereiche der Komponente angepasst und verbessert werden. The irradiation strategies presented advantageously allow a tailoring of cooling or heat dissipation properties of thermally highly stressed components in general. Of course, the thermal properties can also only be adapted and improved to local or individual areas of the component with the solutions presented.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Verfahren zum Bereitstellen von Herstellungsanweisungen für die pulverbettbasierte additive Herstellung eines Bau teils (10), umfassend das: 1. A method for providing manufacturing instructions for the powder bed-based additive manufacturing of a component (10), comprising:
- Bereitstellen von ersten Bestrahlungsvektoren (VI) für eine additiv herzustellende Schicht (n), welche bei einer ent sprechenden Bestrahlung durch einen Energiestrahl (5), ins besondere einen Laser oder Elektronenstrahl, eine poröse Struktur der Schicht hervorrufen, und - Providing first irradiation vectors (VI) for a layer (s) to be produced additively, which, given corresponding irradiation by an energy beam (5), in particular a laser or electron beam, cause the layer to have a porous structure, and
- Bereitstellen der ersten Bestrahlungsvektoren (VI), für ei ne auf die Schicht (n) folgende, additiv herzustellende Schicht (n+1) derart, dass Pfade (11) einer porösen Struk tur (12) der Schicht (n) und der folgenden Schicht (n+1) zumindest teilweise überlappen, um eine Durchströmung des hergestellten Bauteils (10) entlang einer Aufbaurichtung (Z) des Bauteils (10) zu ermöglichen, wobei die ersten Be strahlungsvektoren (VI) der folgenden Schicht (n+1) relativ zu den ersten Bestrahlungsvektoren (VI) der Schicht (n) verdreht (cp) werden. - Providing the first irradiation vectors (VI) for ei ne on the layer (n) following layer (n + 1) to be produced additively such that paths (11) of a porous structure (12) of the layer (n) and the following Layer (n + 1) at least partially overlap in order to allow flow through the manufactured component (10) along a construction direction (Z) of the component (10), the first radiation vectors (VI) of the following layer (n + 1) being relatively rotated (cp) to the first exposure vectors (VI) of the layer (n).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die ersten Bestrahlungs vektoren (VI) der Schicht (n) und der folgenden Schicht (n+1) in der Schichtebene um ein Maß überlappen, dass kleiner ist als eine laterale Ausdehnung der Pfade (11). 2. The method according to claim 1, wherein the first irradiation vectors (VI) of the layer (n) and the following layer (n+1) overlap in the layer plane by an amount that is smaller than a lateral extent of the paths (11).
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten Be strahlungsvektoren (VI) der folgenden Schicht (n+1) relativ zu den ersten Bestrahlungsvektoren (VI) der Schicht (n) ver setzt (d) werden. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein the first irradiation vectors (VI) of the following layer (n+1) are offset (d) relative to the first irradiation vectors (VI) of the layer (n).
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Bestrahlungsleistung (P) der ersten Bestrahlungsvektoren (VI) verringert sind und/oder eine Bestrahlungsgeschwindig keit (v) dieser relativ zu Standardparametern zur Ausbildung einer Vollmaterialstruktur, erhöht werden. 4. The method as claimed in one of the preceding claims, in which an irradiation power (P) of the first irradiation vectors (VI) is reduced and/or an irradiation speed (v) of these is increased relative to standard parameters for forming a solid material structure.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zweite Bestrahlungsvektoren (V2) für eine Bestrahlung der ad ditiv herzustellenden Schicht (n) und/oder in der additiv herzustellenden folgenden Schicht (n+1) bereitgestellt wer den, welche eine dichte Struktur der entsprechenden Schicht hervorrufen. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein second irradiation vectors (V2) for an irradiation of the layer (n) to be produced additively and/or in the following layer (n+1) to be produced additively are provided, which have a dense structure of the corresponding cause layer.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Bestrahlungsvektoren (VI) eine Mehrzahl von paral lelen Bestrahlungsvektoren einer jeden Schicht für das Bau teil (10) darstellen. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the first irradiation vectors (VI) represent a plurality of parallel irradiation vectors of each layer for the component (10).
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Bestrahlungsvektoren (VI) eine Mehrzahl von radial oder radialsymmetrisch verlaufenden Bestrahlungsvektoren ei ner jeden Schicht für das Bauteil (10) darstellen, und wobei die ersten Bestrahlungsvektoren (VI) der folgenden Schicht relativ zu den ersten Bestrahlungsvektoren der Schicht ver dreht (cp) werden. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the first radiation vectors (VI) represent a plurality of radiation vectors running radially or radially symmetrically in each layer for the component (10), and wherein the first radiation vectors (VI) of the following layer are relative to the first irradiation vectors of the layer rotated (cp).
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei weitere Bestrahlungsvek toren (V3) bereitgestellt werden, welche eine Mehrzahl von konzentrischen Bestrahlungsvektoren einer jeden Schicht für das Bauteil (10) darstellen, und wobei die weiteren Bestrah lungsvektoren (V3) eine zumindest teilweise poröse Struktur einer jeden Schicht hervorrufen. 8. The method according to claim 7, wherein further irradiation vectors (V3) are provided, which represent a plurality of concentric irradiation vectors of each layer for the component (10), and wherein the further irradiation vectors (V3) have an at least partially porous structure of each cause layer.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die weiteren Bestrah lungsvektoren (V3) für die Schicht (n) und für die folgende Schicht (n+1) bereitgestellt werden, und wobei die weiteren Bestrahlungsvektoren (V3) der folgenden Schicht relativ zu den weiteren Bestrahlungsvektoren (V3) der Schicht radial versetzt werden. 9. The method according to claim 8, wherein the further irradiation vectors (V3) are provided for the layer (n) and for the following layer (n+1), and wherein the further irradiation vectors (V3) of the following layer are relative to the further irradiation vectors (V3) of the layer are offset radially.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wel ches ein CÄM-Verfahren (4) ist. 10. Method according to one of the preceding claims, which is a CAM method (4).
11. Verfahren zur additiven Herstellung des Bauteils (10) durch selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmel zen, mit den gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche bereit gestellten Herstellungsanweisungen. 11. Method for additive manufacturing of the component (10) by selective laser melting or electron beam melting, with the manufacturing instructions provided according to one of the preceding claims.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Herstellungsanwei sungen für die additiv herzustellende Schicht in einem ersten Bauteilbereich des Bauteils (10) festgelegt werden, und wobei in einem zweiten, von dem ersten Bauteilbereich verschiedenen Bauteilbereich, weitere Herstellungsanweisungen definiert werden, welche von den Herstellungsanweisungen verschieden sind. 12. The method according to claim 11, wherein the manufacturing instructions for the layer to be produced additively are defined in a first component area of the component (10), and wherein further manufacturing instructions are defined in a second component area, different from the first component area, which are different from the manufacturing instructions are different.
13. Bauteil (10), welches gemäß dem Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 hergestellt ist, wobei das Bauteil (10) eine zu kühlende Komponente des Heißgaspfades einer Strömungsmaschine ist, wie eine Turbinenschaufel, eine Hitzeschildkomponente einer Brennkammer und/oder ein Resonatorbauteil. A component (10) manufactured according to the method of claim 11 or 12, wherein the component (10) is a component of the hot gas path of a turbomachine to be cooled, such as a turbine blade, a heat shield component of a combustor and/or a resonator component.
14. Computerprogrammprodukt (CPP), umfassend die Herstel lungsanweisungen gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das bei der Ausführung eines entsprechenden Pro gramms durch einen Computer, beispielsweise zur Ansteuerung und/oder Programmierung eines Build-Prozessors (4) und/oder einer Bestrahlungsvorrichtung (2) einer additiven Herstel lungsanlage (100), diesen veranlassen, das Herstellen des Bauteils (10) gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13 durchzu führen. 14. Computer program product (CPP) comprising the production instructions according to the method according to any one of claims 1 to 10, the program during the execution of a corresponding Pro by a computer, for example for controlling and / or programming a build processor (4) and / or an irradiation device (2) of an additive manufacturing installation (100), causing this to produce the component (10) according to one of claims 12 or 13.
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