WO2014146903A1 - Verfahren zum laserschmelzen mit mindestens einem arbeitslaserstrahl - Google Patents

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WO2014146903A1
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Ursus KRÜGER
Olaf Rehme
Daniel Reznik
Martin Schäfer
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method for laser melting, in which a component is produced in layers in a powder bed by the particles forming the powder bed are melted by at least one working laser beam. Upon solidification, the particles then form a position of the component. Subsequently, successive layers of powder particles are formed on the solidified surface of the component and in turn melted by means of the working laser beam. This creates a layered three-dimensional component.
  • the power density is too low to bring about a melting of the particles.
  • This at least one auxiliary laser beam is on a directed to the molten bath, lying on the component cooling zone.
  • the energy input by the auxiliary laser beam is therefore not sufficient to melt the particles.
  • the auxiliary laser beam can not hold the particles in the molten state. Rather, a cooling of the molten bath and also lying on the component cooling zone is recorded, however, the auxiliary laser beam reduces the cooling rate and thus the temperature gradient in the cooling component.
  • the object is to improve a method for laser melting in such a way that favorable component properties with respect to the mechanical characteristic values can be produced with this method.
  • the power density of the auxiliary laser beam or the auxiliary laser beams is controlled as a function of the volume surrounding the cooling zone of the already produced component by the power density is the more reduced, the less volume for heat dissipation available stands.
  • the conditions prevailing in the middle of the surface to be produced in the powder bed do not readily correspond to those in the vicinity of edges of this surface to be produced. For example, at the first edge to be produced or even in corners of a surface to be produced or in narrow webs to be produced, comparatively less adjacent material is available for heat conduction than in the middle of a surface to be produced.
  • the power density (hereinafter, power density is always the area power density, also referred to as the intensity of the laser) of the laser beam is defined by the power of the laser beam and its impact on the powder bed, molten bath, or finished component. This can be specified, for example, in W / cm 2 . Taking into account this definition, the power density of the auxiliary laser beam is lower than the heat output during the cooling of the molten bath until it solidifies, which can likewise be stated as the heat output per unit area in W / cm 2 .
  • the result of the microstructure which is obtained with the inventive method with a slower cooling of the molten bath and the component, advantageously satisfies a wider range of requirements.
  • coarse-grained structures can be produced which have better creep resistance and increased elongation at break compared with the rapidly cooled, fine-grained structures.
  • the slower cooling rate can positively influence the setting of certain structural states, which are set when falling below a certain cooling rate.
  • the desired phase states of the alloy or structural properties, such as grain size can thus be specifically formed, with the method according to the invention thus making possible a "structural design.” Subsequent treatments which are intended to produce such microstructural properties can be dispensed with in this way already produced.
  • the auxiliary laser beam is guided according to a matching with the working laser beam movement pattern with time delay.
  • This can be advantageous especially achieve homogeneous microstructural results.
  • the control of this method is advantageously very simple, since the programming for guiding the auxiliary laser beam from that of the main laser beam can be taken.
  • a plurality of auxiliary laser beams are used, which are guided in a matching with the working laser beam movement pattern.
  • the impact points of the auxiliary laser beams result in a crescent-shaped or horseshoe-shaped heat-affected area, which results from the fact that the thermal influence zones of the auxiliary laser beams overlap each other. Metrologically, therefore, only a common heat affected area can be detected.
  • the cooling of the molten bath by the auxiliary laser beams is slowed down in all directions except in front of the working laser beam. The heat dissipation is thus reduced in all directions starting from the molten bath, since the working laser beam itself in the direction in which the heat affected area is opened, also prevents cooling.
  • the at least one auxiliary laser beam is produced from a laser beam via a beam splitter. This covers both the case where the one laser beam is used both to form the working laser beam and to form at least one auxiliary laser beam. Another possibility is that the working laser beam, which has the highest power density, in its intensity not through
  • auxiliary laser beam or the auxiliary laser beams undergo a beam widening. This makes it possible to adjust the radiation intensity of the auxiliary laser beams in a suitable manner.
  • This adaptation can also be adaptive, wherein the laser power can advantageously be optimally utilized when lower power densities are required by the laser beam experiences a stronger beam expansion. Therefore, by means of this measure, the efficiency of the method can be optimally increased for a given system technology.
  • the auxiliary laser beam or at least a part of the auxiliary laser beams can be directed to the edge of the molten bath.
  • the solidification of the molten metal can advantageously be slowed most effectively.
  • auxiliary laser beam or at least a part of the auxiliary laser beams can be directed onto the part of the solidified layer located in the cooling zone.
  • the further cooling processes of the already solidified metal structure are advantageously positively influenced.
  • the aim here is to achieve the formation of the desired microstructural states by means of a sufficiently slow cooling rate, which makes subsequent heat treatments superfluous.
  • the action of auxiliary laser beams on the cooling zone can also be combined with the above-mentioned action of auxiliary laser beams on the edge of the molten bath, if this leads to the optimum microstructural results.
  • the respective application should be taken into account, whereby usually the cooling conditions for certain
  • Influence of the auxiliary laser beams on the cooling zone and the molten bath is particularly effective.
  • an additional laser beam can also be used to preheat the particles before they are melted by the working laser beam.
  • the power density is too low to cause a melting of the particles, otherwise this would already anticipate the function of the working laser beam.
  • the preheating of the particles has the advantage that the working laser beam has to provide a small amount of heat in order to produce the molten bath. This is particularly advantageous for refractory materials.
  • the power density can advantageously be selected in each case more than 50%, preferably more than 70%, of the power density required for melting the particles. As a result, a sufficient safety margin is advantageously achieved, so that the particles can not be melted.
  • the power density of the auxiliary laser beam, the auxiliary laser beams or the additional laser beam is high enough to ensure sufficient preheating of the particles or a sufficiently low cooling rate of the just-produced component structure.
  • Another possibility is advantageous to provide the power density of at least one auxiliary laser beam or the additional laser beam in each case more than 30%, preferably more than 50% of the power density of the working laser beam.
  • the ratio is thus determined by the performance of the working serstrahls determined whose power density is selected depending on the material to be melted.
  • the power density of the working laser beam can be set to be 150% or more than 150% of the power density that would just cause the particles to melt.
  • a further embodiment of the invention is obtained when a plurality of auxiliary laser beams are used, which are guided at different distances from the working beam.
  • the auxiliary laser beams are each operated at a lower power density with increasing distance from the working laser beam, so that a linear or at least successive cooling of the structure just produced is possible.
  • the power densities of the successive auxiliary laser can also be adjusted so that a non-linear cooling curve can be generated when z. B. a certain structural change is achieved at a certain temperature. This could be z. B. be a temperature at which form certain phase states.
  • the particles consist of a highly heat-resistant metal alloy, in particular a high-temperature steel or a highly heat-resistant nickel-based alloy.
  • a particular example of this is nickel-based alloys, which have to undergo a temperature profile suitable for gamma prime curing on cooling.
  • process of the invention is particularly advantageous to apply, because these alloys in their microstructure to produce a high temperature resistance of certain temperature profiles are dependent on the cooling, so that the required microstructural properties are achieved.
  • This temperature profile can be adjusted with the above measures. Under high temperature metal alloys are to understand those metal alloys which allow at service temperatures above 650 ° C.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the method according to the invention, in which different auxiliary laser beams are switched on and off in different subsections of the surface to be produced.
  • FIG. 1 it can be seen how a not-shown component in a powder bed 11 is produced.
  • a working laser beam 12 is guided in the direction of the arrow 13 over the powder bed, which melts the particles. This results in the indicated melt pool 14.
  • a layer 15 of the component is formed.
  • the layer 15 can be formed as a closed position
  • the distance h s of adjacent laser tracks (also called hatch distance) is smaller than the width b of the molten bath 14. This results in an overlap of the molten bath 14 with already generated parts the layer 15, whereby a closed surface of the component to be produced arises.
  • three auxiliary laser beams 16a, 16b, 16c are also used, which follow the working laser beam 12 in temporal and spatial offset on the active laser track 17.
  • the auxiliary laser beam 16a is directed to the molten bath and thus slows its solidification.
  • the auxiliary laser beam 16b is directed to the interface between the molten pool 14 and the solidified material.
  • the auxiliary laser beam 16b thus slows down the solidification process as such.
  • the auxiliary laser beam 16c is primarily directed to a cooling zone 18 on the just-solidified material.
  • a cooling zone 18 on the just-solidified material By this is meant a zone in which the material is already solidified, but the structure is still in a cooling process, which is still relevant for the structure formation. In this cooling zone of the
  • FIG. 2 likewise shows a working laser beam 12 and the molten bath 14 produced by it. Further details, as shown in Figure 1, have been omitted in Figure 2. However, these are analogous to FIG. 1. One difference, however, results from the fact that a plurality of identical auxiliary laser beams 16d are used, which were generated by means of a beam splitter not shown in more detail. These surround the molten bath 12 horseshoe-shaped, so that they together create a heat-affected area 19. This too is horseshoe-shaped.
  • FIG. 3 shows how a component 21 is manufactured.
  • the powder bed is not shown in detail for the sake of clarity.
  • auxiliary laser beams 16e are used.
  • four auxiliary laser beams 16 are regularly arranged in a square impingement area, as shown in the middle of the component area when a laser track 17b is driven off.
  • only a single auxiliary laser beam 16e is used at the corners of the component, since the heat dissipation in two directions is prevented here.
  • two auxiliary laser beams 16e are in use.
  • the cooling rate of the material at the edge of the component 21 is substantially the same as in the interior of the manufactured component.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschmelzen, bei dem ein Bauteil in Lagen (15) hergestellt wird. Hierzu dient ein Pulverbett (11), in dem ein Schmelzbad (14) durch einen Arbeitslaserstrahl (12) erzeugt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass weitere Hilfslaserstrahlen (16a, 16b, 16c) zum Einsatz kommen, welche hinsichtlich ihrer Leistungsdichte so eingestellt sind, dass diese lediglich die Abkühlung des Materials in einer Zone (18) verlangsamen, jedoch nicht erneut aufschmelzen. Auf diese Weise kann die Abkühlgeschwindigkeit des Gefüges so eingestellt werden, dass dieses eine vorteilhafte Gefügeausbildung entwickelt. Beispielsweise lassen sich hierdurch die mechanischen Eigenschaften des erzeugten Bauteils ohne nachgelagerte Wärmebehandlungen vorteilhaft verbessern.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Laserschmelzen mit mindestens einem Arbeitslaserstrahl
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschmelzen, bei dem ein Bauteil lagenweise in einem Pulverbett hergestellt wird, indem die das Pulverbett bildenden Partikel durch mindestens einen Arbeitslaserstrahl aufgeschmolzen werden. Beim Erstarren bilden die Partikel dann eine Lage des Bauteils aus. Anschließend werden sukzessive weitere Lagen aus Pulverpartikeln auf der erstarrten Fläche des Bauteils ausgebildet und wiederum mittels des Arbeitslaserstrahls aufgeschmolzen. So entsteht lagenweise ein dreidimensionales Bauteil.
Verfahren der eingangs angegebenen Art sind bekannt. Ein Problem, was bei der Durchführung derlei Verfahren auftritt, ist die hohe Rate bei der Abkühlung, der bei der Abkühlung des durch den Laserstrahl im Pulver erzeugten Schmelzbades entsteht. Dies führt typischerweise zur Ausbildung sehr feinkörniger Gefüge, die in Abhängigkeit vom Anwendungsfall nicht die gewünschten mechanischen Bauteileigenschaften hervorrufen. Insbesondere können die Bruchdehnung und die Kriechfestigkeit verringert sein. Um nachträglich ein gewünschtes Ei- genschaftsprofil des hergestellten Bauteils zu erreichen, kann eine Wärmebehandlung durchgeführt werden, die eine Korn- vergröberung zum Ergebnis hat. Allerdings lässt sich eine solche Wärmebehandlung nicht bei allen Werkstoffen durchführen. Außerdem bedeutet diese Wärmebehandlung einen zusätzli- chen Energie- und Fertigungsaufwand, worunter die Wirtschaftlichkeit der hergestellten Bauteile leidet.
Zusätzlich zu dem Arbeitslaserstrahl, der den Energieeintrag zum Aufschmelzen des Schmelzbades liefert, kann gemäß der DE 10 2010 050 531 AI und der DE 10 2010 048 335 AI mindestens ein Hilfslaserstrahl eingesetzt werden, dessen Leistungsdichte zu gering ist, um ein Aufschmelzen der Partikel herbeizuführen. Dieser mindestens eine Hilfslaserstrahl wird auf eine sich an das Schmelzbad anschließende, auf dem Bauteil liegende Abkühlungszone gerichtet. Der Energieeintrag durch den Hilfslaserstrahl reicht also nicht dazu aus, die Partikel aufzuschmelzen. Dies bedeutet aber auch, dass der Hilfslaser- strahl die Partikel nicht im aufgeschmolzenen Zustand halten kann. Vielmehr ist eine Abkühlung des Schmelzbades und auch der auf dem Bauteil liegenden Abkühlungszone zu verzeichnen, jedoch vermindert der Hilfslaserstrahl die Abkühlungsgeschwindigkeit und damit den Temperaturgradienten in dem sich abkühlenden Bauteil.
Die Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren zum Laserschmelzen dahingehend zu verbessern, dass sich mit diesem Verfahren günstige Bauteileigenschaften hinsichtlich der me- chanischen Kennwerte herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Leistungsdichte des Hilfslaserstahls oder der Hilfslaserstrahlen in Abhängigkeit des die Abkühlungszone umgebenden Volumens des bereits erzeugten Bauteils gesteuert wird, indem die Leistungsdichte umso mehr verringert wird, je weniger Volumen für eine Wärmeabfuhr zur Verfügung steht. Hierbei wird vorteilhaft berücksichtigt, dass die Bedingungen, die mitten in der im Pulver- bett herzustellenden Fläche herrscht, nicht ohne Weiteres denjenigen in der Nähe von Rändern dieser herzustellenden Fläche entsprechen. Beispielsweise am ersten herzustellenden Rand oder auch in Ecken einer herzustellenden Fläche oder auch in herzustellenden schmalen Stegen steht vergleichsweise weniger angrenzendes Material zur Wärmeleitung zur Verfügung als in der Mitte einer herzustellenden Fläche. In diesen Bereichen kann daher die Leistung der Hilfslaserstrahlen verringert werden, um einen Ausgleich für die verzögerte Wärmeabfuhr zu schaffen. Hierdurch lassen sich vorteilhaft noch homogenere Gefügeeigenschaften im gesamten Bauteil erzeugen. Gleichzeitig können sich ausbildende BauteilSpannungen zumindest teilweise vermieden werden. Die Leistungsdichte (im Folgenden ist mit Leistungsdichte immer die Flächenleistungsdichte gemeint die auch als Intensität des Lasers bezeichnet wird) des Laserstrahls ist definiert aus der Leistung des Laserstrahls und der Auftreffflä- che desselben auf dem Pulverbett, dem Schmelzbad oder dem fertiggestellten Bauteil. Diese kann beispielsweise in W/cm2 angegeben werden. Die Leistungsdichte des Hilfslaserstrahls ist unter Berücksichtigung dieser Definition geringer als die Wärmeabgabe bei der Abkühlung des Schmelzbades bis zum Er- starren, die ebenfalls als Wärmeleistung pro Flächeneinheit in W/cm2 angegeben werden kann.
Das Ergebnis des Gefüges, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einer langsameren Abkühlung des Schmelzbades und des Bauteils erhalten wird, genügt vorteilhaft einem weiteren Spektrum an Anforderungen. Insbesondere können grobkörnigere Gefüge hergestellt werden, die eine bessere Kriechfestigkeit und eine erhöhte Bruchdehnung im Vergleich zu den schnell abgekühlten, feinkörnigen Gefügen aufweisen. Auch kann die langsamere Abkühlungsgeschwindigkeit die Einstellung bestimmter Gefügezustände positiv beeinflussen, welche sich bei Unterschreiten einer bestimmten Abkühlungsgeschwindigkeit einstellen. Die gewünschten Phasenzustände der Legierung bzw. Gefügeeigenschaften wie Korngröße können sich damit gezielt ausbilden, wobei mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sozusagen ein „Gefügedesign" möglich wird. Auf Nachbehandlungen, welche solche Gefügeeigenschaften erzeugen sollen, kann damit verzichtet werden. Die Gefügeeigenschaften werden sozusagen in situ bei der Herstellung bereits erzeugt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hilfslaserstrahl nach einem mit dem Arbeitslaserstrahl übereinstimmenden Bewegungsmuster mit zeitlicher Verzögerung geführt wird. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass der Hilfslaserstrahl dem Schmelzbad so folgt, dass dessen Energieeintrag mit gleichbleibenden Herstellungsbedingungen das durch den Arbeitslaserstrahl erzeugte Ergebnis beeinflusst. Hiermit lassen sich vorteilhaft besonders homogene Gefügeergebnisse erzielen. Außerdem ist auch die Steuerung dieses Verfahrens vorteilhaft sehr einfach, da die Programmierung zur Führung des Hilfslaserstrahls von derjenigen des Hauptlaserstrahls übernommen werden kann.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Hilfslaserstrahlen zum Einsatz kommen, die in einem mit dem Arbeitslaserstrahl übereinstimmenden Bewegungsmuster geführt werden. Dabei ergeben die Auftreffpunkte der Hilfslaserstrahlen ein sichelförmiges oder hufeisenförmiges Wärmeeinflussgebiet, welches sich dadurch ergibt, dass die thermischen Einflusszonen der Hilfslaserstrahlen sich jeweils überschneiden. Messtechnisch ist somit nur ein gemeinsames Wärmeeinflussgebiet erfassbar. Dieses soll erfindungs- gemäß außerdem in Bewegungsrichtung des Arbeitslaserstrahls geöffnet sein. Mit anderen Worten wird die Abkühlung des Schmelzbades durch die Hilfslaserstrahlen gemeinsam in allen Richtungen außer der vor dem Arbeitslaserstrahl liegenden verlangsamt. Die Wärmeabfuhr wird somit in allen Richtungen ausgehend vom Schmelzbad verringert, da der Arbeitslaserstrahl selber in der Richtung, in der das Wärmeeinflussgebiet geöffnet ist, ebenfalls eine Abkühlung verhindert.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der mindestens eine Hilfslaserstrahl aus einem Laserstrahl über einen Strahlteiler hergestellt wird. Hiermit ist sowohl der Fall erfasst, dass der eine Laserstrahl sowohl zur Ausbildung des Arbeitslaserstrahls als auch zur Ausbildung mindestens eines Hilfslaserstrahl verwendet wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Arbeitslaserstrahl, der die höchste Leis- tungsdichte aufweist, in seiner Intensität nicht durch
Strahlabteilungen zu verringern und für mehrere Hilfslaserstrahlen einen gemeinsamen anderen Laserstrahl zu verwenden, der mittels des Strahlteilers aufgeteilt wird. Vorteilhaft wird in beiden Fällen der Aufwand an Komponenten verringert, da der Einsatz eines Strahlteilers den Einsatz mehrerer Laser vermeiden kann. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hilfslaserstrahl oder die Hilfslaserstrahlen eine Strahlaufweitung erfahren. Hierdurch lässt sich die Strahlungsintensität der Hilfslaserstrahlen in geeigneter Weise anpassen. Diese Anpassung kann auch adaptiv erfolgen, wobei die Laserleistung vorteilhaft optimal ausgenutzt werden kann, wenn geringere Leistungsdichten benötigt werden, indem der Laserstrahl eine stärkere Strahlaufweitung erfährt. Daher lässt sich mittels dieser Maßnahme die Effizienz des Verfah- rens bei vorgegebener Anlagentechnik optimal steigern.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hilfslaserstrahl oder zumindest ein Teil der Hilfslaserstrahlen auf den Rand des Schmelzbades gerichtet werden kann. In dieser Zone kann die Erstarrung des schmelz - flüssigen Metalls vorteilhaft am wirksamsten verlangsamt werden. Hier geschehen für die Gefügeausbildung wesentliche Vorgänge, die durch die Hilfslaserstrahlen oder den Hilfslaserstrahl positiv beeinflusst werden können. Hierbei kommen die oben bereits erwähnten Mechanismen zum Einsatz.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Hilfslaserstrahl oder zumindest ein Teil der Hilfslaserstrahlen auf den in der Abkühlungszone befindlichen Teil der erstarrten Lage gerichtet werden kann. Hierbei werden vorteilhaft die weiteren Abkühlungsprozesse des bereits erstarrten Metallgefüges positiv beeinflusst. Es geht dabei darum, durch eine genügend langsame Abkühlungsgeschwindigkeit die Ausbildung der gewünschten Gefügezustände zu erreichen, was nachfolgende Wärmebehandlun- gen überflüssig macht. Selbstverständlich kann das Einwirken von Hilfslaserstrahlen auf die Abkühlungszone auch mit der vorstehend bereits erwähnten Einwirkung von Hilfslaserstrahlen auf den Rand des Schmelzbades kombiniert werden, wenn diese zu den optimalen Gefügeergebnissen führt. Hierbei ist der jeweilige Anwendungsfall zu berücksichtigen, wobei normalerweise die Abkühlungsbedingungen für bestimmte
Gefügezustände aus der allgemeinen Metallurgie bekannt sind. Die Temperaturführung bei der Durchführung von Laserschmelz- verfahren gemäß dem Stand der Technik hingegen, wie z.B.
durch Pulverbettvorwärmung, hat zur Erreichung der optimalen Abkühlungsbedingungen nur in engen Grenzen beitragen können, da die örtlichen Abkühlungsbedingungen verfahrensbedingt vor- gegeben waren. Erst die zusätzliche Verwendung von Hilfslaserstrahlen ermöglicht eine lokale Einstellung der Abkühlungsbedingungen unter gleichzeitig optimierter
Gefügeausbildung . Da das Pulverbett ein schlechter Wärmeleiter ist, ist die
Einwirkung der Hilfslaserstrahlen auf die Abkühlungszone und das Schmelzbad besonders effektiv. Allerdings kann ein Zusatzlaserstrahl auch zum Einsatz kommen, um die Partikel vor dem Aufschmelzen durch den Arbeitslaserstrahl schon vorzuwär- men. Auch bei diesem ist die Leistungsdichte zu gering, um ein Aufschmelzen der Partikel herbeizuführen, sonst würde dieser bereits die Funktion des Arbeitslaserstrahls vorwegnehmen. Die Vorwärmung der Partikel hat den Vorteil, dass der Arbeitslaserstrahl eine geringe Wärmemenge zur Verfügung stellen muss, um das Schmelzbad zu erzeugen. Dies ist insbesondere bei hochschmelzenden Materialien von Vorteil.
Für die Hilfslaserstrahlen, aber auch für den Zusatzlaserstrahl kann vorteilhaft die Leistungsdichte jeweils bei mehr als 50 %, bevorzugt bei mehr als 70 % der zum Aufschmelzen der Partikel erforderlichen Leistungsdichte gewählt werden. Hierdurch wird vorteilhaft ein genügender Sicherheitsabstand erreicht, damit die Partikel nicht aufgeschmolzen werden können. Andererseits ist die Leistungsdichte des Hilfslaser- Strahls, der Hilfslaserstrahlen oder des Zusatzlaserstrahls hoch genug, um eine ausreichende Vorwärmung der Partikel bzw. eine ausreichend geringe Abkühlgeschwindigkeit des soeben erzeugten Bauteilgefüges zu gewährleisten. Eine andere Möglichkeit liegt vorteilhaft darin, die Leistungsdichte des mindes- tens einen Hilfslaserstrahls bzw. des Zusatzlaserstrahls jeweils bei mehr als 30 %, bevorzugt bei mehr als 50 % der Leistungsdichte des Arbeitslaserstrahls vorzusehen. Hierbei wird das Verhältnis somit durch die Leistung des Arbeitsla- serstrahls bestimmt, dessen Leistungsdichte in Abhängigkeit des aufzuschmelzenden Werkstoffs gewählt wird. Die Leistungsdichte des Arbeitslaserstrahls kann beispielsweise so eingestellt werden, dass diese bei 150 % oder bei mehr als 150 % derjenigen Leistungsdichte liegt, die gerade zum Aufschmelzen der Partikel führen würde.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn mehrere Hilfslaserstrahlen zum Einsatz kommen, die in unter- schiedlicher Entfernung zum Arbeitsstrahl geführt werden.
Diese werden also kaskadenförmig mit einem gewissen Zeitversatz hinter dem Arbeitslaserstrahl hergeführt. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Hilfslaserstrahlen mit steigender Entfernung zum Arbeitslaserstrahl jeweils mit geringe- rer Leistungsdichte betrieben werden, so dass eine lineare oder zumindest sukzessive Abkühlung des soeben erzeugten Ge- füges möglich wird. Vorteilhaft können die Leistungsdichten der aufeinanderfolgenden Hilfslaser auch so eingestellt werden, dass ein nichtlinearer Abkühlungsverlauf erzeugt werden kann, wenn z. B. eine bestimmte Gefügeänderung bei einer bestimmten Temperatur erreicht wird. Dies könnte z. B. eine Temperatur sein, bei der sich bestimmte Phasenzustände ausbilden . Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Partikel aus einer hochwarmfesten Metalllegierung, insbesondere einem hochwarmfesten Stahl oder einer hochwarmfesten Nickelbasislegierung bestehen. Ein besonderes Beispiel hierfür sind Nickelbasislegierungen, die ein zur Gamma-Prime-Aushärtung geeignetes Temperaturprofil bei Abkühlung durchlaufen müssen. Bei diesen genannten Legierungen ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft anzuwenden, weil diese Legierungen bei ihrer Gefügeausbildung zur Erzeugung einer Hochwarmfestigkeit von bestimmten Temperatur- profilen bei der Abkühlung abhängig sind, damit die geforderten Gefügeeigenschaften überhaupt erreicht werden. Dieses Temperaturprofil lässt sich mit den oben angegebenen Maßnahmen einstellen. Unter hochwarmfesten Metalllegierungen sind diejenigen Metalllegierungen zu verstehen, welche bei Einsatztemperaturen oberhalb von 650 °C zulassen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen :
Figuren 1 und 2 das Schmelzbad und die Auftreffgebiete eines Arbeitslaserstrahls, eines Zusatzlaserstrahls und von drei bzw. fünf
Hilfslaserstrahlen gemäß zweier Ausfüh- rungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem in unterschied- liehen Teilabschnitten der herzustellenden Fläche verschiedene Hilfslaserstrahlen ein- und ausgeschaltet werden.
In Figur 1 ist zu erkennen, wie ein nicht näher dargestelltes Bauteil in einem Pulverbett 11 hergestellt wird. Zu diesem Zweck wird ein Arbeitslaserstrahl 12 in Richtung des Pfeils 13 über das Pulverbett geführt, welcher die Partikel aufschmilzt. Dabei entsteht das angedeutete Schmelzbad 14. Nach Erstarrung des Materials außerhalb des Schmelzbades entsteht eine Lage 15 des Bauteils.
Damit die Lage 15 als geschlossene Lage ausgebildet werden kann, ist zu beachten, dass der Abstand hs benachbarter Laserspuren (auch hatch distance genannt) kleiner ausfällt, als die Breite b des Schmelzbades 14. Hierdurch entsteht eine Überlappung des Schmelzbades 14 mit schon erzeugten Teilen der Lage 15, wodurch eine geschlossene Oberfläche des herzustellenden Bauteils entsteht. Neben dem Arbeitslaserstrahl 12 werden außerdem drei Hilfslaserstrahlen 16a, 16b, 16c eingesetzt, die in zeitlichem und räumlichem Versatz auf der aktiven Laserspur 17 dem Arbeits- laserstrahl 12 folgen. Der Hilfslaserstrahl 16a ist auf das Schmelzbad gerichtet und verlangsamt damit dessen Erstarrung. Der Hilfslaserstrahl 16b ist auf die Grenzfläche zwischen dem Schmelzbad 14 und dem erstarrten Material gerichtet. Der Hilfslaserstrahl 16b verlangsamt damit den Erstarrungsprozess als solchen. Der Hilfslaserstrahl 16c ist vorrangig auf eine Abkühlungszone 18 auf dem gerade erstarrten Material gerichtet. Hiermit ist eine Zone gemeint, in der das Material bereits erstarrt ist, jedoch das Gefüge noch in einem Abküh- lungsprozess befindlich ist, welcher noch relevant für die Gefügeausbildung ist. In dieser Abkühlungszone kann der
Hilfslaser 16c die Abkühlung verlangsamen und Vorgänge in dem sich abkühlenden Gefüge ermöglichen, die sonst nur durch eine Wärmebehandlung erreicht werden könnten. In Figur 2 ist ebenfalls ein Arbeitslaserstrahl 12 und das durch diesen erzeugte Schmelzbad 14 zu erkennen. Weitere Einzelheiten, wie in Figur 1 dargestellt, wurden in Figur 2 weggelassen. Allerdings sind diese analog zu Figur 1. Ein Unterschied ergibt sich jedoch dadurch, dass mehrere identische Hilfslaserstrahlen 16d zum Einsatz kommen, welche mittels eines nicht näher dargestellten Strahlteilers erzeugt wurden. Diese umgeben das Schmelzbad 12 hufeisenförmig, so dass diese gemeinsam ein Wärmeeinflussgebiet 19 entstehen lassen. Auch dieses ist hufeisenförmig ausgebildet. Es lässt sich auf die- sem Wege effektiv ein Wärmeabfluss des Schmelzbades zu allen Seiten hin verhindern und gleichzeitig eine Nachwärmung des Schmelzbades selbst erreichen. Zusätzlich zu den Hilfslaserstrahlen 16d kommt auch ein Zusatzlaserstrahl 20 zum Einsatz, der eine Vorwärmung des Pulverbettes erzeugt. Dieser ist mit einer nicht näher dargestellten Strahlaufweitung versehen, so dass das Auftreffgebiet vergrößert ist. Die Leistungsdichte wird dadurch so weit verringert, dass ein Aufschmelzen der Partikel des Pulvers vermieden wird. In Figur 3 lässt sich erkennen, wie ein Bauteil 21 hergestellt wird. Das Pulverbett ist der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt. Solange der Arbeitslaserstrahl 12 bei der aktuell herzustellenden Lage die erste, am Rand 22 befindliche Laserspur 17a nachfährt, ist die Wärmeabfuhr noch sehr begrenzt, weswegen nur zwei Hilfslaserstrahlen 16e zum Einsatz kommen. An sich sind vier Hilfslaserstrahlen 16 in einem quadratischen Auftreffgebiet regelmäßig angeordnet, wie beim Abfahren einer Laserspur 17b in der Mitte der Bauteilfläche dargestellt ist. An den Ecken des Bauteils wird demgegenüber nur noch ein einziger Hilfslaserstrahl 16e verwendet, da hier die Wärmeabfuhr in zwei Richtungen unterbunden wird. Im weiteren Verlauf, wo die Laserspur 17b nicht an einer Ecke des Bauteils, sondern an dessen Rand endet, wo die Wärmeabfuhr nur in eine Richtung verhindert wird, sind zwei Hilfslaserstrahlen 16e im Einsatz. Insgesamt lässt sich dadurch erreichen, dass die Abkühlgeschwindigkeit des Materials am Rand des Bauteils 21 im Wesentlichen genauso hoch ist, wie im In- neren des hergestellten Bauteils.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laserschmelzen, bei dem ein Bauteil (21) lagenweise in einem Pulverbett (11) hergestellt wird, indem die das Pulverbett bildenden Partikel durch mindestens einen Arbeitslaserstrahl (12) aufgeschmolzen werden und beim Erstarren eine Lage (15) des Bauteils (21) ausbilden, wobei
- außerdem mindestens ein Hilfslaserstrahl (16a, 16b, 16c) eingesetzt wird, dessen Leistungsdichte zu gering ist, um ein Aufschmelzen der Partikel herbeizuführen, und
- wobei der mindestens eine Hilfslaserstrahl (16a, 16b, 16c) auf ein durch die aufgeschmolzenen Partikel gebildetes, sich abkühlendes Schmelzbad (14) und/oder auf eine sich an das Schmelzbad (14) anschließende, auf dem Bauteil liegende Abkühlungszone (18) gerichtet wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- die Leistungsdichte des Hilfslaserstrahls oder der
Hilfslaserstrahlen (16a, 16b, 16c) in Abhängigkeit des die Abkühlungszone (18) umgebenden Volumens des bereits erzeugten Bauteils (21) gesteuert wird,
- indem die Leistungsdichte umso mehr verringert wird oder umso mehr von den Hilfslaserstahlen (16a, 16b, 16c) abgeschaltet werden, je weniger Volumen des Bauteils für eine Wärmeabfuhr zur Verfügung steht .
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Hilfslaserstrahl (16a, 16b, 16c) nach einem mit dem Arbeitslaserstahl (12) übereinstimmenden Bewegungsmuster mit zeitlicher Verzögerung geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass mehrere Hilfslaserstrahlen (16a, 16b, 16c) zum Einsatz kommen, die in einem mit dem Arbeitslaserstahl (12) übereinstimmenden Bewegungsmuster derart geführt werden, dass diese gemeinsam ein sichelförmiges oder hufeisenförmiges Wärmeein- flussgebiet (19) ausbilden, welches in Bewegungsrichtung des Arbeitslaserstrahls (12) geöffnet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der mindestens eine Hilfslaserstrahl (16a, 16b, 16c) aus einem Laserstrahl über einen Strahlteiler hergestellt wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Hilfslaserstrahl (16a, 16b, 16c) oder die Hilfslaserstrahlen (16a, 16b, 16c) eine Strahlaufweitung erfahren.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Hilfslaserstrahl (16a, 16b, 16c) oder zumindest ein Teil der Hilfslaserstrahlen (16a, 16b, 16c) auf den Rand des Schmelzbades (14) gerichtet werden.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Hilfslaserstrahl (16a, 16b, 16c) oder zumindest ein Teil der Hilfslaserstrahlen (16a, 16b, 16c) auf den in der Abkühlungszone (18) befindlichen Teil der erstarrten Lage (15) gerichtet werden.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Leistungsdichte des mindestens einen Hilfslaser- Strahls (16a, 16b, 16c) bei mehr als 50 %, bevorzugt bei mehr als 70 % der zum Aufschmelzen der Partikel erforderlichen Leistungsdichte liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Leistungsdichte des mindestens einen Hilfslaserstrahls (16a, 16b, 16c) bei mehr als 30 %, bevorzugt bei mehr als 50 % der Leistungsdichte des Arbeitslaserstrahls (12) liegt .
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass mehrere Hilfslaserstrahlen (16a, 16b, 16c) zum Einsatz kommen, die in unterschiedlicher Entfernung zum Arbeitslaserstrahl (12) geführt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Hilfslaserstrahlen (16a, 16b, 16c) mit steigender Entfernung zum Arbeitslaserstrahl (12) jeweils mit geringerer Leistungsdichte betrieben werden.
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass mindestens ein Zusatzlaserstrahl (20) zum Einsatz kommt, dessen Leistungsdichte zu gering ist, um ein Aufschmelzen der Partikel herbeizuführen, wobei dieser zum Vorwärmen der Partikel vor dem Aufschmelzen durch den Arbeitslaserstrahl (12) verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Partikel aus einer hochwarmfesten Metalllegierung, insbesondere aus einem hochwarmfesten Stahl oder einer hoch- warmfesten Nickelbasislegierung bestehen.
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