WO2019092238A1 - Verfahren und vorrichtung zur schichtweisen additiven fertigung von bauteilen mittels eines kontinuierlichen und eines gepulsten laserstrahls und zugehöriges computerprogrammprodukt - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur schichtweisen additiven fertigung von bauteilen mittels eines kontinuierlichen und eines gepulsten laserstrahls und zugehöriges computerprogrammprodukt Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an AM (additive manufacturing) method, in particular LMF (Laser Metal Fusion) or SLS (Selective Laser Sintering) method, for the layered additive manufacturing of components according to the preamble of claim 1, as well as an appropriate for performing the method Laser processing machine according to the preamble of claim 12 and an associated computer program product.
  • AM additive manufacturing
  • LMF Laser Metal Fusion
  • SLS Selective Laser Sintering
  • Selective laser sintering SLS and selective laser melting (Laser Metal Fusion (LMF) are additive manufacturing (AM) processes in which a component is built up layer by layer by sintering or melting a material powder by means of a laser beam , When the powder layer is melted with the laser beam, it is called Laser Metal Fusion (LMF) or Selective Laser Melting (SLM). If the powder layer is only sintered with the laser beam, this is called Selective Laser Sintering (SLS).
  • the material powder is applied over the entire surface of a construction platform, and the layers are sintered or melted step by step into the powder bed by driving the laser beam in accordance with the layer cross section of the component.
  • the construction platform is lowered by the amount of a layer thickness and powder is applied again. This cycle is repeated until all layers of the component have been sintered or remelted.
  • lasers in cw operation have been used for LMF or SLS processes, creating a continuous melting trace in the powder bed.
  • the constant introduction of energy and the method of energy input lead to a large melt-bath dynamic, which promotes splashes and greater surface roughness.
  • the "sucking in" of surrounding powder particles is favored by a large molten bath, which also has a negative effect on the surface roughness.
  • the surface roughness of additively manufactured components is therefore large compared to conventionally manufactured components, so that often a post-processing of the AM components is required.
  • the additive manufacturing of a component takes place according to the so-called Hülie-core strategy.
  • a first laser beam with a small focus diameter (for example 0.1 to 0.3 mm)
  • the (filigree) outer surface contour ("shell") of the component and with a second laser beam.
  • the internal area ("core") of the component is melted
  • the two laser beams are continuous laser beams generated by C0 2 lasers in cw mode.
  • an LMF method is furthermore known, in which a cw laser for melting the component and a pulsed fs or ps- pulse laser for subsequent removal of molten structures are used.
  • a pulse laser for melting the outside surface contour (“shell") with the best possible quality at low productivity and a continuous laser beam for melting inside areas (“core”) with higher productivity at low quality are used.
  • Melting with the pulsed laser beam has the advantages that very filigree structures can be produced, the component surfaces generally become smoother and also overhang areas, which are often problematic, can be manufactured better.
  • the functionality of the associated laser processing machine is increased because the user can decide on the use of pulsed or cw operation.
  • the advantages of pulsed and cw laser operation are combined.
  • the standard process (CW operation) is characterized by a higher energy input (higher melting rate) and the pulsed process by a smaller melt pool size.
  • a smaller molten pool reduces negative effects due to heat conduction in the powder bed (melting of powder outside the target geometry, deep welding effects and weld pool dynamics), which can affect the quality of the component.
  • the combination of the processes is that the areas of a component, which have increased demands on the surface roughness and / or dimensional accuracy, are melted pulsed. Such regions are, for example, component areas with overhangs, functional areas or the entire component surface (surface contour). Individual areas may require different pulse parameters; For example, overhangs may require different pulse parameters than surfaces along the Z axis.
  • the areas of the component that have no increased demands on their surface roughness are produced as productively as possible with cw operation. This combination allows the advantage of the pulsed process (eg smaller surface roughness, influence on the molten bath behavior, ...) to be selectively applied only to the required areas without a significant reduction in productivity in the remaining component.
  • All outer surface contours, ie in particular the entire outer surface, of the component to be produced are preferred - and alternatively or additionally all inner surface contours, ie in particular the entire inner surface, of the component to be produced - at least predominantly, in particular exclusively, with the pulsed laser beam and all inner regions of the component to be produced at least predominantly, in particular exclusively, melted with the continuous laser beam.
  • the two laser beams can be generated by two different lasers, ie the pulsed laser beam from a pulsed laser and the continuous laser beam from a cw laser with, in particular, a constant laser power.
  • the continuous laser beam from a cw laser and the pulsed laser beam are generated by modulation of the power of this cw laser, in particular by switching the cw laser on and off, so that no second scanner optics or a separate coupling optics in the beam path of the pulsed laser beam is necessary to bring the pulsed laser beam onto the powder bed.
  • a fiber laser was used as the cw laser, which can be pulsed well with 40 kHz up to 80 kHz by switching on and off.
  • the pulsed laser beam can be generated by a pulse laser and the continuous laser beam by operating the pulse laser with pulses longer than about 1 ms.
  • the laser beam generated by moving a conventional scanner optics already a several 100 ⁇ long molten bath, so that the process is not significantly different from that with a laser beam of a cw laser with a particular constant laser power.
  • a continuous laser beam means both a laser beam from a cw laser and a pulsed laser beam when its pulses are longer than approximately 1 ms (quasi-cw).
  • the pulsed laser beam preferably has laser pulses with a pulse frequency of greater than 1 kHz, preferably greater than 10 kHz, and with a pulse length of less than about 1 ms, preferably less than 500 ⁇ , particularly preferably less than 100 s.
  • a pulse frequency of greater than 1 kHz preferably greater than 10 kHz
  • a pulse length of less than about 1 ms preferably less than 500 ⁇ , particularly preferably less than 100 s.
  • a molten bath adjacent to or partially overlapping the molten bath created by the preceding laser pulse is generated along a desired contour by a laser pulse of the pulsed laser beam in the powder bed.
  • the pulse frequency, the pulse length and the feed rate of the pulsed laser beam can advantageously be matched to one another such that the molten bath produced by a laser pulse in the powder bed is already solidified when a new molten bath is generated by the subsequent laser pulse.
  • the pulse rate, the pulse length of the laser pulses and the feed rate of the pulsed laser beam can also be matched to each other such that the molten pool generated by a laser pulse in the powder bed is spaced from the molten pool generated by the preceding laser pulse is.
  • the desired contour must be traveled so often with the pulsed laser beam until the contour has been melted at least once.
  • Increasing the pulse frequency of the laser and thus also the power introduced into the component and consequently the production speed is possible when the contour or contour sections are traversed at a higher speed, so that on the contour by two successive laser pulses melt baths are formed, which are spaced from each other and therefore not mutually or only slightly adversely affect.
  • the contour must then be traversed several times in order to melt the previously unfused contour sections in one or more subsequent passes until the complete contour has been melted at least once.
  • the energy and / or pulse sequence of the laser pulses can vary relative to one another and, preferably with weakened or attenuating laser pulses, to influence the melt-bath dynamics and the solidification behavior. It is particularly preferable to use a burst-pulse operating mode for this purpose.
  • the pulsed laser beam (but also the continuous laser beam) can cause strong and / or turbulent flows in the molten bath, which can be damped with further, usually weaker laser pulses.
  • a high frequency pulse operation in particular as described above, e.g. influences the solidification behavior of the melt in the powder bed and thus favors a globoiitic structure.
  • the time span with which the pulsed laser beam is moved from one molten bath produced in the powder bed to the next and / or an adjacent or partially overlapping molten bath is greater than the time required for solidification of the molten bath.
  • the solidification rate ie the advancement of the solidification front within a certain period of time, is thus greater than the feed rate of the pulsed laser beam from one molten bath to the next.
  • the solidification Speed of the molten bath is greater than the feed rate of the pulsed laser beam from one molten bath to the next and / or an adjacent or partially overlapping molten bath.
  • melt baths At some point, if the pulsed laser beam has been moved around the contour one or more times, overlapping or adjacent melt baths will be created, because only then the entire contour may have been melted at least once at the end.
  • the molten bath, to which the new molten bath adjoins or overlaps, must then also be solidified. However, several other molten baths were generated between these two molten baths.
  • the solidification of the molten bath is dependent on the energy input (laser power, pulse duration, Schmelzbadiere, Scan speed, ...) and must therefore be determined depending on the laser parameters (and the resulting Schmelzbadiere) and the material properties.
  • the material properties above all the degree of absorption, thermal conductivity, etc., have a considerable influence on the melt pool size.
  • the solidification of the molten bath was detectable after less than 200 ps, in individual test samples even in the range of approx. 30 ps.
  • the above object is achieved by a laser processing machine with the features of claim 12 according to the invention.
  • the pulsiaser and the cw laser may each be separate lasers or, what is preferred, the pulsed laser is formed by the power modulated cw laser. In the latter case, no second scanner optics or a separate coupling optics in the beam path of the pulsed laser beam is necessary to bring the pulsed laser beam onto the powder bed.
  • a machine control of the laser processing machine is programmed, the component areas which have increased surface roughness or dimensional accuracy, at least predominantly, in particular exclusively, with the pulsed laser beam of the pulsed laser and the component areas which do not impose any increased demands on the surface roughness Dimensional accuracy have, at least predominantly, in particular exclusively, melting with the continuous laser beam of the second laser.
  • the invention also relates to a computer program product which has code means which are adapted to carry out all the steps of the method according to the invention when the program runs on a machine controller of a processing machine.
  • the LMF machine 1 shown in FIG. 1 is used for layer-wise additive production of components 2 by means of two laser beams 3a, 3b and comprises a process chamber 4, in which a powder layer (metal, ceramic, thermoplastics) in the form of a powder bed 5 on a Substrate plate 6 is applied and melted with the laser beams 3a, 3b and thereby can be solidified. Subsequently, the substrate plate 6 is lowered by a powder layer thickness, and a new powder layer is applied and solidified again until a 3-dimensional component 2 is formed. was taken.
  • a powder layer metal, ceramic, thermoplastics
  • all outside surface contours of the component 2 to be produced are manufactured exclusively with the pulsed laser beam 3a and all internal regions of the component 2 to be produced exclusively with the continuous laser beam 3b.
  • the one laser beam is a pulsed laser beam 3a generated by one pulse laser 9a
  • the other laser beam is a continuous laser beam 3b generated by a cw laser 9b.
  • the laser unit formed by pulse laser 9a and cw laser 9b is designated overall by 9.
  • a first scanner 11a for two-dimensional deflection of the pulsed laser beam 3a and a second scanner 11b for two-dimensional deflection of the continuous laser beam 3b are each arranged over the same powder bed region 12, in particular over the entire powder bed 5.
  • the pulse laser 9a may, for example, be a fiber laser which generates laser pulses 13 with a pulse length (PW) of less than 500 ⁇ and with a pulse frequency f of greater than 1 kHz.
  • the LMF machine 1 further comprises a machine controller 14, which is programmed to control the two scanners 11a, 11b such that the component areas 7, which have increased requirements for surface roughness or dimensional accuracy, exclusively with the pulsed laser beam 3a and the component areas 8 which do not require increased surface roughness or dimensional accuracy have to be melted exclusively with the continuous laser beam 3b.
  • a machine controller 14 which is programmed to control the two scanners 11a, 11b such that the component areas 7, which have increased requirements for surface roughness or dimensional accuracy, exclusively with the pulsed laser beam 3a and the component areas 8 which do not require increased surface roughness or dimensional accuracy have to be melted exclusively with the continuous laser beam 3b.
  • the LMF machine V shown in FIG. 2 differs in that here the laser unit 9 has only one cw laser 9b with a single scanner 11.
  • the continuous laser beam 3b is generated by the cw laser 9b and the pulsed laser beam 3a by modulating the power of the cw laser 9b, in particular by turning on and off the cw laser 9b.
  • the LaserOn signal is modulated by the machine controller 14 in the desired parameter ranges, with important parameters to be set as follows: maximum pulse power, pulse duration (PW) of less than 500 ⁇ and pulse frequency f of preferably greater than or equal to 1 kHz.
  • FIG. 3 shows the plan view of a component 2 manufactured with the LMF machine 1, 1 ', whose outer surface (“shell”) 7 is manufactured with the pulsed laser beam 3a and its inner region (“core”) 8 with the continuous laser beam 3b have been.
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through a component 2 produced with the LMF machine 1, 1 'with overhanging structures 15, which have been produced in layers with the pulsed laser beam 3a.
  • Figo. 5a-5b the top view of the powder bed 5 is shown, each with a continuous melting track 16 melted therein by means of the pulsed laser beam 3a.
  • the pulse frequency, the pulse length of the laser pulses 13 and the feed rate v of the pulsed laser beam 3a are matched to one another such that by a laser pulse 13 of the pulsed laser beam 3a in the powder bed 5, a molten bath 17i partially overlapping (FIG. 5a) or adjacent (FIG .5b) is generated to the molten bath 17 2 generated by the preceding laser pulse 13 along a desired contour.
  • the molten bath 17 2 produced by a laser pulse 13 in the powder bed 5 is already solidified when a new molten bath 17-s is produced by the subsequent laser pulse 13.
  • the pulse rate, the pulse length of the laser pulses 13 and the feed rate v of the pulsed laser beam 3a are coordinated such that the generated by a laser pulse 13 in the powder bed 5 melt
  • the desired contour must be pulsed as often as possible
  • Laser beam 3a are traversed until the complete contour has been melted at least once or continuously.
  • overlapping or adjacent melt baths are created, because only then the entire contour may have been melted at least once at the end.
  • the molten bath, to which the new molten bath adjoins or overlaps, must then also be solidified.
  • several other molten baths were created between these two molten baths.
  • the time span with which the pulsed laser beam 3a is moved to the next by a molten bath 17-i, 17 2 produced in the powder bed 5 is greater than the time required to solidify the molten bath 17i, 17 2 .
  • the solidification rate ie the advancement of the solidification front within a certain period of time, is thus greater than the feed rate v of the pulsed laser beam 3a from one molten bath 17-i, 17 2 to the next.
  • the solidification rate of the molten bath 17 ⁇ 72 is greater than the feed rate v of the pulsed laser beam 3a from one molten bath to the next.
  • the solidification of the molten bath 17i, 17 2 depends on the energy input (laser power, pulse duration, melt size, scan speed, ). In tests, a solidification of the molten bath 17i, 17 2 after less than 200 is visible, in individual test samples even in the range of about 30 ps.

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Abstract

Bei einem Verfahren, insbesondere LMF- oder SLS-Verfahren, zum schichtweisen additiven Fertigen von Bauteilen (2) in einem Pulverbett (5) mittels mindestens zweier über den gleichen Pulverbettbereich (12) zweidimensional ablenkbarer, unterschiedlicher Laserstrahlen (3a, 3b), wobei Bereiche (7) eines herzustellenden Bauteils (2), welche erhöhte Anforderungen an Oberflächenrauheit oder Maßgenauigkeit haben, ausschließlich mit dem einen Laserstrahl (3a) und Bereiche (8) des herzustellenden Bauteils (2), welche keine erhöhten Anforderungen an Oberflächenrauheit oder Maßgenauigkeit haben, ausschließlich mit dem anderen Laserstrahl (3b) aufgeschmolzen werden, ist erfindungsgemäß der eine Laserstrahl ein gepulster Laserstrahl (3a) und der andere Laserstrahl ein kontinuierlicher Laserstrahl (3b).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur schichtweisen additiven Fertigung von Bauteilen mitteis eines kontinuierlichen und eines gepulsten Laserstrahls und zugehöriges Computerprogrammprodukt
Die Erfindung betrifft ein AM(Additive Manufacturing)-Verfahren, insbesondere LMF(Laser Metal Fusion)- oder SLS(Selective Laser Sintering)-Verfahren, zum schichtweisen additiven Fertigen von Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie eine zum Durchführen des Verfahrens geeignete Laserbearbeitungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12 und ein zugehöriges Computerprogrammprodukt. Ein derartiges AM-Verfahren und eine derartige Laserbearbeitungsmaschine sind beispielsweise durch die DE 198 18 469 A1 bekannt geworden. Selektives Lasersintern (Se!ective Laser Sintering (SLS)) und selektives Laserschmelzen (Laser Metal Fusion (LMF)) sind generative Schichtbauverfahren AM(Additive Manufacturing), bei denen ein Bauteil Schicht für Schicht durch Sintern oder Schmelzen eines Materialpulvers mittels eines Laserstrahls aufgebaut wird. Wird die Pulverschicht mit dem Laserstrahl geschmolzen, spricht man von Laser Metal Fusion (LMF) oder Selective Laser Melting (SLM). Wird die Pulverschicht mit dem Laserstrahl nur gesintert, spricht man von Selective Laser Sintering (SLS). Das Materialpuiver wird auf eine Bauplattform vollflächig aufgebracht, und die Schichten werden durch eine Ansteuern ng des Laserstrahles entsprechend des Schichtquerschnitts des Bauteils schrittweise in das Pulverbett ge- sintert oder aufgeschmolzen. Anschließend wird die Bauplattform um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten des Bauteils gesintert bzw. umgeschmolzen sind. Bisher werden für LMF-oder SLS-Verfahren Laser im cw-Betrieb verwendet, wodurch im Pulverbett eine durchgehende Schmelzspur erzeugt wird. In der flüssigen Phase der Schmelzspur führen der konstante Energieeintrag und das Verfahren des Energieeintrags allerdings zu einer großen Schmelzbaddynamik, welche Spritzer und eine größere Oberflächenrauheit begünstigt. Zusätzlich wird durch ein großes Schmelzbad das "Einsaugen" von umliegenden Pulverpartikeln begünstigt, was sich ebenfalls negativ auf die Oberflächenrauheit auswirkt. Die Oberflächenrauheit von additiv gefertigten Bauteilen ist daher im Vergleich zu konventionell gefertigten Bauteilen groß, so dass häufig eine Nachbearbeitung der AM-Bauteile erforderlich ist.
Bei der eingangs genannten DE 198 18 469 A1 erfolgt die additive Fertigung eines Bauteils nach der sogenannten Hülie-Kern-Strategie. Dabei wird mit einem ersten Laserstrahl mit kleinem Fokusdurchmesser (bspw. 0,1 bis 0,3 mm) die (filigrane) außenseitige Oberflächenkontur („Hülle") des Bauteils und mit einem zweiten La- serstrahl mit größerem Fokusdurchmesser (bspw. 2 bis 10 mm) und vergrößerter Laserenergie der innenliegende Bereich („Kern") des Bauteils aufgeschmolzen. Die beiden Laserstrahlen sind kontinuierliche Laserstrahlen, die von C02-Lasern im cw-Betrieb erzeugt werden.
Aus der DE 10 2015 201 552 A1 ist weiterhin ein LMF-Verfahren bekannt, bei dem ein cw-Laser zum Aufschmelzen des Bauteils und ein gepulster fs- oder ps- Pulslaser zum anschließenden Entfernen von geschmolzenen Strukturen verwendet werden.
Außerdem ist aus der US 2016/0067778 A1 noch ein LMF-Verfahren bekannt, bei dem die additive Fertigung von Mikrobauteilen mit einem cw-Laser oder alternativ mit langen Laserpulsen (>ns) durchgeführt wird. Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Oberflächenrauheit des Bauteils bei möglichst gleichbleibender Produktivität zu verbessern, sowie eine zugehörige Laserbearbeitungsmaschine anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß werden ein Pulslaser zum Aufschmelzen der außenseitigen Oberflächenkontur („Hülle") mit bestmöglicher Güte bei kleiner Produktivität und ein kontinuierlicher Laserstrahl zum Aufschmelzen von innenliegenden Bereichen („Kern") mit größerer Produktivität bei kleiner Güte verwendet. Das Aufschmelzen mit dem gepulsten Laserstrahl hat die Vorteile, dass sehr filigrane Strukturen gefertigt werden können, die Bauteiloberflächen allgemein glatter werden und auch Überhangsbereiche, die oft problematisch sind, besser gefertigt werden können. Außerdem wird die Funktionalität der zugehörigen Laserbearbeitungsmaschine gesteigert, da der Anwender über den Einsatz von gepulstem oder cw-Betrieb entscheiden kann. Erfindungsgemäß werden die Vorteile des gepulsten und des cw-Laserbetriebs kombiniert. Der Standardprozess (cw-Betrieb) zeichnet sich durch einen größeren Energieeintrag (größere Schmelzrate) und der gepulste Prozess durch eine kleinere Schmelzbadgröße aus. Ein kleineres Schmelzbad reduziert negative Effekte durch Wärmeleitung im Pulverbett (Aufschmelzen von Pulver außerhalb der Soll- Geometrie, Tiefschweißeffekte und Schmelzbaddynamik), welche die Güte des Bauteils beeinträchtigen können. Die Kombination der Prozesse besteht darin, dass die Bereiche eines Bauteils, welche erhöhte Anforderungen an die Oberflächenrauheit und/oder Maßgenauigkeit haben, gepulst aufgeschmolzen werden. Solche Regionen sind z.B. Bauteilbereiche mit Überhängen, Funktionsflächen oder die gesamte Bauteiloberfläche (Oberflächenkontur). Einzelne Bereiche können unterschiedliche Pulsparameter benötigen; beispielsweise können Überhänge andere Pulsparameter benötigen als Oberflächen entlang der Z-Achse. Die Bereiche des Bauteils, welche keine erhöhten Anforderungen an ihre Oberfiächenrau- heit haben, werden mit dem cw-Betrieb möglichst produktiv gefertigt. Durch diese Kombination kann man den Vorteil des gepulsten Prozesses (z.B. kleinere Ober- fiächenrauheit, Einfluss auf das Schmelzbadverhalten,...) gezielt nur an den benötigten Bereichen einsetzen, ohne eine deutliche Produktivitätsminderung im restlichen Bauteil zu erhalten.
Bevorzugt werden alle außenseitigen Oberflächenkonturen, also insbesondere die gesamte Außenoberfläche, des herzustellenden Bauteils - und alternativ oder zusätzlich alle innenseitigen Oberflächenkonturen, also insbesondere die gesamte Innenoberfläche, des herzustellenden Bauteils - zumindest überwiegend, insbe- sondere ausschließlich, mit dem gepulsten Laserstrahl und alle innenliegenden Bereiche des herzustellenden Bauteils zumindest überwiegend, insbesondere ausschließlich, mit dem kontinuierlichen Laserstrahl aufgeschmolzen.
Die beiden Laserstrahlen können von zwei verschiedenen Lasern erzeugt werden, also der gepulste Laserstrahl von einem Pulslaser und der kontinuierliche Laserstrahl von einem cw-Laser mit insbesondere konstanter Laserleistung. Bevorzugt werden aber der kontinuierliche Laserstrahl von einem cw-Laser und der gepulste Laserstrahl durch Modulation der Leistung dieses cw-Lasers, insbesondere durch An- und Abschalten des cw-Lasers, erzeugt, so dass keine zweite Scanneroptik oder eine separate Einkoppeloptik im Strahlengang des gepulsten Laserstrahl notwendig ist, um den gepulsten Laserstrahl auf das Pulverbett zu bringen. In Versuchen wurde als cw-Laser ein Faserlaser eingesetzt, der sich durch An- und Abschalten gut mit 40 kHz bis hin zu 80 kHz pulsen lassen. Alternativ kann der ge- pulste Laserstrahl von einem Pulslaser und der kontinuierliche Laserstrahl durch Betreiben des Pulslasers mit Pulsen länger als ca. 1 ms erzeugt werden. Bei Puisdauern von ca. 1 ms und länger erzeugt der Laserstrahl durch Bewegen einer üblichen Scanneroptik bereits ein mehrere 100 μητι langes Schmelzbad, so dass der Prozess sich nicht wesentlich von dem mit einem Laserstrahl eines cw-Lasers mit insbesondere konstanter Laserleistung unterscheidet. Somit wird im Rahmen dieser Erfindung unter einem kontinuierlichen Laserstrahl sowohl ein Laserstrahl aus einem cw-Laser, als auch ein gepulster Laserstrahl verstanden, wenn dessen Pulse länger als ca. 1 ms sind (quasi-cw). Vorzugsweise weist der gepulste Laserstrahl Laserpulse mit einer Pulsfrequenz von größer 1 kHz, bevorzugt von größer als 10 kHz, und mit einer Pulslänge von kleiner als ca. 1 ms, bevorzugt kleiner als 500 με, besonders bevorzugt kleiner als 100 s, auf. In Versuchen mit Pulslängen von 500 ps konnte bereits eine Verbesserung der Bauteilqualität festgestellt werden; bei 100 \is war die Verbesserung deutlicher ausgeprägt. Noch kürzere Laserpulse sollten daher noch besser sein.
Vorzugsweise wird durch einen Laserpuls des gepulsten Laserstrahls im Pulverbett ein Schmelzbad angrenzend oder teilweise überlappend zu dem vom vorangehenden Laserpuls erzeugten Schmelzbad entlang einer gewünschten Kontur erzeugt. Dabei können vorteilhaft die Pulsfrequenz, die Pulslänge und die Vorschubgeschwindigkeit des gepulsten Laserstrahls derart aufeinander abgestimmt werden, dass das von einem Laserpuls im Pulverbett erzeugte Schmelzbad bereits erstarrt ist, wenn ein neues Schmelzbad vom nachfolgenden Laserpuls erzeugt wird.
Alternativ können die Pulsfrequenz, die Pulslänge der Laserpulse und die Vorschubgeschwindigkeit des gepulsten Laserstrahls auch derart aufeinander abgestimmt werden, dass das von einem Laserpuls im Pulverbett erzeugte Schmelzbad von dem vom vorangehenden Laserpuls erzeugten Schmelzbad beabstandet ist. In diesem Fall muss die gewünschte Kontur sooft mit dem gepulsten Laserstrahl abgefahren werden, bis die Kontur mindestens einmal aufgeschmolzen worden ist. Eine Erhöhung der Pulsfrequenz des Lasers und damit auch der in das Bauteil eingebrachten Leistung und folglich der Fertigungsgeschwindigkeit ist möglich, wenn die Kontur oder Konturabschnitte mit höherer Geschwindigkeit abgefahren wird, so dass auf der Kontur durch zwei aufeinanderfolgende Laserpulse Schmelzbäder ausgebildet werden, die voneinander beabstandet sind und sich daher gegenseitig nicht oder nur wenig nachteilig beeinflussen. Allerdings muss die Kontur dann mehrmals abgefahren werden, um in einem oder mehreren nach- folgenden Durchgängen die zuvor nicht aufgeschmolzenen Konturabschnitte aufzuschmelzen, bis die komplette Kontur mindestens einmal aufgeschmolzen worden ist.
Daneben ist es möglich, zusätzlich die Energie und/oder Pulsabfolge der Laser- pulse zueinander zu variieren und bevorzugt mit abgeschwächten oder sich abschwächenden Laserpulsen, Einfluss auf die Schmelzbaddynamik und das Erstarrungsverhalten zu nehmen. Besonders bevorzugt verwendet man hierfür einen Burst-Pulse-Betriebsmodus. Durch den gepulsten Laserstrahl (aber auch durch den kontinuierlichen Laserstrahl) können starke und/oder turbulente Strömungen im Schmelzbad entstehen, die sich mit weiteren, üblicherweise schwächeren Laserpulsen dämpfen lassen. Außerdem lässt sich durch schwächere Laserpulse die insbesondere zu Beginn des Abkühlprozesses besonders hohe Abkühlrate verlangsamen, um so Einfluss auf die Kristallbildung im Material zu nehmen. Durch einen hochfrequenten Pulsbetrieb, insbesondere wie oben beschrieben, kann z.B. das Erstarrungsverhalten der Schmelze im Pulverbett beeinflusst und so ein globoiitisches Gefüge begünstigt werden.
Besonders bevorzugt ist die Zeitspanne, mit der der gepulste Laserstrahl von einem im Pulverbett erzeugten Schmelzbad zum nächsten und/oder einem angren- zenden oder teilweise überlappenden Schmelzbad bewegt wird, größer als die zum Erstarren des Schmelzbades erforderliche Zeitspanne. Die Erstarrungsgeschwindigkeit, also das Vorrücken der Erstarrungsfront innerhalb einer bestimmten Zeitspanne ist somit größer als die Vorschubgeschwindigkeit des gepulsten Laserstrahls von einem Schmelzbad zum nächsten. Vorteilhaft ist die Erstarrungsge- schwindigkeit des Schmelzbades größer als die Vorschubgeschwindigkeit des gepulsten Laserstrahls von einem Schmelzbad zum nächsten und/oder einem angrenzenden oder teilweise überlappenden Schmelzbad. Irgendwann, wenn der gepulste Laserstrahl ein- oder mehrfach um die Kontur herumbewegt wurde, wer- den überlappende oder angrenzende Schmelzbäder erzeugt, denn nur dann kann die gesamte Kontur am Ende mindestens einmal aufgeschmolzen worden sein. Das Schmelzbad, an das das neue Schmelzbad dann angrenzt, oder mit dem es überlappt, muss dann ebenfalls schon erstarrt sein. Zeitlich zwischen diesen beiden Schmelzbädern wurden jedoch mehrere andere Schmelzbäder erzeugt.
Die Erstarrung des Schmelzbades ist abhängig von dem Energieeintrag (Laserleistung, Pulsdauer, Schmelzbadgröße, Scangeschwind igkeit, ...) und muss daher in Abhängigkeit der Laserparameter (und daraus resultierenden Schmelzbadgröße) und der Materialeigenschaften ermittelt werden. Neben den Prozessparame- tern haben auch die Materialeigenschaften, vor allem Absorptionsgrad, Wärmeleitfähigkeit, etc., erheblichen Einfluss auf die Schmelzbadgröße. In Versuchen war eine Erstarrung des Schmelzbades nach weniger als 200 ps erkennbar, bei einzelnen Versuchsproben sogar im Bereich von ca. 30 ps. Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch eine Laserbearbeitungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Der Pulsiaser und der cw-Laser können jeweils separate Laser sein oder, was bevorzugt ist, der Pulslaser ist durch den leistungsmodulierten cw-Laser gebildet. Im letzteren Fall ist keine zweite Scanneroptik oder eine separate Einkoppeloptik im Strahlengang des gepulsten Laserstrahls notwendig, um den gepulsten Laserstrahl auf das Pulverbett zu bringen.
Vorzugsweise ist eine Maschinensteuerung der Laserbearbeitungsmaschine programmiert, die Bauteilbereiche, welche erhöhte Anforderungen an die Oberflä- chenrauheit oder Maßgenauigkeit haben, zumindest überwiegend, insbesondere ausschließlich, mit dem gepulsten Laserstrahl des gepulsten Lasers und die Bauteilbereiche, welche keine erhöhten Anforderungen an die Oberflächenrauheit o- der Maßgenauigkeit haben, zumindest überwiegend, insbesondere ausschließlich, mit dem kontinuierlichen Laserstrahl des zweiten Lasers aufzuschmelzen. Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Maschinensteuerung einer Bearbeitungsmaschine abläuft.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen: schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LMF-Maschine mit einem cw-Laser und einem Pulslaser zur schichtweisen additiven Fertigung von Bauteilen;
schematisch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LMF-Maschine mit einem leistungsmodulierten cw-Laser zur schichtweisen additiven Fertigung von Bauteilen;
eine Draufsicht auf ein mit der LMF-Maschine gefertigtes Bauteil; einen Längsschnitt durch ein mit der LMF-Maschine gefertigtes Bauteil mit überhängenden Strukturen; und
-5c unterschiedliche Schmelzspuren im Pulverbett der erfindungsgemäßen LMF-Maschine.
Die in Fig. 1 gezeigte LMF-Maschine 1 dient zur schichtweisen additiven Fertigung von Bauteilen 2 mittels zweier Laserstrahlen 3a, 3b und umfasst eine Pro- zesskammer 4, in der eine Pulverschicht (Metall, Keramik, Thermoplaste) in Form eines Pulverbetts 5 auf eine Substratplatte 6 aufgebracht und mit den Laserstrahlen 3a, 3b geschmolzen und dadurch verfestigt werden kann. Anschließend wird die Substratplatte 6 um eine Pulverschichtdicke abgesenkt und eine neue Pulverschicht aufgebracht und erneut verfestigt, bis ein 3-dimensionales Bauteil 2 gefer- tigt wurde.
Bereiche 7 eines herzustellenden Bauteils 2, welche erhöhte Anforderungen an Oberflächenrauheit oder Maßgenauigkeit haben, wie z.B. Oberflächen konturen, die gesamte Bauteiloberfläche („Hülle"), Funktionsflächen, Überhänge, werden ausschließlich mit dem gepulster Laserstrahl 3a aufgeschmolzen. Hingegen werden Bereiche 8 des herzustellenden Bauteils 2, welche keine erhöhten Anforderungen an Oberflächenrauheit oder Maßgenauigkeit haben, wie z.B. innenliegende Bereiche („Kern"), ausschließlich mit dem kontinuierlichen Laserstrahl 3b aufge- schmolzen. Vorzugsweise werden alle außenseitigen Oberflächenkonturen des herzustellenden Bauteils 2 ausschließlich mit dem gepulsten Laserstrahl 3a und alle innenliegenden Bereiche des herzustellenden Bauteils 2 ausschließlich mit dem kontinuierlichen Laserstrahl 3b gefertigt. Der eine Laserstrahl ist ein gepulster Laserstrahl 3a, der von einem Pulslaser 9a erzeugt wird, und der andere Laserstrahl ein kontinuierlicher Laserstrahl 3b, der von einem cw-Laser 9b erzeugt wird. Die aus Pulslaser 9a und cw-Laser 9b gebildete Lasereinheit ist insgesamt mit 9 bezeichnet. Oberhalb des Pulverbetts 5 sind ein erster Scanner 11a zum zweidimensionalen Ablenken des gepulsten Laser- Strahls 3a und ein zweiter Scanner 11b zum zweidimensionalen Ablenken des kontinuierlichen Laserstrahls 3b jeweils über den gleichen Pulverbettbereich 12, insbesondere über das gesamte Pulverbett 5, angeordnet. Der Pulslaser 9a kann beispielsweise ein Faserlaser sein, der Laserpulse 13 mit einer Pulslänge (PW) von kleiner als 500 με und mit einer Pulsfrequenz f von größer 1 kHz erzeugt. Durch den hochfrequenten Pulsbetrieb kann z.B. das Erstarrungsverhalten der Schmelze im Pulverbett 5 beeinflusst und so ein globolitisches Gefüge begünstigt werden.
Die LMF-Maschine 1 umfasst ferner eine Maschinensteuerung 14, welche pro- grammiert ist, die beiden Scanner 11a, 11b so anzusteuern, dass die Bauteilbereiche 7, welche erhöhte Anforderungen an Oberflächenrauheit oder Maßgenauigkeit haben, ausschließlich mit dem gepulsten Laserstrahl 3a und die Bauteilbereiche 8, welche keine erhöhten Anforderungen an Oberflächenrauheit oder Maßgenauig- keit haben, ausschließlich mit dem kontinuierlichen Laserstrahl 3b aufgeschmolzen werden.
Von der LMF-Maschine 1 unterscheidet sich die in Fig. 2 gezeigte LMF-Maschine V dadurch, dass hier die Lasereinheit 9 nur einen cw-Laser 9b mit einem einzigen Scanner 11 aufweist. Der kontinuierliche Laserstrahl 3b wird vom cw-Laser 9b und der gepulste Laserstrahl 3a durch Modulation der Leistung des cw-Lasers 9b, insbesondere durch An- und Abschalten des cw-Lasers 9b, erzeugt. Hierfür wird das LaserOn-Signal von der Maschinensteuerung 14 in den gewünschten Parameter- bereichen moduliert, wobei als wichtige Parameter einzustellen sind: maximale Pulsleistung, Pulsdauer (PW) von kleiner als 500 μβ und Pulsfrequenz f von bevorzugt größer/gleich 1 kHz.
Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf ein mit der LMF-Maschine 1 , 1 ' gefertigtes Bauteil 2, dessen Außenoberfläche („Hülle") 7 mit dem gepulsten Laserstrahl 3a und dessen innenliegender Bereich („Kern") 8 mit dem kontinuierlichen Laserstrahl 3b gefertigt worden sind.
In Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch ein mit der LMF-Maschine 1 , 1 ' gefertigtes Bauteil 2 mit überhängenden Strukturen 15 gezeigt, die schichtenweise mit dem gepulsten Laserstrahl 3a erzeugt worden sind.
In Figo. 5a-5b ist die Draufsicht von oben auf das Pulverbett 5 mit jeweils einer darin mittels des gepulsten Laserstrahls 3a aufgeschmolzenen, durchgehenden Schmelzspur 16 gezeigt.
In Fign. 5a, 5b sind die Pulsfrequenz, die Pulslänge der Laserpulse 13 und die Vorschubgeschwindigkeit v des gepulsten Laserstrahls 3a derart aufeinander abgestimmt, dass durch einen Laserpuls 13 des gepulsten Laserstrahls 3a im Pulverbett 5 ein Schmelzbad 17i teilweise überlappend (Fig. 5a) oder angrenzend (Fig.5b) zu dem vom vorangehenden Laserpuls 13 erzeugten Schmelzbad 172 entlang einer gewünschten Kontur erzeugt wird. Vorzugsweise ist das von einem Laserpuls 13 im Pulverbett 5 erzeugte Schmelzbad 172 bereits erstarrt, wenn ein neues Schmelzbad 17-s vom nachfolgenden Laserpuls 13 erzeugt wird. In Fig. 5c sind die Pulsfrequenz, die Pulslänge der Laserpulse 13 und die Vorschubgeschwindigkeit v des gepulsten Laserstrahls 3a derart aufeinander abgestimmt, dass das von einem Laserpuls 13 im Pulverbett 5 erzeugte Schmelzbad
171 von dem vom vorangehenden Laserpuls 13 erzeugten Schmelzbad 172 beab- standet ist. In diesem Fall muss die gewünschte Kontur sooft mit dem gepulsten
Laserstrahl 3a abgefahren werden, bis die komplette Kontur mindestens einmal bzw. durchgehend aufgeschmolzen worden ist. Irgendwann, wenn der gepulste Laserstrahl 3a ein- oder mehrfach um die Kontur herumbewegt wurde, werden überlappende oder angrenzende Schmelzbäder erzeugt, denn nur dann kann die gesamte Kontur am Ende mindestens einmal aufgeschmolzen worden sein. Das Schmelzbad, an das das neue Schmelzbad dann angrenzt, oder mit dem es überlappt, muss dann ebenfalls schon erstarrt sein. Zeitlich zwischen diesen beiden Schmeizbädern wurden jedoch mehrere andere Schmelzbäder erzeugt. Besonders bevorzugt ist die Zeitspanne, mit der der gepulste Laserstrahl 3a von einem im Pulverbett 5 erzeugten Schmelzbad 17-i , 172 zum nächsten bewegt wird, größer als die zum Erstarren des Schmelzbades 17i , 172 erforderliche Zeitspanne. Die Erstarrungsgeschwindigkeit, also das Vorrücken der Erstarrungsfront innerhalb einer bestimmten Zeitspanne, ist somit größer als die Vorschubgeschwindig- keit v des gepulsten Laserstrahls 3a von einem Schmelzbad 17-i , 172 zum nächsten. Mit anderen Worten, die Erstarrungsgeschwindigkeit des Schmelzbades 17^ 72 ist größer als die Vorschubgeschwindigkeit v des gepulsten Laserstrahls 3a von einem Schmelzbad zum nächsten. Die Erstarrung des Schmelzbades 17i, 172 ist abhängig von dem Energieeintrag (Laserieistung, Pulsdauer, Schmelzbadgrö- ße, Scangeschwindigkeit, ... ). In Versuchen war eine Erstarrung des Schmelzbades 17i , 172 nach weniger als 200 is erkennbar, bei einzelnen Versuchsproben sogar im Bereich von ca. 30 ps.

Claims

SP12418PCT Rk/sh
12.11.2018
Patentansprüche
Verfahren, insbesondere LMF- oder SLS-Verfahren, zum schichtweisen additiven Fertigen von Bauteilen (2) in einem Pulverbett (5) mittels mindestens zweier über den gleichen Pulverbettbereich (12) zweidimensional ablenkbarer, unterschiedlicher Laserstrahlen (3a, 3b), wobei Bereiche (7) eines herzustellenden Bauteils (2), welche erhöhte Anforderungen an Oberflächenrauheit oder Maßgenauigkeit haben, ausschließlich mit dem einen Laserstrahl (3a) und Bereiche (8) des herzustellenden Bauteils (2), welche keine erhöhten Anforderungen an Oberflächenrauheit oder Maßgenauigkeit haben, ausschließlich mit dem anderen Laserstrahl (3b) aufgeschmolzen werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass der eine Laserstrahl ein gepulster Laserstrahl (3a) und der andere Laserstrahl ein kontinuierlicher Laserstrahl (3b) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass alle außenseitigen Oberflächenkonturen des herzustellenden Bauteils (2) zumindest überwiegend, insbesondere ausschließlich, mit dem gepulsten Laserstrahl (3a) und alle innenliegenden Bereiche des herzustellenden Bauteils (2) zumindest überwiegend, insbesondere ausschließlich, mit dem kontinuierlichen Laserstrahl (3b) aufgeschmolzen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gepulste Laserstrahl (3a) von einem Pulslaser (9a) und der kontinuierliche Laserstrahl (3b) von einem cw-Laser (9b) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kontinuierliche Laserstrahl (3b) von einem cw-Laser (9b) und der gepulste Laserstrahl (3a) durch Modulation der Leistung des cw-Lasers (9b), insbesondere durch An- und Abschalten des cw-Lasers (9b), erzeugt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gepulste Laserstrahl (3a) Laserpulse (13) mit einer Pulsfrequenz (f) von größer 1 kHz, bevorzugt von größer als 10 kHz, aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gepulste Laserstrahl (3a) Laserpulse (13) mit einer Pulslänge (PW) von kleiner als 1 ms, bevorzugt kleiner als 500 ps, besonders bevorzugt kleiner als 100 ps, aufweist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Laserpuls (13) des gepulsten Laserstrahls (3a) im Pulverbett (5) ein Schmelzbad (17-i) angrenzend oder teilweise überlappend zu dem vom vorangehenden Laserpuls (13) erzeugten Schmelzbad (172) entlang einer gewünschten Kontur erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfrequenz (f), die Pulslänge (PW) der Laserpulse ( 3) und die Vorschubgeschwindigkeit (v) des gepulsten Laserstrahls (3a) derart aufeinander abgestimmt werden, dass das von einem Laserpuls (13) im Pulverbett (5) erzeugte Schmelzbad (172) bereits erstarrt ist, wenn ein neues Schmelzbad (17-0 vom nachfolgenden Laserpuls (13) erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfrequenz (f), die Pulslänge (PW) der Laserpulse (13) und die Vorschubgeschwindigkeit (v) des gepulsten Laserstrahls (3a) derart aufeinander abgestimmt werden, dass das von einem Laserpuls (13) im Pulverbett (5) erzeugte Schmelzbad (17i) von dem vom vorangehenden Laserpuls (13) erzeugten Schmelzbad (172) beabstandet ist, und dass die gewünschte Kontur sooft mit dem gepulsten Laserstrahl (3a) ab- gefahren wird, bis die Kontur mindestens einmal aufgeschmolzen worden ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne, mit der der gepulste Laserstrahl (3a) von einem im Pulverbett (5) erzeugten Schmelzbad (171 s 172) zum nächsten und/oder einem angrenzenden oder teilweise überlappenden Schmelzbad bewegt wird, größer ist als die zum Erstarren des Schmelzbades (17-i, 172) erforderliche Zeitspanne.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstarrungsgeschwindigkeit eines im Pulverbett (5) erzeugten Schmelzbades (17-i, 172) größer ist als die Vorschubgeschwindigkeit (v) des gepulsten Laserstrahls (3a) von einem im Pulverbett (5) erzeugten Schmelzbad (17i, 172) zum nächsten und/oder einem angrenzenden oder teilweise überlappenden Schmelzbad.
12. Laserbearbeitungsmaschine (1 ; 1'), insbesondere LMF- oder SLS- Maschine, zur schichtweisen additiven Fertigung von Bauteilen (2) in einem Pulverbett (5) mittels mindestens zweier über den gleichen Pulverbettbereich (12) zweidimensional ablenkbarer, unterschiedlicher Laserstrahlen (3a, 3b), mit mindestens einer Lasereinheit (9) zum Erzeugen des einen Laserstrahls (3a) zur Fertigung von Bauteilbereichen (7), welche erhöhte Anforderungen an Oberflächenrauheit oder Maßgenauigkeit haben, und zum Erzeugen des anderen Laserstrahls (3b) zur Fertigung von Bauteilbereichen (8), welche keine erhöhten Anforderungen an Oberflächenrauheit oder Maßgenauigkeit haben,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Laserstrahl ein gepulster Laserstrahl (3a) und der zweite Laserstrahl ein cw-Laserstrahl (3b) ist.
13. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheit (9) mindestens einen Pulslaser (9a) und einen cw- Laser (9b) umfasst. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheit (9) einen Pulslaser (9a) umfasst, der durch einen leistungsmodulierten cw-Laser (9b) gebildet ist.
Laserbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch eine Maschinensteuerung (14), welche programmiert ist, die Bauteilbereiche (7), welche erhöhte Anforderungen an Oberflächenrauheit oder Maßgenauigkeit haben, zumindest überwiegend, insbesondere ausschließlich, mit dem gepulsten Laserstrahl (3a) und die Bauteilbereiche (8), welche keine erhöhten Anforderungen an Oberflächenrauheit oder Maßgenauigkeit haben, zumindest überwiegend, insbesondere ausschließlich, mit dem kontinuierlichen Laserstrahl (3b) aufzuschmelzen.
Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 angepasst sind, wenn das Programm auf einer Maschinensteuerung (14) einer Laserbearbeitungsmaschine (1 ; 1') abläuft.
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