DE102015216402A1 - Device and method for producing or repairing a three-dimensional object - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts (36) umfassend mindestens einen Bauraum (12) für ein schichtweises, aufeinanderfolgendes Verfestigen mindestens eines verfestigbaren Werkstoffs (16) in vordefinierten Bereichen zum schichtweisen Aufbau des dreidimensionalen Objekts (36) oder zur schichtweisen Reparatur einzelner Bereiche des dreidimensionalen Objekts (36) innerhalb des Bauraums (12) und mindestens eine Strahlungsquelle (18) zum Erzeugen wenigstens eines Hochenergiestrahls (20), mittels welchem eine Werkstoffschicht (22) im Bereich einer Aufbau- und Fügezone (28) lokal zu einer Objektschicht verschmelzbar und/oder versinterbar ist, wobei die Strahlungsquelle (18) relativ zu einer Baupattform (14) innerhalb des Bauraums (12) verfahrbar ist, wobei die Vorrichtung (10) und/oder die Strahlungsquelle (18) mindestens eine Steuervorrichtung (24) zur Einstellung und/oder Veränderung des Einstrahlwinkels (α1, α2, α3) des Hochenergiestrahls (20) in die Werkstoffschicht (22) während des Verschmelzens und/oder Versinterns der Werkstoffschicht (22) zu einer Bauteilschicht des Objekts (36) umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts (36).The invention relates to a device (10) for producing or repairing a three-dimensional object (36) comprising at least one installation space (12) for a layered, successive solidification of at least one solidifiable material (16) in predefined areas for the layered construction of the three-dimensional object (36). or for layer-wise repair of individual areas of the three-dimensional object (36) within the construction space (12) and at least one radiation source (18) for generating at least one high-energy beam (20), by means of which a material layer (22) in the region of a build-up and joining zone (28 ) is locally fusible to an object layer and / or versinterbar, wherein the radiation source (18) relative to a platform (14) within the space (12) is movable, wherein the device (10) and / or the radiation source (18) at least one Control device (24) for adjusting and / or changing the angle of incidence (α1, α2, α3) of the high energy beam (20) into the material layer (22) during fusing and / or sintering of the material layer (22) to a component layer of the object (36). The invention further relates to a method for producing or repairing a three-dimensional object (36).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8. The invention relates to a device for producing or repairing a three-dimensional object according to the preamble of
Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten, insbesondere von Bauteilen sind in einer großen Vielzahl bekannt. Insbesondere sind generative Fertigungsverfahren (sog. Rapid Manufacturing- bzw. Rapid Prototyping-Verfahren) bekannt, bei denen das dreidimensionale Objekt beziehungsweise das Bauteil durch pulverbettbasierte, additive Fertigungsverfahren schichtweise aufgebaut wird. Vorwiegend metallische Bauteile können beispielsweise durch Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelz- oder -sinterverfahren hergestellt werden. Dabei wird zunächst schichtweise mindestens ein pulverförmiger Bauteilwerkstoff auf eine Bauplattform im Bereich einer Aufbau- und Fügezone der Vorrichtung aufgetragen. Anschließend wird der Bauteilwerkstoff schichtweise lokal verschmolzen und/oder versintert, indem dem Bauteilwerkstoff im Bereich der Aufbau- und Fügezone Energie mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls, zum Beispiel eines Elektronen- oder Laserstrahls zugeführt wird. Der Hochenergiestrahl wird dabei in Abhängigkeit einer Schichtinformation der jeweils herzustellenden Bauteilschicht gesteuert. Nach dem Verschmelzen und/oder Versintern wird die Bauplattform schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke abgesenkt. Danach werden die genannten Schritte bis zur endgültigen Fertigstellung des Bauteils wiederholt. Vergleichbare additive Verfahren sind zur Herstellung von Keramik- oder Kunststoffelementen bekannt. Methods and apparatus for making three-dimensional objects, particularly components, are known in a wide variety. In particular, generative manufacturing methods (so-called rapid manufacturing or rapid prototyping methods) are known in which the three-dimensional object or the component is built up in layers by powder-bed-based, additive manufacturing processes. Primarily metallic components can be produced, for example, by laser or electron beam melting or sintering methods. In this case, at least one powdered component material is first applied in layers to a construction platform in the region of a building and joining zone of the device. Subsequently, the component material is locally fused in layers and / or sintered by the component material in the assembly and joining zone energy is supplied by means of at least one high-energy beam, for example an electron or laser beam. The high-energy beam is controlled in dependence on a layer information of the component layer to be produced in each case. After fusing and / or sintering, the construction platform is lowered in layers by a predefined layer thickness. Thereafter, the said steps are repeated until the final completion of the component. Comparable additive processes are known for the production of ceramic or plastic elements.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere auch generative Herstellverfahren für die Herstellung von Bauteilen einer Strömungsmaschine, wie beispielsweise von Bauteilen eines Flugtriebwerks oder einer Gasturbine bekannt, z.B. das in der
In bekannten Vorrichtungen zur generativen Herstellung von dreidimensionalen Objekten mittels Laserenergie (z.B. Selektive Laserschmelzanlagen) trifft der Laserstrahl innerhalb eines Bauraums der Vorrichtung nur in einem Punkt senkrecht zur Lasereinrichtung senkrecht auf den pulverförmigen Bauteilwerkstoff. In den Randbereichen des Bauraums trifft der Laserstrahl in einem anderen, ungünstigen Winkel auf. Bei einem senkrechten Auftreffen des Laserstrahls ist der resultierende Schmelzbereich im Wesentlichen kreisförmig. Je weiter entfernt von diesem Idealpunkt der Laserstrahl auf der Pulveroberfläche auftrifft, desto ellipsoider wird der Schmelzbereich. Da hierbei die Schmelzfläche vergrößert wird, entstehen Bereiche am Objekt mit deutlich verminderter Qualität. Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine verbesserte Qualität des herzustellenden dreidimensionalen Objekts mit vordefinierten Materialeigenschaften oder eine entsprechend vorteilhafte Reparatur des dreidimensionalen Objekts ermöglicht. Object of the present invention is to provide a device and a method of the type mentioned, which allows an improved quality of the produced three-dimensional object with predefined material properties or a correspondingly advantageous repair of the three-dimensional object.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens oder des Bauteils und umgekehrt anzusehen sind. This object is achieved by a device for producing or repairing a three-dimensional object having the features of
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts umfassend mindestens einen Bauraum für ein schichtweises, aufeinderfolgendes Verfestigen mindestens eines verfestigbaren Werkstoffs in vordefinierten Bereichen zum schichtweisen Aufbau des dreidimensionalen Objekts oder zur schichtweisen Reparatur einzelner Bereiche des dreidimensionalen Objekts innerhalb des Bauraums und mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Hochenergiestrahls mittels welchem eine Werkstoffschicht im Bereich einer Aufbau- und Fügezone lokal zu einer Objektschicht verschmelzbar und/oder versinterbar ist, wobei die Strahlungsquelle relativ zu einer Bauplattform innerhalb des Bauraums verfahrbar ist. Dabei umfasst die Vorrichtung und/oder die Strahlungsquelle mindestens eine Steuervorrichtung zur Einstellung und/oder Veränderung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls in die Werkstoffschicht während des Verschmelzens und/oder Versintern der Werkstoffschicht zu einer Objektschicht des Objekts. Durch die Möglichkeit der Veränderung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls während des schichtweisen Aufbaus des dreidimensionalen Objektes wird vorteilhafterweise erreicht, dass der Hochenergiestrahl in das Objekt- beziehungsweise Bauteilvolumen und nicht in das umliegende Pulverbett des Werkstoffes eingeleitet wird. Damit werden zuverlässig Oberflächenrauigkeiten des hergestellten Objekts in diesen Bereichen minimiert, eine Nachbehandlung der Oberflächen des Objektes ist nicht oder nur minimal notwendig. Die Qualität des herzustellenden dreidimensionalen Objektes wird dadurch deutlich verbessert. Zudem kann durch die Einstellung und/oder Veränderung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls während des Verschmelzens und/oder Versinterns der Werkstoffschicht die Schmelzbadgeometrie vorteilhaft beeinflusst werden. Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise die Möglichkeit, Einfluss auf die Textur des Werkstoffes zu nehmen. Beispielsweise können damit Rissentstehungen innerhalb des herzustellenden Objektes verhindert oder zumindest minimiert werden. Des Weiteren besteht erfindungsgemäß der Vorteil, dass durch die Einstellung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls definierte Gefügerichtungen im Bauteil beziehungsweise Objekt erzeugt werden können. Dadurch können richtungsabhängige Materialeigenschaften beziehungsweise Objekteigenschaften definiert erzeugt werden. Schließlich können durch die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhafterweise Bauteil- beziehungsweise Objektgeometrien mit relativ kleinen Aufbauwinkeln erzeugt werden, ohne dass hierzu Stützen am Objekt notwendig sind. Üblicherweise beträgt hierbei ein Grenzwinkel gemäß dem Stand der Technik ca. 45°. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dieser Grenzwinkel bis mindestens 30° reduziert werden. Zudem besteht durch die erfindungsgemäße Vorrichtung die Möglichkeit, dass über die Einstellung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls entstehende Prozessnebenprodukte, wie zum Beispiel Schmauch, Rauch, Auswürfe etc., geringeren Einfluss auf den Herstellungsprozess nehmen, so dass auch hierdurch die Qualität des herzustellenden Objektes deutlich verbessert werden kann. A first aspect of the invention relates to a device for producing or repairing a three-dimensional object comprising at least one installation space for a layered, successive solidification of at least one solidifiable material in predefined areas for the layered construction of the three-dimensional object or for the layered repair of individual areas of the three-dimensional object within the construction space and at least one radiation source for generating at least one high-energy beam by means of which a material layer in the region of a build-up and joining zone can be fused and / or sintered locally to form an object layer, wherein the Radiation source is movable relative to a building platform within the space. In this case, the device and / or the radiation source comprises at least one control device for adjusting and / or changing the angle of incidence of the high-energy beam in the material layer during the fusing and / or sintering of the material layer to an object layer of the object. By the possibility of changing the angle of incidence of the high energy beam during the layered structure of the three-dimensional object is advantageously achieved that the high energy beam is introduced into the object or component volume and not in the surrounding powder bed of the material. This reliably minimizes surface roughness of the manufactured object in these areas, a subsequent treatment of the surfaces of the object is not or only minimally necessary. The quality of the produced three-dimensional object is thereby significantly improved. In addition, by adjusting and / or changing the angle of incidence of the high-energy beam during the melting and / or sintering of the material layer, the melt bath geometry can advantageously be influenced. This advantageously results in the possibility of influencing the texture of the material. For example, cracking within the object to be produced can be prevented or at least minimized. Furthermore, according to the invention there is the advantage that defined Gefügerungen in the component or object can be generated by adjusting the angle of incidence of the high energy beam. As a result, direction-dependent material properties or object properties can be generated in a defined manner. Finally, by the device according to the invention advantageously component or object geometries can be produced with relatively small mounting angles, without the need for supports on the object. Usually, in this case, a critical angle according to the prior art is about 45 °. With the method according to the invention, this critical angle can be reduced to at least 30 °. In addition, the device according to the invention makes it possible for process by-products resulting from the adjustment of the angle of incidence of the high-energy beam, such as smoke, smoke, ejection, etc., to exert less influence on the production process, so that the quality of the object to be produced can also be significantly improved can.
Bei dem im Vorhergehenden beschriebenen Bauraum der Vorrichtung handelt es sich üblicherweise um eine Prozesskammer zur Durchführung des generativen Herstellungs- oder Reparaturverfahrens. Bei dem herzustellenden oder zu reparierenden dreidimensionalen Objekt kann es sich um ein Bauteil oder einen Bauteilbereich eines Flugtriebwerks, insbesondere eines Verdichters oder einer Turbine handeln. Der verwendete Werkstoff kann pulverförmig, flüssig oder pastös ausgebildet sein und besteht üblicherweise aus Metall, einer Metalllegierung, Keramik oder Kunststoff oder einer Mischung daraus. Der Hochenergiestrahl ist üblicherweise ein Laser- oder Elektronenstrahl. Unter Strahlungsquelle sind direkte und indirekte Strahlungsquellen zu verstehen. Indirekte Strahlungsquellen können beispielsweise verfahrbare optische Systeme umfassen, welche einen von einer direkten Strahlungsquelle erzeugten Hochenergiestrahl in Richtung der Werkstoffschicht ablenken. The installation space of the device described above is usually a process chamber for carrying out the additive manufacturing or repair process. The three-dimensional object to be produced or repaired may be a component or a component region of an aircraft engine, in particular a compressor or a turbine. The material used can be powdery, liquid or pasty and usually consists of metal, a metal alloy, ceramic or plastic or a mixture thereof. The high energy beam is usually a laser or electron beam. Radiation source is to be understood as meaning direct and indirect radiation sources. Indirect radiation sources may comprise, for example, movable optical systems which deflect a high-energy beam generated by a direct radiation source in the direction of the material layer.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Steuervorrichtung derart ausgebildet, dass der Einstrahlwinkel des Hochenergiestrahls in Abhängigkeit einer Oberflächengeometrie des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts innerhalb eines jeweiligen Aufbaubereichs des Objekts einstellbar und/oder veränderbar ist. Durch die Anpassung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls an die Oberflächengeometrie des herzustellenden oder zu reparierenden Objektes kann der Hochenergiestrahl wiederum vorteilhafterweise in das Objekt- beziehungsweise Bauteilvolumen und nicht in das umliegende Pulverbett des Werkstoffs geleitet werden. Dadurch werden wiederum Oberflächenrauigkeiten in diesen Bereichen minimiert. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die Steuervorrichtung dazu ausgebildet ist, den Einstrahlwinkel derart einzustellen, dass er einen Bauteilwinkel einer Fläche des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts in dem jeweiligen Aufbaubereich des Objekts mit einer maximalen Winkelabweichung von ±10 Prozent entspricht. Der Einstrahlwinkel kann vorteilhafterweise in Abhängigkeit eines Überhangwinkels der Objektoberfläche beziehungsweise Bauteiloberfläche durch die Ausrichtung des Hochenergiestrahls in Richtung des Überhangs ausgerichtet werden. Durch die Anpassung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls in dem Winkelbereich des Überhangs ist wiederum gewährleistet, dass der Hochenergiestrahl in das Objektvolumen und nicht in das umliegende Pulverbett des Werkstoffs eingeleitet wird. Oberflächenrauigkeiten werden dadurch in diesen Bereichen minimiert. In further advantageous embodiments of the device according to the invention, the control device is designed such that the angle of incidence of the high-energy beam is adjustable and / or variable within a respective build-up area of the object as a function of a surface geometry of the object to be manufactured or repaired. By adapting the angle of incidence of the high-energy beam to the surface geometry of the object to be manufactured or repaired, the high-energy beam can in turn advantageously be directed into the object or component volume and not into the surrounding powder bed of the material. This in turn minimizes surface roughness in these areas. Furthermore, there is the possibility that the control device is designed to adjust the angle of incidence such that it corresponds to a component angle of a surface of the object to be manufactured or repaired in the respective assembly region of the object with a maximum angular deviation of ± 10 percent. The angle of incidence can advantageously be aligned in the direction of the overhang as a function of an overhang angle of the object surface or component surface by the orientation of the high-energy beam. By adjusting the angle of incidence of the high energy beam in the angular range of the overhang is again ensured that the high energy beam is introduced into the object volume and not in the surrounding powder bed of the material. Surface roughness is thereby minimized in these areas.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Vorrichtung mindestens eine Datenspeichervorrichtung und/oder eine Datenverarbeitungseinrichtung, wobei die Datenspeichervorrichtung und/oder Datenverarbeitungseinrichtung mit der Steuervorrichtung zur Einstellung und/oder Veränderung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls wenigstens zur Übertragung von geometrischen Daten des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts verbunden ist. Durch die Übertragung der dreidimensionalen geometrischen Daten des herzustellenden oder zu reparierenden Objektes, die zudem für die generative Herstellung oder Reparatur des Objektes benötigt werden, können die benötigten Einstrahlwinkel während der generativen Herstellung oder Reparatur des Objektes automatisch an die Steuervorrichtung übertragen werden. Zudem besteht die Möglichkeit, dass die so erzeugten Einstrahlwinkel manuell oder durch Hinzfügen von Korrekturfaktoren verändert werden. In a further advantageous embodiment of the device according to the invention, the device comprises at least one data storage device and / or a data processing device, wherein the data storage device and / or data processing device with the control device for adjusting and / or changing the angle of incidence of the high energy beam at least for the transmission of geometric data of the produced or connected to the repairing object. By transmitting the three-dimensional geometric data of the manufactured or to repairing object, which are also needed for the generative production or repair of the object, the required angle of incidence during the generative production or repair of the object can be automatically transferred to the control device. In addition, there is the possibility that the irradiation angles thus generated are changed manually or by adding correction factors.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Strahlungsquelle mindestens ein steuerbares und/oder regelbares optisches System zum Ablenken und/oder Fokussieren des erzeugten Hochenergiestrahls. Dadurch besteht unter anderem die Möglichkeit, den Einstrahlwinkel des Hochenergiestrahls in die Werkstoffschicht exakt einzustellen. Die Steuerung und Regelung des optischen Systems kann über die Steuervorrichtung erfolgen. In further advantageous embodiments of the device according to the invention, the radiation source comprises at least one controllable and / or controllable optical system for deflecting and / or focusing the generated high-energy beam. As a result, it is possible, inter alia, to set the angle of incidence of the high energy beam in the material layer exactly. The control and regulation of the optical system can be carried out via the control device.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese mindestens eine Verfahreinheit zum Verfahren der Strahlungsquelle innerhalb des Bauraums. Entsprechende Verfahreinheiten sind aus dem Stand der Technik bekannt und sollen daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben werden. Entscheidend ist jedoch, dass die Verfahreinheit gewährleistet, dass die Strahlungsquelle, insbesondere eine Lasereinrichtung, zumindest über den gesamten Bereich der Bauplattform bewegt werden kann. In a further advantageous embodiment of the device according to the invention, the latter comprises at least one traversing unit for moving the radiation source within the installation space. Corresponding movement units are known from the prior art and will therefore not be described in detail at this point. However, it is crucial that the positioning unit ensures that the radiation source, in particular a laser device, can be moved over at least the entire area of the construction platform.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines dreidimensionalen Objekts, wobei das erfindungsgemäße Verfahren zumindest folgende Schritte umfasst: a) Schichtweises Auftragen von mindestens einem Werkstoff auf mindestens eine innerhalb eines Bauraums angeordnete Bauplattform im Bereich einer Aufbau- und Fügezone; b) schichtweises und lokales Verschmelzen und/oder Versintern des Werkstoffs durch Zuführen von Energie mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls im Bereich der Aufbau- und Fügezone zum Ausbilden einer Schicht des Objekts, wobei eine den Hochenergiestrahl erzeugende Strahlungsquelle relativ zu der Baupattform zumindest innerhalb des Bauraums verfahrbar ist; c) schichtweises Absenken der Bauplattform um eine vordefinierte Schichtdicke: und d) Wiederholen der Schritte a) bis c) bis zur Fertigstellung des Objekts. Dabei ist während des schichtweisen und lokalen Verschmelzens und/oder Versinterns des Werkstoffs ein Einstrahlwinkel des Hochenergiestrahls in die Werkstoffschicht einstellbar und/oder veränderbar. Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit der Veränderung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls in die Werkstoffschicht während des Verschmelzens und/oder Versintern des Werkstoffs wird erreicht, dass der Hochenergiestrahl in das Objekt- beziehungsweise Bauteilvolumen und nicht in das umliegende Pulverbett des Werkstoffes eingeleitet wird. Damit werden Oberflächenrauigkeiten des Objektes in diesen Bereichen minimiert, eine Nachbehandlung der Oberflächen des Objektes ist nicht oder nur minimal notwendig. Dadurch ergibt sich eine deutliche Qualitätsverbesserung des herzustellenden oder zu reparierenden Objektes. Des Weiteren ergibt sich vorteilhafterweise die Möglichkeit, dass durch das Einstellen des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls die Schmelzbadgeometrie beeinflusst werden kann. Dadurch kann Einfluss auf die Textur des Werkstoffes des Objektes genommen werden. Beispielsweise können Rissbildungen beeinflusst und gegebenenfalls reduziert werden. Zudem kann durch die Einstellung und/oder Veränderung des Einstrahlwinkel des Hochenergiestrahls in die Werkstoffschicht der Strahlengang der Strahlungsquelle so orientiert werden, dass entstehende Prozessnebenprodukte, wie zum Beispiel Schmauch, Rauch, Auswürfe etc., geringeren oder keinen Einfluss auf den generativen Herstellungsprozess nehmen können. Auch dadurch ist eine deutliche Qualitätsverbesserung bezüglich des herzustellenden oder zu reparierenden Objektes gegeben. Schließlich können durch das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise Bauteil- beziehungsweise Objektgeometrien mit relativ kleinen Aufbauwinkeln erzeugt werden, ohne dass hierzu Stützen am Objekt notwendig sind. Üblicherweise beträgt hierbei ein Grenzwinkel gemäß dem Stand der Technik ca. 45°. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dieser Grenzwinkel bis mindestens 30° reduziert werden. Des Weiteren können durch die Einstellung und/oder Veränderung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls in die Werkstoffschicht während des schichtweisen lokalen Verschmelzens und/oder Versintern des Werkstoffs nicht nur die Oberflächengeometrie des herzustellenden oder zu reparierenden Objektes, sondern auch definierte Gefügerichtungen im Bauteil beziehungsweise Objekt erzeugt werden. Beispielsweise können richtungsabhängige Materialeigenschaften beziehungsweise Bauteil- und Objekteigenschaften definiert erzeugt werden. Derartiges ist durch eine Nachbehandlung von Bauteiloberflächen nach der Herstellung des Bauteils beziehungsweise Objektes gemäß dem Stand der Technik nicht möglich. A second aspect of the invention relates to a method for producing or repairing a three-dimensional object, wherein the method according to the invention comprises at least the following steps: a) layer-wise application of at least one material to at least one construction platform arranged within a construction space in the region of a build-up and joining zone; b) layer-by-layer and local melting and / or sintering of the material by supplying energy by means of at least one high-energy beam in the region of the assembly and joining zone for forming a layer of the object, wherein a radiation source generating the high-energy beam is movable relative to the construction platform at least within the construction space ; c) layer-by-layer lowering of the build platform by a predefined layer thickness: and d) repeating steps a) to c) until completion of the object. In this case, during the layered and local fusing and / or sintering of the material, an angle of incidence of the high energy beam into the material layer can be set and / or changed. Due to the inventive possibility of changing the angle of incidence of the high energy beam in the material layer during the melting and / or sintering of the material is achieved that the high energy beam is introduced into the object or component volume and not in the surrounding powder bed of the material. In order to minimize surface roughness of the object in these areas, a subsequent treatment of the surfaces of the object is not or only minimally necessary. This results in a significant improvement in the quality of the object to be manufactured or repaired. Furthermore, there is advantageously the possibility that the melting bath geometry can be influenced by adjusting the angle of incidence of the high-energy beam. This can influence the texture of the material of the object. For example, cracking can be influenced and possibly reduced. In addition, by setting and / or changing the angle of incidence of the high-energy beam in the material layer of the beam path of the radiation source can be oriented so that resulting process by-products, such as smoke, smoke, emissions, etc., may have less or no influence on the generative manufacturing process. This also provides a significant improvement in quality with regard to the object to be manufactured or repaired. Finally, by the method according to the invention advantageously component or object geometries can be generated with relatively small mounting angles, without the need for supports on the object. Usually, in this case, a critical angle according to the prior art is about 45 °. With the method according to the invention, this critical angle can be reduced to at least 30 °. Furthermore, by adjusting and / or changing the angle of incidence of the high-energy beam into the material layer during the layer-by-layer local melting and / or sintering of the material, not only the surface geometry of the object to be manufactured or repaired but also defined structural directions in the component or object can be generated. For example, direction-dependent material properties or component and object properties can be generated defined. Such is not possible by a post-treatment of component surfaces after the preparation of the component or object according to the prior art.
Bei dem im Vorhergehenden beschriebenen Bauraum handelt es sich üblicherweise um eine Prozesskammer zur Durchführung des generativen Herstellungs- oder Reparaturverfahrens. Bei dem herzustellenden oder zu reparierenden dreidimensionalen Objekt kann es sich um ein Bauteil oder einen Bauteilbereich eines Flugtriebwerks, insbesondere eines Verdichters oder einer Turbine handeln. Der verwendete Werkstoff kann pulverförmig, flüssig oder pastös ausgebildet sein und besteht üblicherweise aus Metall, einer Metalllegierung, Keramik oder Kunststoff oder einer Mischung daraus. Der Hochenergiestrahl kann ein Laser- oder Elektronenstrahl sein. Bei Verwendung eines Laserstrahls wird üblicherweise ein selektives Laserschmelz- oder Lasersinterverfahren durchgeführt. Unter Strahlungsquelle sind direkte und indirekte Strahlungsquellen zu verstehen. Indirekte Strahlungsquellen können beispielsweise verfahrbare optische Systeme umfassen, welche einen von einer direkten Strahlungsquelle erzeugten Hochenergiestrahl in Richtung der Werkstoffschicht ablenkten. The construction space described above is usually a process chamber for carrying out the additive manufacturing or repair process. The three-dimensional object to be produced or repaired may be a component or a component region of an aircraft engine, in particular a compressor or a turbine. The material used can be powdery, liquid or pasty and usually consists of metal, a metal alloy, ceramic or plastic or a mixture thereof. Of the High energy beam can be a laser or electron beam. When using a laser beam, a selective laser melting or laser sintering method is usually performed. Radiation source is to be understood as meaning direct and indirect radiation sources. Indirect radiation sources may comprise, for example, movable optical systems which deflect a high-energy beam generated by a direct radiation source in the direction of the material layer.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Einstrahlwinkel des Hochenergiestrahls in Abhängigkeit einer Oberflächengeometrie des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts innerhalb eines jeweiligen Aufbaubereichs des Objekts eingestellt und/oder verändert. Durch die Anpassung des Einstrahlwinkels des Hochenergiestrahls an die Oberflächengeometrie des herzustellenden oder zu reparierenden Objektes kann der Hochenergiestrahl wiederum vorteilhafterweise in das Objekt- beziehungsweise Bauteilvolumen und nicht in das umliegende Pulverbett des Werkstoffs geleitet werden. Dadurch werden wiederum Oberflächenrauigkeiten in diesen Bereichen minimiert, eine mögliche Nachbehandlung der Oberflächen ist nicht oder nur minimal notwendig. Zudem besteht die Möglichkeit, dass der Einstrahlwinkel derart eingestellt wird, dass er einem Bauteilwinkel einer Fläche des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts in dem jeweiligen Aufbaubereich des Objekts mit einer maximalen Winkelabweichung von ±10 Prozent entspricht. Auch hierdurch ist eine sichere Einleitung des Hochenergiestrahls in das Bauteil- beziehungsweise Objektvolumen gewährleistet. Zudem kann es sich bei der genannten Fläche um eine Überhangfläche des Objektes handeln, so dass der Hochenergiestrahl in Abhängigkeit eines Überhangwinkels dieser Überhangfläche des Objektes durch die Ausrichtung des Hochleistungslasers in Richtung des Überhangs ausgerichtet wird. In further advantageous embodiments of the method according to the invention, the angle of incidence of the high-energy beam is set and / or changed in dependence on a surface geometry of the object to be manufactured or repaired within a respective build-up area of the object. By adapting the angle of incidence of the high-energy beam to the surface geometry of the object to be manufactured or repaired, the high-energy beam can in turn advantageously be directed into the object or component volume and not into the surrounding powder bed of the material. This in turn minimizes surface roughness in these areas, a possible aftertreatment of the surfaces is not or only minimally necessary. In addition, there is the possibility that the angle of incidence is adjusted so that it corresponds to a component angle of an area of the object to be manufactured or repaired in the respective construction area of the object with a maximum angular deviation of ± 10 percent. This also ensures a safe introduction of the high-energy beam into the component or object volume. In addition, the said surface may be an overhang surface of the object, so that the high-energy beam is oriented in the direction of the overhang in dependence on an overhang angle of this overhang surface of the object by the orientation of the high-power laser.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Einstrahlwinkel mittels von in mindestens einer Datenspeichervorrichtung und/oder Datenverarbeitungseinrichtung gespeicherten geometrischen Daten des herzustellenden oder zu reparierenden Objekts ermittelt. Dadurch ist eine automatische und exakte Einstellung des Einstrahlwinkels möglich. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass der Einstrahlwinkel manuell oder anhand von Korrekturfaktoren verändert wird. In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the angle of incidence is determined by means of geometrical data of the object to be produced or to be repaired stored in at least one data storage device and / or data processing device. As a result, an automatic and accurate adjustment of the angle of incidence is possible. However, there is also the possibility that the angle of incidence is changed manually or by means of correction factors.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Hochenergiestrahl über mindestens ein steuerbares und/oder regelbares optisches System der Strahlungsquelle abgelenkt und/oder fokussiert. Damit ist eine exakte Ausrichtung des Hochenergiestrahls in Richtung der Werkstoffschicht möglich. In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the high-energy beam is deflected and / or focused via at least one controllable and / or controllable optical system of the radiation source. For an exact alignment of the high energy beam in the direction of the material layer is possible.
Die sich aus der Verwendung der Vorrichtung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ergebenden Merkmale und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind. The features and advantages resulting from the use of the device according to the first aspect of the invention can be taken from the descriptions of the first aspect of the invention, advantageous embodiments of the first aspect of the invention being regarded as advantageous embodiments of the second aspect of the invention and vice versa.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil für eine Turbine oder einen Verdichter, wobei dieses Bauteil mittels einer Vorrichtung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt und/oder durch ein Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung erhältlich und/oder hergestellt ist. Die sich aus der Vorrichtung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt und dem Verfahren gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt ergebenden Merkmale und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und zweiten Erfindungsaspektes zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und/oder zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind. A third aspect of the invention relates to a component for a turbine or a compressor, which component is obtainable and / or produced by means of a device according to the first aspect of the invention and / or by a method according to the second aspect of the invention. The features and advantages resulting from the device according to the first aspect of the invention and the method according to the second aspect of the invention can be taken from the descriptions of the first and second aspects of the invention, with advantageous embodiments of the first and / or second aspect of the invention to be considered as advantageous embodiments of the third aspect of the invention and vice versa are.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, dem Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in dem Ausführungsbeispiel genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Further features of the invention will become apparent from the claims, the embodiment and the drawings. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the exemplary embodiment can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations without departing from the scope of the invention.
Dabei zeigt It shows
Des Weiteren erkennt man, dass die Steuervorrichtung
Bei dem dargestellten Objekt
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Vorrichtung contraption
- 2 2
- Lasereinrichtung laser device
- 3 3
- Laserstrahl laser beam
- 10 10
- Vorrichtung contraption
- 12 12
- Bauraum space
- 14 14
- Bauplattform building platform
- 16 16
- Werkstoff material
- 18 18
- Strahlungsquelle radiation source
- 20 20
- Hochenergiestrahl High energy beam
- 22 22
- Werkstoffschicht Material layer
- 24 24
- Steuervorrichtung control device
- 26 26
- Verfahreinheit traversing
- 28 28
- Aufbau- und Fügezone Assembly and joining zone
- 30 30
- Aufbaubereich construction area
- 32 32
- Aufbaubereich construction area
- 34 34
- Aufbaubereich construction area
- 36 36
- Objekt object
- 38 38
- Datenspeichervorrichtung, Datenverarbeitungseinrichtung Data storage device, data processing device
- 40 40
- Fläche area
- 42 42
- Fläche area
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 02/36331 A1 [0004] WO 02/36331 A1 [0004]
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R016 | Response to examination communication | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |