DE102016213420A1 - Method and device for the generative production of a component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum generativen Herstellen eines Bauteils (1), bei dem ein von einer Strahlungsquelle (10) erzeugter Strahl (2) auf ein das Bauteil (1) ausbildendes Material (5) gerichtet und das Material (5) selektiv aufgeschmolzen wird, worauf das aufgeschmolzene Material (5) nach dem Aufschmelzen unter Bildung des Bauteils (1) erstarrt. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Strahl (2) durch ein im Strahlengang angeordnetes Strahlformungselement (20) geleitet wird.The invention relates to a method for the generative production of a component (1), in which a beam (2) generated by a radiation source (10) is directed onto a material (5) forming the component (1) and the material (5) is selectively melted , whereupon the molten material (5) solidifies after melting to form the component (1). According to the invention, it is provided that the beam (2) is passed through a beam-shaping element (20) arranged in the beam path.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum generativen Herstellen eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention relates to a method for the generative production of a component according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a device for carrying out the method according to the invention.
Aus der
Das selektive Aufschmelzen des Materials macht es erforderlich, dass in dem Bereich des herzustellenden Bauteils das Material an jedem gewünschten räumlichen Punkt aufgeschmolzen werden kann. Hierzu ist es erforderlich, beispielsweise eine Relativbewegung zwischen dem Strahl und dem aufzuschmelzenden Material oder umgekehrt vorzusehen. Üblicherweise weist der Strahl im Fokuspunkt einen runden Querschnitt auf. Ferner erfolgt das Aufschmelzen des Materials jeweils nur in einem einzigen räumlichen Punkt bzw. Bereich und der Laserstrahl weist während des Verfahrens stets dieselbe Form bzw. denselben Querschnitt im Fokuspunkt auf.The selective melting of the material requires that in the region of the component to be produced the material can be melted at any desired spatial point. For this purpose, it is necessary, for example, to provide a relative movement between the jet and the material to be melted or vice versa. Usually, the beam has a round cross section in the focal point. Furthermore, the melting of the material takes place only in a single spatial point or region and the laser beam always has the same shape or the same cross section in the focal point during the process.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum generativen Herstellen eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass ein effektiveres Herstellen des Bauteils ermöglicht wird, und dass gleichzeitig oder alternativ das Bauteil verbesserte Eigenschaften aufweist. Unter einem effektiveren Herstellen wird im Rahmen der Erfindung insbesondere die Erhöhung der Aufbaurate von Material des Bauteils und somit eine schnellere Fertigung des Bauteils verstanden. Unter verbesserten Eigenschaften eines nach einem Verfahren hergestellten Bauteils werden beispielhaft, und nicht einschränkend, die Reduzierung von Eigenspannungen und Verzügen in dem erzeugten Bauteil, eine Reduzierung der Oberflächenrauhigkeiten, eine Reduzierung von Mikrodefekten (Poren, Heißrissen, Spannungsrissen), eine Verbesserung der Mikrostruktur und der Bauteileigenschaften (Steifigkeit, Festigkeit, usw.) sowie eine Verbesserung bzw. Erweiterung der zu bearbeitenden Werkstoffe (z.B. bei schlecht schweißbaren Werkstoffen) verstanden.Based on the illustrated prior art, the invention has the object, a method for the generative production of a component according to the preamble of claim 1 such that a more effective production of the component is made possible, and that at the same time or alternatively the component has improved properties. In the context of the invention, a more effective production means in particular the increase in the build-up rate of material of the component and thus a faster production of the component. Among improved properties of a device produced by a process are exemplary, and not limiting, the reduction of residual stresses and distortions in the produced component, a reduction of surface roughness, a reduction of micro-defects (pores, hot cracks, stress cracks), an improvement of the microstructure and the Component properties (stiffness, strength, etc.) as well as an improvement or expansion of the materials to be machined (eg poorly weldable materials) understood.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum generativen Herstellen eines Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved in a method for the generative production of a component having the features of claim 1.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Strahl durch ein im Strahlengang angeordnetes Strahlformungselement zu leiten. Unter einem Strahlformungselement wird im Rahmen der Erfindung beispielhaft, und nicht einschränkend, ein LCOS(Liquid Crystal on Silicon)-SLM-Element, ein adaptiver Spiegel ein Mikrospiegel-Array verstanden. Ein Spatial Light Modulator (SLM) ist ein räumlicher Modulator für elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, der einem Strahl eine räumliche Modulation, insbesondere Intensitätsmodulation, aufprägt. Wesentlich für das Strahlformungselement ist es somit, dass dieses eine Leistungsdichteverteilung in einer Bearbeitungsebene des Strahls ermöglicht. Die Bearbeitungsebene ist hierbei eine Ebene, die den Strahl schneidet. Vorzugsweise ist die Bearbeitungsebene dabei im Wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Strahls angeordnet. Die Bearbeitungsebene zeichnet sich ferner dadurch aus, dass in der Bearbeitungsebene das Aufschmelzen des Materials zur Herstellung des Bauteils erfolgt. Die Leistungsdichte bezeichnet hierbei die Leistung des Strahls bezogen auf eine Flächeneinheit, während die Leistungsdichteverteilung die in einer Fläche, insbesondere der Bearbeitungsebene, vorliegende, ortsabhängige Leistungsdichte bezeichnet. Bei Verwendung eines SLM(Spatial Light Modulator)-Elements wird beispielhaft der Vorteil erzielt, dass der Strahl durch das SLM-Element beispielsweise in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt werden kann. Darüber hinaus ermöglicht es ein SLM-Element, den Strahl insofern zu formen, als dass eine definierte Verteilung der Strahlintensität des Strahls im Raum ermöglicht wird. Der Einsatz eines derartigen SLM-Elements ermöglicht es damit aufgrund seiner Eigenschaften zur Beeinflussung des Strahls grundsätzlich, die oben genannten Vorteile einzeln oder in Kombination zu erfüllen. The invention is based on the idea of guiding the beam through a beam-shaping element arranged in the beam path. In the context of the invention, a beam-shaping element is understood by way of example and not by limitation to mean a LCOS (Liquid Crystal on Silicon) SLM element, an adaptive mirror a micromirror array. A Spatial Light Modulator (SLM) is a spatial modulator for electromagnetic radiation, in particular light, which imposes a spatial modulation, in particular intensity modulation, on a beam. It is thus essential for the beam-shaping element that this enables a power density distribution in a working plane of the beam. The working plane here is a plane that intersects the beam. Preferably, the working plane is arranged substantially perpendicular to the propagation direction of the beam. The working plane is further distinguished by the fact that in the working plane, the melting of the material for the production of the component takes place. In this case, the power density denotes the power of the beam with respect to a surface unit, while the power density distribution designates the location-dependent power density present in one surface, in particular the working plane. When using an SLM (Spatial Light Modulator) element, the advantage is achieved, for example, that the beam can be divided by the SLM element, for example, into a plurality of partial beams. In addition, an SLM element makes it possible to shape the beam so that a defined distribution of the beam intensity of the beam in the space is made possible. The use of such an SLM element thus makes it fundamentally possible, on account of its properties for influencing the jet, to fulfill the abovementioned advantages individually or in combination.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum generativen Herstellen eines Bauteils sind in den Unteransprüchen aufgeführt. Advantageous developments of the method according to the invention for the generative production of a component are listed in the subclaims.
Bei der Verwendung eines Strahlformungselements, das den Strahl in mehrere Teilstrahlen aufteilt und/oder den Strahl in seiner Querschnittsform verändert, ist es bevorzugt vorgesehen, dass wenigstens ein im Querschnitt im Fokus linienförmiger Strahl erzeugt wird. Ein derartiges Verfahren hat insbesondere den Vorteil, dass die Aufbaurate erhöht und damit die zur Fertigung des Bauteils benötigte Zeit reduziert werden kann. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Strahl aufgeteilt und dadurch eine Parallelisierung ermöglicht wird, bei der eine großflächige Bearbeitung des aufzuschmelzenden Materials durch die Teilstrahlen erzielbar ist.When using a beam-shaping element which divides the beam into a plurality of partial beams and / or alters the beam in its cross-sectional shape, it is preferably provided that at least one beam, which is linear in cross-section, is generated. Such a method has the particular advantage that the build-up rate is increased and thus the time required for the production of the component can be reduced. This is achieved, in particular, by dividing the beam and thereby enabling parallelization, in which large-area processing of the material to be melted by the partial beams can be achieved.
Durch die flexible Strahlformung kann die Position der Einzel- bzw. Teilstrahlen zueinander an die zu belichtende Geometrie angepasst werden. Dadurch kann die Parallelisierung effektiver genutzt werden. Insbesondere durch die Verwendung von linienförmigen Strahlformen kann eine wesentliche Steigerung der Aufbaurate erreicht werden. Ein großer Vorteil derartiger linienförmiger Strahlformen liegt in der Erhöhung der Aufbaurate ohne Erhöhung der Schichtdicke, da in einer bestimmten Ebene ein größerer Bereich von Material gleichzeitig aufgeschmolzen werden kann. Die Verwendung von linienförmigen Strahlformen hat jedoch den Nachteil, dass die Scannrichtung nicht mehr unabhängig von der Strahlform ist. Dies kann jedoch durch die flexible und dynamische Strahlform ausgeglichen werden. Weiterhin kann die Breite der linienförmigen Strahlform an die Geometrie des zu erzeugenden Bauteils angepasst werden.Due to the flexible beam shaping, the position of the individual or partial beams can be adapted to one another to the geometry to be exposed. This allows the parallelization to be used more effectively. In particular, by the use of linear beam shapes, a substantial increase in the build-up rate can be achieved. A major advantage of such line-shaped beam shapes lies in the increase in the build-up rate without increasing the layer thickness, since in a certain level, a larger area of material can be melted simultaneously. However, the use of linear beam forms has the disadvantage that the scanning direction is no longer independent of the beam shape. However, this can be compensated by the flexible and dynamic beam shape. Furthermore, the width of the linear beam shape can be adapted to the geometry of the component to be produced.
In alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass der das Bauteil umgebende Bereich des Materials zumindest bereichsweise von dem Strahl auf eine Temperatur unterhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt wird. Ein derartiges Verfahren führt zu einer Reduzierung von Eigenspannungen und Verzügen und zur Steigerung der Steifigkeit und Festigkeit in dem herzustellenden Bauteil. Dies lässt sich dadurch erklären, dass durch eine Reduzierung von Temperaturgradienten Eigenspannungen und Verzüge reduziert werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass der Strahl zur gezielten Einstellung eines Temperaturfeldes eingesetzt wird. Zum Beispiel kann durch großflächige Bestrahlung vor oder hinter dem eigentlichen Schmelzbad eine Vor- bzw. Nacherwärmung erreicht werden. Desweiteren kann durch den gezielten Einsatz von mehreren Teilstrahlen das Temperaturfeld eingestellt werden. Auch können sowohl Heiß- als auch Spannungsrisse (Kaltrisse) durch die Einstellung des Temperaturfelds bzw. des Temperaturgradienten und damit der Abkühlgeschwindigkeit reduziert oder vermieden werden. In an alternative or additional embodiment, provision may be made for the area of the material surrounding the component to be heated at least in regions by the jet to a temperature below its melting temperature. Such a method leads to a reduction of residual stresses and distortion and to increase the rigidity and strength in the component to be produced. This can be explained by the fact that residual stress and distortion can be reduced by reducing temperature gradients. This is achieved by using the beam for the targeted setting of a temperature field. For example, pre-heating or post-heating can be achieved by large-area irradiation in front of or behind the actual molten bath. Furthermore, the temperature field can be adjusted by the targeted use of several partial beams. Also, both hot and stress cracks (cold cracks) can be reduced or avoided by adjusting the temperature field or the temperature gradient and thus the cooling rate.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Material in dem Bereich, der zur Ausbildung des Bauteils dient, stetig, d.h. ohne Relativbewegung zwischen dem Strahl und dem Material bestrahlt wird. Ein derartiges Verfahren hat insbesondere den Vorteil einer Reduzierung der Oberflächenrauhigkeit in dem hergestellten Bauteil. Dies rührt daher, dass die Oberflächenrauhigkeit von der Bewegung des Schmelzbades beeinflusst wird. Nun bietet die flexible Strahlformung mittels des Strahlformungselements die Möglichkeit, die gesamte Kontur des herzustellenden Bauteils oder Teile davon gleichzeitig zu belichten, ohne den Strahl relativ zum Material zu bewegen. Dies führt zu einer Reduzierung der Rauheit an dem Bauteil. A further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the material in the region which serves to form the component, steadily, i. is irradiated without relative movement between the beam and the material. Such a method has the particular advantage of reducing the surface roughness in the manufactured component. This is because the surface roughness is affected by the movement of the molten bath. Now, the flexible beam shaping by means of the beam-shaping element offers the possibility of simultaneously exposing the entire contour of the component to be produced or parts thereof, without moving the beam relative to the material. This leads to a reduction in the roughness of the component.
Auch kann es vorgesehen sein, dass durch das Verfahren ein mehrfaches Umschmelzen des Materials erfolgt. Auch dadurch lässt sich die Oberflächenrauhigkeit an dem hergestellten Bauteil reduzieren. Insbesondere wird durch mehrfaches Umschmelzen der gleichen Schicht des Materials die Oberfläche signifikant verbessert. Dies wird durch die flexible Strahlteilung erreicht, bei dem zwei oder mehr Strahlen hintereinander herfahren, wobei je nach Scanrichtung die zwei Strahlen zueinander ausgerichtet sind. Auch ermöglicht es eine derartige Doppelbelichtung bzw. eine mehrfaches Umschmelzen, eine Reduzierung von Mikrodefekten wie Poren, Heißrissen, Spannungsrissen usw. an dem Bauteil zu realisieren. Hierzu ist anzumerken, dass die Entstehung von Poren bei der Erzeugung des Bauteils in einem direkten Zusammenhang zur Oberflächenqualität der Einzelschichten steht. Durch die angesprochene Doppelbelichtung bzw. das mehrfache Umschmelzen des Materials kann die Dichtheit des Bauteils signifikant gesteigert werden und somit die Tendenz zur Porenbildung reduziert werden.It can also be provided that a multiple remelting of the material takes place by the method. This also makes it possible to reduce the surface roughness of the manufactured component. In particular, the surface is significantly improved by multiple remelting of the same layer of the material. This is achieved by the flexible beam splitting, in which two or more beams travel one behind the other, wherein, depending on the scanning direction, the two beams are aligned with each other. Such a double exposure or a multiple remelting also makes it possible to realize a reduction of microdefects such as pores, hot cracks, stress cracks etc. on the component. It should be noted that the formation of pores in the production of the component is directly related to the surface quality of the individual layers. By the mentioned double exposure or the multiple remelting of the material, the tightness of the component can be significantly increased and thus the tendency to pore formation can be reduced.
In Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags beim mehrfachen Umschmelzen wird vorgeschlagen, dass das mehrfache Umschmelzen durch wenigstens zwei Teilstrahlen erfolgt, die in einem räumlichen Abstand zueinander angeordnet sind, und die relativ zum Material bewegt werden.In a further development of the proposal made last in the case of multiple remelting, it is proposed that the multiple remelting be effected by at least two partial beams which are arranged at a spatial distance from one another and which are moved relative to the material.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der Strahl so ausgebildet wird, dass die Temperatur des Materials in einer in Richtung des Strahls verlaufenden Richtung unterschiedlich ist, derart, dass das Material auf der Seite, auf der der Strahl zuerst auf das Material auftrifft, am geringsten ist. Ein derartiges Verfahren ermöglicht insbesondere eine Verbesserung der Mikrostruktur und der Bauteileigenschaften dadurch, dass neben dem lokalen Temperaturfeld auch das globale Temperaturfeld das Gefüge beeinflusst. Insbesondere ermöglicht es das vorgeschlagene Verfahren, das Kristallwachstum am Bauteil in der gewünschten Richtung von unten nach oben auszurichten. A further advantageous embodiment of the method provides that the beam is formed so that the temperature of the material in a direction extending in the direction of the beam is different, such that the material on the side on which the beam first impinges on the material , is lowest. Such a method makes it possible, in particular, to improve the microstructure and the component properties by virtue of the fact that, in addition to the local temperature field, the global temperature field affects the microstructure. In particular, the proposed method makes it possible to align the crystal growth on the component in the desired direction from the bottom up.
Zuletzt schlägt ein weiteres bevorzugtes Verfahren vor, dass die Querschnittform des Strahls während der Bestrahlung des Materials verändert wird, wodurch die Bearbeitung optimal an die Bauteilgeometrie angepasste werden kann.Finally, another preferred method proposes that the cross-sectional shape of the beam be changed during the irradiation of the material, whereby the processing can be optimally adapted to the component geometry.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine Vorrichtung zum Durchführen des soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Strahlungsquelle als Laserstrahlquelle ausgebildet ist und ein im Strahlengang des Laserstrahls angeordnetes SLM-Element vorgesehen ist.The invention further comprises an apparatus for carrying out the method according to the invention described so far, wherein the radiation source is designed as a laser beam source and an arranged in the beam path of the laser beam SLM element is provided.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing.
Diese zeigt in:This shows in:
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.The same elements or elements with the same function are provided in the figures with the same reference numerals.
In der
Das Bauteil
Wesentlich ist darüber hinaus, dass zum Aufschmelzen des Materials
Das Erzeugen bzw. Herstellen des Bauteils
In der
In der
Zuletzt ist in der
Das soweit beschriebene Verfahren kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.The method described so far can be varied or modified in many ways, without departing from the spirit of the invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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