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Title:
ADDITIVE MANUFACTURING METHOD WITH SELECTIVE IRRADIATION AND SIMULTANEOUS APPLICATION AND THERMAL TREATMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/020508
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an additive manufacturing method for components (10) to be used in the hot gas path of turbomachines. The method comprises selectively irradiating a base material (P) for the component (10) with a laser or electron beam (BI) at the same time as (i) applying new base material (P) for constructing the component (10), and (ii) a thermal treating , for example by induction heating (120), an already irradiated material (S) for the component (10), wherein the selective irradiation and the thermal treatment are calibrated such that a structure (S) for the component (10) solidifies in a directional manner. The invention also relates to a correspondingly manufactured component and to a corresponding device.

Inventors:
BURBAUM BERND (DE)
Application Number:
EP2019/062836
Publication Date:
January 30, 2020
Filing Date:
May 17, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
B33Y10/00; B22F3/105; B22F5/00; B22F5/04; B23K15/00; B23K26/342; B33Y30/00; C30B11/00; C30B13/08; C30B29/52; F01D5/14
Foreign References:
DE102009051479A12011-05-05
EP2886226A22015-06-24
EP3132885A12017-02-22
DE102010041284A12012-03-29
EP2601006A12013-06-12
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Claims:
Patentansprüche

1. Additives Herstellungsverfahren für im Heißgaspfad von Strömungsmaschinen anzuwendende Bauteile (10), umfassend das selektive Bestrahlen (a) ) eines Basismaterials (P) für das Bauteil (10) mit einem Laser- oder Elektronenstrahl (Bl) zeitgleich mit:

- (i) dem Aufträgen neuen Basismaterials (P) für den Aufbau des Bauteils (10), und

- (ii) einer Wärmebehandlung, beispielsweise durch eine In duktionsheizung (120), eines bereits bestrahlten Materials (S) für das Bauteil (10), wobei das selektive Bestrahlen und die Wärmebehandlung derart abgestimmt sind, dass eine Struktur (S) für das Bauteil (10) gerichtet erstarrt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei eine Bauplattform (130), auf welcher die Struktur (S) für das Bauteil (10) auf gebaut wird, während des selektiven Bestrahlens und während der Wärmebehandlung sukzessive abgesenkt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Aufträgen neuen Basismaterials (P) mittels einer Auftragvorrichtung (110) von oben auf eine Herstellungsfläche (HF) und mittels einer Rotationsbewegung ( ) erfolgt.

4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei im Rahmen der Wärmebehandlung unterhalb einer Herstel lungsfläche (HF) ein Temperaturgradient ausgebildet wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wird nahe der Herstellungs fläche (HF) eine höhere Temperatur eingestellt und - mit zu nehmendem Abstand von dieser - eine, beispielsweise graduell und/oder monoton fallende Temperatur.

6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die Struktur (S) für das Bauteil (10) epitaktisch aufge baut wird.

7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei Basismaterial (P) vor dem selektiven Bestrahlen mit einem Laser- oder Elektronenstrahl (B2) vorgewärmt wird (iii) .

8. Bauteil (10) herstellbar oder hergestellt durch das Ver fahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine gerichtet erstarrte und/oder einkristalline Kristallstruktur (S) mit Schweißspuren, welche ein zumindest weitgehend epitaktisches Kristallwachstum einzelner Schichten (Sl, S2) zeigen.

9. Vorrichtung (100) für die additive Herstellung eines Bauteils (10) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend:

- eine Auftragvorrichtung (110) zum Aufträgen von Basismate rial (P) auf eine Herstellungsfläche (HF) ,

- eine induktive Heizeinrichtung (120) zum Zonenschmelzen bzw. Ausbilden eines Temperaturgradienten unterhalb der Herstellungsfläche (HF) und

- eine absenkbare Bauplattform (130), wobei die Vorrichtung (100) weiterhin Temperatursensoren (140) entlang einer Auf baurichtung (z) aufweist, und wobei die Bauplattform (130) und die Auftragvorrichtung (110) weiterhin relativ zueinan der beweglich, insbesondere rotierbar, eingerichtet sind.

10. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 9, welche eine erste Bestrahlungseinrichtung (LSI), insbesondere ein erstes Laser- Scansystem, zum Schmelzen des Basismaterials aufweist und ei ne zweite Bestrahlungseinrichtung (LS2), insbesondere ein zweites Laser-Scansystem, zum Vorwärmen des Basismaterials (P) ·

11. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die Bauplattform (130) eingerichtet ist, einen Kristallisations keim für die Struktur (S) zu bilden.

Description:
Beschreibung

Additives Herstellungsverfahren mit selektivem Bestrahlen und gleichzeitigem Aufträgen sowie Wärmebehandlung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein additives Herstel lungsverfahren insbesondere für im Heißgaspfad von Strömungs maschinen wie Gasturbinen anzuwendende Bauteile.

Die genannten Bauteile sind vorzugsweise aus einer Superle gierung hergestellt, insbesondere aus einer nickel- oder ko- baltbasierten Superlegierung. Die Legierung kann ausschei dungsgehärtet oder ausscheidungshärtbar sein.

Durch das vorgestellte Verfahren soll insbesondere ein epi taktischer Materialaufbau und/oder eine gerichtet erstarrte Materialstruktur für das Bauteil, beispielsweise in stängel kristalliner oder einkristalliner Form, erreicht werden.

In Gasturbinen wird thermische Energie und/oder Strömungs energie eines durch Verbrennung eines Brennstoffs, z.B. eines Gases, erzeugten Heißgases in kinetische Energie (Rotationse nergie) eines Welle Rotors umgewandelt. Dazu ist in der Gas turbine ein Strömungskanal ausgebildet, in dessen axialer Richtung der Rotor bzw. eine Welle gelagert ist.

Zweckmäßigerweise ragen die Turbinenschaufeln in den Strö mungskanal hinein. Wird der Strömungskanal von einem Heißgas durchströmt, werden die Laufschaufeln mit einer Kraft beauf schlagt, die in ein auf die Welle wirkendes Drehmoment umge wandelt wird, das den Turbinenrotor antreibt, wobei die Rota tionsenergie z.B. zum Betrieb eines Generators genutzt werden kann .

Moderne Gasturbinen sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um ihre Effizienz zu steigern. Dies führt allerdings unter ande rem zu immer höheren Temperaturen im Heißgaspfad. Die metal lischen Materialien für Laufschaufeln, insbesondere in den ersten Stufen, werden ständig hinsichtlich ihrer Festigkeit bei hohen Temperaturen (Kriechbelastung, thermomechanische Ermüdung) verbessert.

Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund ihres für die Industrie disruptiven Potenzials zunehmend interes sant auch für die Serienherstellung der oben genannten Turbi nenkomponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten. Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laser schmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS) , oder das Elektronen strahlschmelzen (EBM) .

Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielswei se bekannt aus EP 2 601 006 Bl.

Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additive manufac- turing") haben sich weiterhin als besonders vorteilhaft für komplexe oder kompliziert oder filigran designte Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Pro zessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Ferti gungsschritt eines Bauteils auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter er folgen kann.

Häufig stehen jedoch die Material- oder Struktureigenschaften additiv hergestellter Bauteile oder Bauteilabschnitte denje nigen von konventionell gefertigten Komponenten oder Struktu ren nach. Gründe hierfür sind häufig die großen an den addi tiven „Schweißprozessen" beteiligten Temperaturgradienten, welche die Strukturen anfällig für Heiß- oder Erstarrungsris se machen. Verfahrenstechnisch ist es bisher weiterhin noch nicht möglich, einkristalline, stängelkristalline oder ge richtet erstarrte Strukturen additiv aufzubauen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, mit welchen die gerichtete, dendritische oder epi- taktische Erstarrung von Material im Wege der additiven Fer tigung ermöglicht wird. Neben den bekannten Vorteilen der ad ditiven Technologie in Bezug auf die Designfreiheitsgrade, soll das beschriebene Verfahren die Bauteile auch hinsicht lich ihrer Struktur verbessern und/oder eine Nachbearbeitung vereinfachen oder ganz entbehrlich machen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Pa tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Ge genstand der abhängigen Patentansprüche.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein additives Herstellungsverfahren für, beispielsweise im Heißgaspfad von Strömungsmaschinen wie Gasturbinen, anzuwendende Bauteile.

Dabei soll das beschriebene Verfahren nicht auf die additive Herstellung von Komponenten für Strömungsmaschinen beschränkt sein. Das vorgestellte Verfahren soll vielmehr lediglich durch seine Eignung für die Herstellung der genannten Bautei le eingeschränkt sein, wobei es sich für benachbarte Techno logiefelder wie beispielsweise den Automobil- oder Luftfahrt sektor oder Maschinenherstellung im Allgemeinen, selbstver ständlich ebenfalls eignen kann.

Das Verfahren umfasst das selektive Bestrahlen eines Basisma terials für das Bauteil mit einem Laser- oder Elektronen strahl. Vorzugsweise erfolgt das selektive Bestrahlen mit ei nem Laserstrahl derart, dass ein zuvor aufgetragenes Basisma terial, beispielweise Pulver, auf einer Herstellungsfläche oder diese bildend, selektiv mit einem Laserstrahl exponiert wird .

Die Herstellungsfläche kann demnach durch das Basismaterial, durch eine Bauplattform als Substrat und/oder durch eine be reits verfestigte oder aufgebaute Struktur gebildet sein.

Zeitgleich mit dem selektiven Bestrahlen umfasst das Verfah ren das Aufträgen eines Basismaterials, insbesondere neuen, also zuvor noch nicht aufgetragenen Basismaterials, für den Aufbau des Bauteils und eine Wärmebehandlung, beispielsweise durch eine Induktionsheizung, beispielsweise eines zuvor be reits bestrahlten Materials für das Bauteil oder eines Teils des Bauteils bzw. seiner Struktur.

Das selektive Bestrahlen und die Wärmebehandlung sind gemäß dem Verfahren derart abgestimmt, dass eine Struktur für das Bauteil gerichtet erstarrt oder verfestigt wird, vorzugsweise durch epitaktisches Wachstum beziehungsweise epitaktischen Aufbau. Die genannte Wärmebehandlung kann beispielsweise eine Wärmenachbehandlung sein.

Der Ausdruck „zeitgleich" soll vorliegend bedeuten, dass die in diesem Zusammenhang beschriebenen Verfahrensschritte den additiven Aufbau der Struktur als Ganzes betreffen und vor zugsweise nicht einzelner Schichten. Genau genommen findet das Aufträgen neuen Basismaterials und das selektive Bestrah len genau dieser (neu aufgetragenen) „Materialdosis" nicht gleichzeitig statt. Vielmehr wird durch das Verfahren ein kontinuierlicher Prozess beschrieben, wobei Material für die aufzubauende Struktur bzw. das Bauteil jedoch beispielsweise in unterschiedlichen Bereichen der Herstellungsfläche bzw. des Bauteils gleichzeitig bearbeitet, also aufgetragen wird und in einem anderen Teil beispielsweise selektiv bestrahlt wird. Ein weiterer Teil, beispielsweise eine bereits verfes tigte Struktur des Bauteils kann weiterhin gleichzeitig mit Wärme behandelt werden.

Der Ausdruck „abgestimmt" soll beispielsweise bedeuten, dass eine Wärmebehandlung sowie eine entsprechende Wahl einer Vielzahl von Parametern vorzugsweise derart gewählt ist, dass eine entsprechende epitaktische oder gerichtete Erstarrung erfolgt. Die genannte Abstimmung kann beispielsweise auf räumliche Ausgestaltung einer Heizeinrichtung (Induktionshei zung) und deren Betrieb betreffen. Durch das beschriebene Verfahren kann auf einer Seite für die genannten Bauteile ein generatives Herstellungsverfahren ge wählt werden, welches den generativen Aufbau besonders kom plexer Geometrieen ermöglicht.

Auf der anderen Seite können durch das beschriebene Verfahren die strukturellen Nachteile, welche üblicherweise mit der ad ditiven Fertigung einhergehen, vermieden werden. Insbesondere kann sogar eine besonders vorteilhafte feine, dendritische Mikrostruktur erreicht werden, welche aufgrund der den addi tiven Prozessen inhärenten großen Temperaturgradienten ausge bildet wird. Weiterhin kann mit Vorteil ein im Vergleich zu bekannten additiven Prozessen homogeneres Gefüge mit insbe sondere kleineren interdendritischen Bereichen, erzielt wer den. Demgemäß kann unter Umständen auf eine nachträgliche Wärmebehandlung, beispielsweise ein außerhalb der Vorrichtung oder Anlage stattfindendes Lösungsglühen oder spannungsrela- xierendes Erwärmen verzichtet oder diese Behandlungen zumin dest eingeschränkt werden.

In einer Ausgestaltung wird eine Bauplattform, auf welcher die Struktur für das Bauteil aufgebaut wird, während des se lektiven Bestrahlens und während der Wärmebehandlung sukzes sive abgesenkt, d.h. insbesondere beispielsweise zu weiteren Anlagenkomponenten einer entsprechenden additiven Herstel lungsanlage. Die oben genannte Herstellungsfläche verbleibt dabei vorzugsweise auf gleicher vertikaler Position (z- Richtung) . Dies wird vorzugsweise dadurch ermöglicht, dass die Bauplattform nur um ein geringes, beispielsweise seiner Schichtdicke einer aufgetragenen und/oder verfestigten Bau teilschicht entsprechendes Maß, abgesenkt wird.

In einer Ausgestaltung erfolgt das Aufträgen neuen Basismate rials mit einer Auftragvorrichtung von oben auf die Herstel lungsfläche. Diese Ausgestaltung ermöglicht insbesondere eine kohärente und/oder kontinuierliche Durchführung des Verfah rens, wobei beispielsweise die Verfahrensschritte des selek tiven Bestrahlens, des Auftragens und der Wärmebehandlung zu- mindest teilweise gleichzeitig und ohne unnötige Ausfallzei ten durchgeführt werden können.

In einer Ausgestaltung erfolgt das Aufträgen neuen Basismate rials mit der Auftragvorrichtung mittels oder über eine Rota tionsbewegung der Auftragvorrichtung. Diese Ausgestaltung ist bevorzugt. Dabei kann entweder die Auftragvorrichtung bei spielsweise relativ zu weiteren Anlagenteilen rotiert werden.

Alternativ können diejenigen Anlagenteile, welche die Her stellungsfläche umfassen oder definieren relativ zu der Auf tragvorrichtung rotiert bzw. gedreht werden. Die Ausgestal tung der Auftragvorrichtung bzw. des Verfahrensschritts des Auftragens über eine Rotationsbewegung bietet den Vorteil, dass die Auftragung von neuem Basismaterial oder Pulver, wie auch der additive Aufbau insgesamt, kontinuierlich und/oder entlang einer Schneckenbewegung durchgeführt werden kann, und damit die Vorteile von bekannten Kristallziehverfahren, wie dem Bridgeman-Verfahren zumindest teilweise genutzt werden können .

In einer Ausgestaltung wird im Rahmen der Wärmebehandlung un terhalb der Herstellungsfläche ein Temperaturgradient ausge bildet. Dies kann beispielsweise durch eine vertikal stufen weise regelbare und/oder ansteuerbare Heizeinrichtung erfol gen .

In einer Ausgestaltung wird nahe der Herstellungsfläche eine höhere Temperatur eingestellt und - mit zunehmendem Abstand von dieser - eine, beispielsweise graduell und/oder monoton (relativ zu der genannten Temperatur) fallende oder kleinere Temperatur .

Durch diese Ausgestaltung (en) können große Temperaturgradien ten beispielsweise entlang der vertikalen Richtung verhindert und somit die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Heiß- o- der Erstarrungsrissen während des Aufbaus der Struktur ver hindert werden. In einer Ausgestaltung wird die Struktur für das Bauteil epi taktisch und/oder durch gerichtete Erstarrung aufgebaut.

Durch diese Ausgestaltung kann insbesondere eine homogene und/oder defektfreie bzw. defektarme Kristall- oder Material struktur erzielt werden, die im Betrieb des Bauteil wesent lich höher belastet werden kann, als beispielsweise im Fall von bekannten additiv aufgebauten Strukturen.

In einer Ausgestaltung wird Basismaterial bzw. Pulver vor dem selektiven Bestrahlen mit einem Laser- oder Elektronenstrahl vorgewärmt. Vorzugsweise erfolgt die Vorwärmung mittels eines Laserstrahls. Das Vorwärmen ermöglicht weitere Freiheitsgrade des Wärmemanagements bzw. der Kontrolle der sich während des Prozesses entwickelnden Temperaturen. Genau wie die beschrie bene Wärmebehandlung, kann auch die Vorwärmung effizient und zweckmäßig während des additiven Schweißprozesses entstehende Temperaturgradienten mindern und damit das Risiko von entste henden Heiß- und/oder Erstarrungsrissen vorteilhaft reduzie ren .

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil, welches gemäß dem beschriebenen Verfahren herstell bar und/oder hergestellt ist. Das Bauteil umfasst weiterhin eine gerichtet erstarrte und/oder einkristalline Kristall struktur mit Schweißspuren, welche ein zumindest weitgehend epitaktisches Kristallwachstum einzelner Schichten oder Be reiche zeigen. Bei den genannten Schweißspuren kann es sich um Schweißraupen oder verfestigte Konturen von Schmelzbädern handeln .

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die additive Herstellung des Bauteils wie oben beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Auftragvor richtung oder einen Vorratsbehälter zum Aufträgen von Basis material auf die beschriebene Herstellungsfläche. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine induktive Heizeinrich tung zum Zonenschmelzen bzw. Ausbilden eines Temperaturgradi enten, unterhalb der Herstellungsfläche.

In einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung Teil einer additi ven Herstellungsanlage, ein Nachrüstsatz dafür oder aber die Vorrichtung stellt selbst die Herstellungsanlage dar.

In einer Ausgestaltung ist die induktive Heizeinrichtung ähn lich zu einer Vorrichtung zum „Ziehen" oder Aufbauen von Ein kristallen gemäß der sogenannten Bridgman-Stockbarger-Methode eingerichtet. Durch diese Ausgestaltung können vorliegend die Vorteile, insbesondere hinsichtlich der erzielbaren Kristall ordnung und/oder Material- oder Kristallstruktur, dieses Kristallziehverfahrens ausgenutzt werden.

In einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine absenkba- re Bauplattform, wobei die Vorrichtung weiterhin Temperatur sensoren, beispielsweise entlang einer Aufbaurichtung einge richtet aufweist.

Weiterhin sind die Bauplattform und die Auftragvorrichtung, beispielsweise relativ zueinander beweglich, insbesondere ro tierbar, eingerichtet.

In einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine erste Be strahlungseinrichtung, insbesondere ein erstes Laser-Scansys tem, zum Schmelzen beziehungsweise Umschmelzen des Basismate rials.

In einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine zweite Bestrahlungseinrichtung, insbesondere ein zweites Laser- Scansystem, zum Vorwärmen des Basismaterials.

In einer Ausgestaltung ist die Bauplattform eingerichtet, ei- nen Kristallisationskeim für die Struktur des Bauteils zu bilden. Unter „Kristallisationskeim" kann vorliegend jedes Mittel gemeint sein, welches das Ausbilden einer vorteilhaf ten kristallografischen Orientierung bewirken kann.

Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorlie gend auf das Verfahren oder das Bauteil beziehen, können fer ner die Vorrichtung betreffen oder umgekehrt.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläu tert. Alle bisher und im Folgenden beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander vorteilhaft. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Er findung abzuweichen. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzum fang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten An sprüche definiert.

Der hier verwendete Ausdruck „beziehungsweise", „bzw." und „und/oder", wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente ver wendet werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung.

Figur 2 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Herstel lungsfläche . Figur 3 zeigt ein schematisches Flussdiagramm mit angedeute ten Verfahrensschritten des vorgestellten Verfah rens .

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszei chen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Grö ßenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständ nis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein .

Figur 1 zeigt schematisch eine vereinfachte Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 ist vorzugsweise Teil, beispielsweise als Nachrüstung, einer additiven Herstellungsanlage (vorliegend nicht explizit ge kennzeichnet) für ein Bauteil 10. Alternativ kann die Vor richtung 100 die Anlage auch darstellen.

Bei dem Bauteil 10 handelt es sich vorzugsweise um ein Bau teil, welches im Heißgaspfad einer Strömungsmaschine, bei spielsweise einer Gasturbine eingesetzt wird. Insbesondere kann das Bauteil eine Lauf- oder Leitschaufel , ein Segment oder Ringsegment, ein Brennerteil oder eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, Dich tung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Resonator, Stempel oder einen Wirbler bezeichnen, oder einen entspre chenden Übergang, Einsatz, oder ein entsprechendes Nachrüst teil.

Die Vorrichtung 100 ist vorzugsweise eine Vorrichtung, geeig net zur pulverbett-basierten additiven Bauteilherstellung, beispielsweise zum selektiven Lasersintern, selektiven Laser schmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen.

Die Vorrichtung 100 umfasst eine Auftragvorrichtung 110 zum Aufträgen von Basismaterial oder Pulver P auf eine Herstel- lungsfläche HF. Wie in Figur 1 zu erkennen wird das Basisma terial P durch die Auftragvorrichtung 110 von oben auf die Herstellungsfläche HF aufgetragen, vorzugsweise durch Rieseln und/oder Aufrakeln. Die Darstellung der Figur 1 ist in dieser Hinsicht lediglich schematisch dargestellt. Es ist jedoch zu erkennen, dass die Auftragvorrichtung 110 einen Vorratsbehäl ter 111 für Basismaterial P und ein Führungssieb 112 für die Pulverpartikel oder ähnliche Hilfsmittel, beispielsweise Mit tel, welche eine homogene Pulverauftragung über die ganze Herstellungsfläche HF hinweg ermöglichen, umfassen kann.

Weiterhin ist die Auftragvorrichtung 110 zu der Herstellungs fläche HF beweglich, insbesondere rotierbar, eingerichtet. Bevorzugt wird die Auftragvorrichtung 110 relativ zu den üb rigen in Figur 1 dargestellten Teilen der Vorrichtung 100 bzw. Anlage während der Pulverauftragbewegung rotiert. Dies ist durch den gebogenen Pfeil und den eingezeichneten Rotati onswinkel angedeutet.

Gemäß dieser Ausgestaltung wird das Pulver P beispielsweise nicht notwendigerweise in einzelnen Schichten (vgl. Sl, S2) durch geradliniges Aufträgen von rechts nach links, sondern insbesondere in einer Art Schneckenbewegung und/oder quasi kontinuierlich während des Aufbauprozesses auf die Herstel lungsfläche HF aufgetragen und bestrahlt bzw. aufgeschmolzen .

Die Herstellungsfläche HF wird in der Darstellung der Figur 1 zum Teil durch bereits zuvor aufgebaute Schichten (vergleiche Bezugszeichen Sl, S2) der Bauteilstruktur S für das Bauteil 10 und teilweise durch Basismaterial P gebildet. Innerhalb eines nicht weiter gekennzeichneten Bauraumes ist das Bauteil 10 demgemäß weiterhin unterhalb der Herstellungsfläche HF an geordnet .

Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine induktive Heizein richtung 120 zum Zonenschmelzen bzw. Ausbilden eines Tempera turgradienten unterhalb der Herstellungsfläche HF. Diese Ein richtung ist lediglich durch die quadratischen Abschnitte au- ßerhalb eines das Bauteil 10 einschließenden Bauraums (nicht explizit gekennzeichnet) angedeutet.

Die Heizeinrichtung 120 ist vorzugsweise eingerichtet, einen Temperaturgradienten unterhalb der Herstellungsfläche auszu bilden. Dazu kann die Heizeinrichtung 120 beispielsweise und wie in Figur 1 gekennzeichnet vier separat aktivierbare und/oder ansteuerbare Heizmodule (IM bis 4M) umfassen. Vor zugsweise wird im Wege des vorliegend und weiter unten be schriebenen Verfahrens direkt unterhalb der Herstellungsflä che HF beispielsweise ein erstes Heizmodul IM eingerichtet, um die höchste durch die Heizeinrichtung 120 erreichbare Tem peratur im Bauteil 10 zu erreichen.

Ein zweites Heizmodul M2 ist vorzugsweise eingerichtet und regelbar, um eine graduell und/oder geringfügig niedrigere Temperatur im Bauteil 10 zu erreichen oder einzustellen.

Ein drittes Heizmodul M3 ist vorzugsweise eingerichtet und regelbar, um eine weiterhin niedrigere Temperatur im Bauteil 10 zu erreichen oder einzustellen.

Ein viertes Heizmodul M4 ist vorzugsweise eingerichtet und regelbar, um eine weiterhin niedrigere Temperatur im Bauteil 10 zu erreichen oder einzustellen.

Mit zunehmendem Abstand von der Herstellungsfläche HF wird vorliegend vorzugsweise also eine graduell und/oder monoton fallende Temperatur im Bauteil 10 erreicht.

Zur Begrenzung oder Definition der Herstellungsfläche HF kann die Vorrichtung 100 beispielsweise einen Rand 150 umfassen, welcher oberhalb der Heizeinrichtung 120 angeordnet ist. Der Rand 150 kann weiterhin eine Isolation zum thermischen Iso lieren eines Raums oberhalb der Herstellungsfläche HF umfas sen oder darstellen. Obwohl dies in den Figuren nicht expli zit gekennzeichnet ist kann beispielsweise zwischen den ein- zelnen Modulen IM bis 4M weiterhin eine thermische Isolation installiert sein.

Um die Temperaturen entlang des vorgesehenen Temperaturgradi enten zweckmäßig und effizient einstellen zu können und/oder zu regeln, umfasst die Vorrichtung 100 vorzugsweise weiterhin Temperatursensoren 140. Die Temperatursensoren 140 sind vor zugsweise entlang einer Aufbaurichtung z (vergleiche vertika ler Richtung nach oben) eingerichtet. Pro Heizmodul ist vor zugsweise mindestens ein Temperatursensor 140 vorgesehen, so- dass über die Messung der Temperatur und die Heizeinrichtung 120 auf einfache Weise ein maßgeschneiderter Temperaturgradi ent über die Heizeinrichtung 120 eingestellt werden kann (siehe unten) .

Weiterhin umfasst die Vorrichtung 100 eine absenkbare Bau plattform 130, auf welcher das Bauteil 10 vorzugsweise aufge baut und „verschweißt" wird. Während des additiven Aufbaus des Bauteils 10 wird die Bauplattform 130 vorzugsweise um ein einer Schichtdicke (vgl. Sl, S2) entsprechendes Maß abge senkt, sodass die Herstellungsfläche auf gleicher z Position bleibt .

Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine erste Bestrah lungseinrichtung LSI, insbesondere ein erstes Laser-Scansys tem, zum Schmelzen und anschließendem eigentlichen Verfesti gen des Basismaterials P. Durch die erste Bestrahlungsein richtung LSI, beispielsweise über einen Laser- oder Elektro nenstrahl, wird das Bauteil 10 für seine Verfestigung zweck mäßigerweise selektiv bestrahlt und umgeschmolzen. Dies er folgt vorzugsweise zum Teil gleichzeitig mit der oben be schriebenen Auftragung von neuem Basismaterial P. Gleicherma ßen (gleichzeitig) kann eine Wärme (nach) behandlung durch die Heizeinrichtung 120, wie oben angedeutet, für bereits verfes tigte Teile des Bauteils 10 (unterhalb der Herstellungsfläche HF) durchgeführt werden. Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine zweite Bestrah lungseinrichtung LS2, beispielsweise über einen Laser- oder Elektronenstrahl, insbesondere ein zweites Laser-Scansystem, zum Vorwärmen des Basismaterials P. Das Vorwärmen kann bei spielsweise ebenfalls gleichzeitig mit dem selektiven Be strahlen des Basismaterials HF, vorzugsweise in einem anderen Bereich der Herstellungsfläche HF, erfolgen.

Obwohl dies in den Figuren nicht explizit gekennzeichnet ist kann die Vorrichtung 100 ähnlich zu einer Vorrichtung für das Kristallziehen über die sogenannte Bridgman-Stockbarger- Methode ausgebildet sein, beispielsweise umfassend einen ge eigneten Tiegel. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrich tung 100 eingerichtet sein, über eine geeignete Wahl des Tem peraturgradienten in der Heizeinrichtung 120 und beispiels weise eine zweckmäßige Abstimmung von Vorwärmung, Bestrah lung/Umschmelzung und Wärmebehandlung/Wärmenachbehandlung ei nen Kristallisationskeim für die aufzubauende Struktur S für das Bauteil 10 zu bilden.

Das eigentlich vorgestellte Verfahren umfasst als additives Herstellungsverfahren vorzugsweise das selektive Bestrahlen des Basismaterials P für das Bauteil 10 mit einem Laser- oder Elektronenstrahl Bl der ersten Bestrahlungseinrichtung LSI.

Die beschriebene Bestrahlung erfolgt vorzugsweise zumindest teilweise zeitgleich mit dem Aufträgen neuen Basismaterials P (vgl. (i) in Figur 3) für den Aufbau des Bauteils 10, wie oben beschrieben und einer Wärmebehandlung (vgl. (ii) in Fi gur 3) beziehungsweise Wärmenachbehandlung, beispielsweise durch die Induktionsheizung 120 unmittelbar nach dem eigent lichen additiven Aufbau der Struktur S für das Bauteil 10.

Das selektive Bestrahlen (a) , das Aufträgen (i) von Pulver P und die Wärmebehandlung (ii) , und gegebenenfalls weitere Ver fahrensschritte wie die Vorwärmung (vgl. (iii) ) , beispiels weise über einen Laser- oder Elektronenstrahl B2 der zweiten Bestrahlungseinrichtung LS2 (siehe unten) oder das sukzessive oder schrittweise Absenken der Bauplattform 130 sind vorzugs weise derart abgestimmt, dass eine Struktur S für das Bauteil 10 gerichtet erstarrt und/oder epitaktisch aufwächst oder ge bildet wird.

Figur 2 zeigt schematisch eine vereinfachte Aufsicht auf die Herstellungsfläche HF, welche gemäß der vorliegenden Ausfüh rungsform kreisförmig ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine vereinfachte Pulverauftragung durch die, bei spielsweise relativ zu dem Rand 150 rotierbare Auftragvor richtung 110. Ein Pulvervorratsbehälter ist der Einfachheit halber in Figur 2 nicht gekennzeichnet. Eingezeichnet ist je doch zumindest ein Pulverauslass der Auftragvorrichtung 110, in Form eines schmalen Schlitzes, welcher sich über die radi ale Ausdehnung der Herstellungsoberfläche HF von seinem Zent rum bis zum Rand erstreckt. Die gestrichelten Linien sollen andeuten, dass sich dieser Schlitz zum Aufträgen von Pulver P beispielsweise auch über die gesamte diametrale Ausdehnung der Herstellungsoberfläche HF bzw. der Bauplattform 130 er strecken kann.

Im Wege des beschriebenen Verfahrens können so das Umschmel zen a) sowie die Verfahrensschritte des Pulverauftragens (i) durch die Auftragvorrichtung 110, die Wärmebehandlung (ii) und, optional, die Pulver-Vorwärmung (iii) , zwar in unter schiedlichen Bereichen der Herstellungsfläche HF aber zumin dest teilweise gleichzeitig durchgeführt werden.

Wie in Figur 2 zu erkennen kann zweckmäßigerweise (im Uhrzei gersinn) eine Vorwärmung (iii) , welche vereinfacht linienför mig dargestellt ist, einer Pulverauftragung (i) durch die Auftragvorrichtung 110 räumlich nachlaufen, beispielsweise um 60°. Gleichermaßen kann eine eigentliche selektive Bestrah lung oder Umschmelzung (vergleiche Verfahrensschritte a) von zuvor aufgetragenem Basismaterial der beschriebenen Vorwär mung (iii) räumlich nachlaufen aber zumindest teilweise zeit gleich ablaufen. Gleiches gilt für die Wärmebehandlung (ii) , welche vorzugsweise zumindest zeitgleich mit dem Bestrahlen a) durchgeführt wird.

Es ist in Figur 2 zu erkennen, dass der linke Teil der Her stellungsfläche HF bereits durch die Struktur S gebildet ist (vergleiche Schraffur) . Ein Winkelbereich von 0 bis 120°, d.h. Bereiche in denen Pulver aufgetragen wird, (i) , und in denen aufgetragenes Pulver P vorzugsweise lediglich auf Tem peraturen unterhalb des Schmelzpunktes vorgewärmt wird,

(iii) , wird gemäß der beispielhaften Ausgestaltung der Figur 2 durch pulverförmiges Basismaterial P gebildet.

Die Pfeile in Figur 2, welche von den Bezugszeichen (i) ,

(iii) und a) ausgehen, sollen den Verlauf des Verfahrens bzw. die Anwendung der entsprechenden Verfahrensschritte auf die Herstellungsfläche in kontinuierlicher Art und zumindest teilweise gleichzeitig verlaufend andeuten.

Figur 3 zeigt ein schematisches Flussdiagramm, wobei eben falls durch die horizontal nebeneinander angeordneten Verfah rensschritte a) , (i) , (ii) und (iii) die Gleichzeitigkeit der

Schritte des selektiven Bestrahlens, des Auftragens, der Wär mebehandlung und des Vorwärmens veranschaulicht werden soll.

Der Verfahrensschritt b) soll lediglich ein Fertigstellen des Bauteils 10 andeuten. Damit können thermische oder mechani sche Nachbearbeitungsschritte oder einfach das Herausnehmen des fertig aufgebauten Bauteils aus der Vorrichtung 100 um fasst sein.

Das vorgestellte Verfahren erlaubt es vorteilhafterweise Bau teile mit verbesserten strukturellen und/oder kristallogra- phischen Eigenschaften, insbesondere gerichtet erstarrten Ma terialphasen und/oder epitaktisch und damit vorzugsweise zu mindest teilweise einkristallinen Eigenschaften auszustatten. Epitaktischer Aufbau soll vorliegend bedeuten, dass bei spielsweise eine Schicht S2 (zumindest bereichsweise) die kristallgeographische Orientierung einer unmittelbar vorher aufgebauten Schicht S1 annimmt. Daraus resultieren hinsicht lich der Festigkeit und Anfälligkeit des Materials für Risse oder Verschleiß entscheidende Vorteile. Vorzugsweise können die Materialien auf additivem Wege analog zu dem genannten Bridgeman-Verfahren aufgebaut werden.

Demgemäß sind dem Bauteil 10 nach dem Aufbau einzelner

Schweißraupen oder Schweißspuren, welche auf die einzelnen hergestellten Schichten oder Abschnitte (vergleiche Bezugs- Z eichen Sl, S2 in Figur 1) hindeuten, sichtbar.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombi nation selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.