Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum generativen Aufbauen eines Bauteils.

Stand der Technik

Generative Fertigungs verfahren erlauben nicht nur einen schnellen Aufbau von Prototypen, sondern es können bspw. auch aufgrund ihrer Geometrie anderweitig schwer herzustellende Bauteile bzw. Bauteile mit bestimmten Materialeigenschaften hergestellt werden. Der Aufbau erfolgt schichtweise, und es lassen sich auch Geometrien erzeugen, die bspw. mit einem gießtechnischen Verfahren nicht zugänglich wären. Bei sogenannten Pulverbettverfahren wird der Werkstoff in Pulverform vorgehalten und sequenziell Schicht für Schicht aufgetragen. Nach dem Aufträgen einer jeweiligen Schicht wird diese selektiv bestrahlt und so in einem gewünschten Bereich verfestigt, durch Aufschmelzen des Pulvers infolge der Bestrahlung. Anschließend wird die nächste Pulverschicht aufgetragen und gemäß der herzustellenden Bauteilgeometrie bereichsweise verfestigt.

Eine entsprechende Fertigungsvorrichtung weist eine Werkstoffaufnahme auf, in welcher der formlos bzw. -neutral vorgehaltene Werkstoff angeordnet wird. Zur Bestrahlung ist eine Strahlquelle vorgesehen, deren Strahl mittels einer Verkippeinheit über die Werkstoffaufnahme, also über eine Baufläche bewegt werden kann. In Verbindung mit einem selektiven Ein- und Ausschalten der Bestrahlung kann eine jeweilige Schicht an der Baufläche jeweils in einem bestimmten Bereich bestrahlt ünd kann der Werkstoff damit bereichsweise verfestigt werden.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zum generativen Aufbaüen eines Bauteils anzugeben.

Dies wird erfindungsgemäß mit der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Diese weist zusätzlich zu Strahlquelle und Verkippeinheit eine Verzerroptik auf, über wel- che der Strahl der Baufläche vorgelagert geführt wird. Mit der Verzerroptik wird das Querschnittsprofil des Strahls bei einem schrägen Einfall auf die Baufläche verzerrt. Damit kann einer Verzerrung der Spotform entgegengewirkt werden, die sich bei einem schräg einfallenden Strahl aus Geometriegründen ergibt. Stellt man sich den Strahl bspw. als Zylinder vor, resultiert auf der Baufläche bei dem schrägen Einfall eine elliptische Form (schräger Zylinderschnitt). Bei einem solchen elliptischen oder generell verzerrten Spot kann die eingekoppelte Energie dann z. B. abhängig von der Scanrichtung unterschiedlich groß sein. So wird bspw. bei einer Bewegung entlang der großen Ellipsenhalbachse (longitudinal) lokal mehr Energie eingebracht als bei einer Bewegung entlang der kleinen Ellipsenhalbachse (transversal). Dieser Proble- matik kann mit der Verzerroptik vorgebeugt werden. Vereinfacht zusammengefasst kann der Strahl damit der Baufläche vorgelagert so verzerrt werden, dass eine Verzerrung infolge des schrägen Einfalls kompensiert wird, der resultierende Spot also verzerrungsfrei ist.

Weitere bevorzugte Ausfuhrungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Verfahrens- und Vorrichtungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Wird bspw. eine bestimmte verfahrensgemäße Ausgestaltung beschrieben, ist dies auch auf eine Vorrichtung zu lesen, die zur Durchführung eines entsprechen- den Verfahrens eingerichtet ist.

Im Einzelnen wird der Verzerrung des Spots bei schrägem Einfall entgegengewirkt, indem mit der Verzerroptik ein Querschnittsprofil des Strahls in einer Einfallsebene gestaucht wird und/oder in einer zu der Einfallsebene senkrechten Transversalebene geweitet wird.

Die Einfallsebene spannt der Strahl, insbesondere seine Mittenachse, gemeinsam mit einer Flächennormalen auf der Baufläche auf. Die Mittenachse liegt mittig im Strah- lund durchsetzt die Baufläche dort, wo die Flächennormale ihren Fußpunkt hat

(mittig im Spot). Die zur Einfallsebene senkrechte Transversalebene beinhaltet ebenfalls die Mittenachse des Strahls; in anderen Worten ergibt sich die Mittenachse des Strahls als Schnittlinie von Einfalls- und Transversalebene.

Das Querschnittsprofil des Strahls wird in einer zu dessen Mittenachse senkrechten Ebene betrachtet, und zwar der Baufläche vorgelagert (bevor der Strahl auf die Bau fläche trifft). Die Angaben„vorgelagert“ und„nachgelagert“ beziehen sich generell auf die Strahlungsrichtung, also den Pfad des Strahls von der Strahlquelle zur Bau fläche. Soweit auf die Ausbreitung des Strahls bzw. dessen Profil Bezug genommen wird, ist dies hinsichtlich der Vorrichtung dahingehend zu lesen, dass diese für einen Betrieb eingerichtet ist, in dem eine solche Strahlausbreitung erfolgt.

In bevorzugter Ausgestaltung hat der Strahl der Verzerroptik vorgelagert ein kreis förmiges und der Verzerroptik nachgelagert ein ellipsenförmiges Querschnittsprofil. Trifft ein solcher, ellipsenförmig verzerrter Strahl dann auf die Baufläche, ergibt dies dort einen kreisförmigen Spot. Das ellipsenförmige Querschnittsprofil kann dabei insbesondere derart orientiert sein, dass eine Schnittlinie mit der Einfallsebene die kleine Halbachse ergibt und eine Schnittlinie mit der Transversalebene die große Halbachse ergibt.

Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist die Verzerroptik adaptiv, lässt sich also die Stärke der Verzerrung einstellen. Der Strahl bzw. dessen Querschnittsprofil kann damit umso stärker verzerrt werden, je schräger er auf die Baufläche fällt, je größer also der Einfallswinkel ist. Letzterer wird zwischen der Mittenachse des Strahls und einer im Spot in die Baufläche gelegten Flächennormalen genommen. Mit der Adaption kann überall auf der Baufläche ein Spot der gleichen Form erzeugt werden, vorzugsweise auch derselben Größe (Radius bzw. Durchmesser) und Inten- sitätsverteilung.

In bevorzugter Ausgestaltung ist zusätzlich eine dynamische Fokussiereinheit vorgesehen, mit welcher sich der Strahlquerschnitt ohne Verzerrung verkleinern und ver- großem lässt. Damit kann der Strahl bei unterschiedlichen Einfallswinkeln unter schiedlich stark fokussiert werden, um einer Variation der Spotgröße, die sich infolge der unterschiedlich starken Verzerrung ergeben würde, entgegenzuwirken. Fällt der Strahl also unter einem größeren Einfallswinkel auf die Baufläche und wird er mit der Verzerroptik entsprechend stärker verzerrt, kann durch eine stärkere Fokussie- rung im Ergebnis dieselbe Spotgröße wie bei einem kleineren Einfallswinkel erreicht werden, bei dem der Strahl mit der Verzerreinheit weniger verzerrt und auch mit der Fokussiereinheit weniger fokussiert wird. Als Fokussiereinheit kann bspw. ein (um die optische Achse rotationssymmetrisches) Linsensystem vorgesehen sein, wobei sich die unterschiedliche Fokussierung durch einen Relativversatz der Linsen errei- chen lässt.

Im Allgemeinen kann es sich bei dem Strahl auch um einen Elektronenstrahl handeln, der in der Verzerroptik mit Elektronenlinsen angepasst wird. In bevorzugter Ausgestaltung ist als Strahlquelle jedoch eine Laserquelle vorgesehen, die im Betrieb einen Laserstrahl emittiert. Das Querschnittsprofil des Laserstrahls ist bevorzugt rund, die Intensitätsverteilung ist typischerweise gaußförmig. Bei der Laserquelle kann es sich bspw. um einen CO2-Laser, Nd:YÄG-Laser bzw. Yb-Faserlaser oder auch einen Diodenlaser handeln.

Prinzipiell kann die Verzerroptik auch reflektiv, also über ein Spiegelsystem realisiert sein. In bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich um eine refraktive Optik, wird der Strahl also durch Brechung geformt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Verzerroptik ein erstes und ein zweites Prisma auf, die ein anamorphisches Prismenpaar bilden. Der Laserstrahl durchsetzt dieses, wobei sich auf zwei zueinander senkrechten Achsen verschieden große Abbildungsmaßstäbe ergeben (im Falle der Ellipse sind dies die kleine und die große Halbachse). Bevorzugt sind das erste und das zweite Prisma relativ zueinander verkippbar gelagert, wobei sich durch eine Änderung der Relativverkippung das Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe verändern lässt. Fällt der Laserstrahl unter einem kleinen Winkel auf die Baufläche, ist nur eine geringe Differenz der Abbildungs- maßstäbe zur Kompensation erforderlich, wohingegen bei einem großen Einfallswinkel eine größere Differenz eingestellt wird.

Eine Verzerrung des Laserstrahls lässt sich auch mittels Zylinderlinsen erreichen, die aufeinanderfolgend in dem Strahlengang angeordnet sind. Es können bspw. konvexe Zylinderlinsen vorgesehen sein, das Querschnittsprofi 1 kann damit aufgeweitet wer- den. In der Ebene, in welcher die Zylinderachsen liegen, bleibt es hingegen unverän dert. Damit ergibt sich die gewünschte Asymmetrie der Abbildung, also die Verzer rung. In einer zur besagten Zylinderachse senkrechten Schnittebene betrachtet können die Zylinderlinsen bspw. telezentrisch angeordnet sein, bevorzugt sowohl strahlquellenseitig als auch bauflächenseitig. In bevorzugter Ausgestaltung sind die Zylinderlinsen in der Verzerroptik relativ zueinander versetzbar gelagert, lässt sich also ihr Abstand in Strahlungsrichtung verän dern. Damit kann eine adaptive Anpassung des Querschnittsprofils vorgenommen werden, also eine stärkere Verzerrung bei großen und eine geringere Verzerrung bei kleinen Einfallswinkeln. Im Einzelnen kann dazu die eine Zylinderlinse ortsfest in der Verzerroptik angeordnet und nur die andere Linse versetzbar gelagert sein (es können aber auch beide Linsen versetzbar gelagert werden).

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform weist die Verzerroptik eine Blende auf, die der Laserstrahl durchsetzt. Dabei begrenzt die Blende das Querschnittsprofil des Laserstrahls auf zwei zueinander senkrechten Achsen unterschied- lieh stark, nämlich im Falle der bevorzugten Kreis- bzw. Ellipsenform stärker auf der kleinen Halbachse. Bildlich gesprochen wird also dort ein Teil des Strahls weggeschnitten, um das gewünschte Querschnittspro.fi 1 einzustellen. Die Blende kann ins besondere eine Feldblende sein. Bevorzugt kann eine Anordnung bzw. ein Aufbau als Raumfilter sein, kann also der Blende vorgelagert eine Sammellinse angeordnet sein. Diese bündelt den Strahl entsnrechend klein kann die Rlendenöffnunp pewählt werden (mit einem Durchmesser von nur einigen 10 miti auch als Pinhole bezeichnet). ln bevorzugter Ausgestaltung ist die Blende verstellbar, lässt sich also das Profil ihrer Blendenöffnung verändern. Dies betrifft nicht bzw. nicht nur die Öffhungsweite, sondern insbesondere das Öffnungsverhältnis auf zwei zueinander senkrechten Achsen. Auf der einen Achse ist die Änderung größer als auf der anderen, es können sich also bspw. Ellipsen mit unterschiedlichem Verhältnis von kleiner zu großer Halbachse einstellen lassen (bis hin zu einer Kreisform). Damit kann der unter großem Winkel einfallende Strähl stärker verzerrt werden als der unter kleinem Winkel bzw. senkrecht einfallende Strahl.

Die Verkippeinheit ist in bevorzugter Ausgestaltung ein verkippbar gelagerter Spiegel, bspw. ein galvanometrisch gelagerter Scannerspiegel. Der verkippbar gelagerte Spiegel ist bevorzugt oberhalb der Baufläche im Wesentlichen mittig angeordnet, sodass ein senkrecht einfallender Strahl die Baufläche mittig trifft. Entsprechend werden die Einfallswinkel zu den Rändern der Baufläche hin größer. Die Verzerroptik ist der Verkippeinheit bevorzugt vorgelagert, also insbesondere dem verkippbar gelagerten Spiegel. Sofern in bevorzugter Ausgestaltung eine dynamische Fokussiereinheit vorgesehen ist, kann diese der Verzerroptik vorgelagert sein, also zwischen

Strahlquelle und Verzerroptik. Generell kann ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer vergleichsweise kompakten Anordnung von Strahlquelle, Verkippeinheit und Verzerroptik liegen. Wird die Strahlformung der Verkippeinheit vorgelagert vorgenommen, muss mit der Verkippeinheit kein großes Gewicht bewegt werden, was die Aufhängung etc. vereinfacht. Um in einer zum vorliegenden Gegenstand alternativen Weise eine über die Baufläche konstante Spotform zu erhalten, ließe sich der Strahl bspw. auch über eirie telezentrische F -Theta-Linse auf die Baufläche führen. Aufgrund der Abbildung ins Unendliche würde der Strahl unabhängig von der Position immer senkrecht auf die Baufläche fallen. Eine solche Linse müsste jedoch fast so groß sein wie die Baufläche und ließe sich allenfalls unter großem Aufwand und damit kostenin- tensiv hersteilen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum generativen Aufbauen eines Bauteils ln der Werkstoffaufnahme ist dann ein formlos oder formneutral vorgehaltener Werkstoff angeordnet, im Allgemeinen bspw. auch eine Flüssigkeit, bevorzugt ein Pulver, insbesondere ein Metallpulver. Die Baufläche liegt an der Oberfläche des 5 Werkstoffs (an der Oberfläche der jeweilig bearbeiteten Schicht). Zur Verfestigung eines bestimmten Bereichs wird dann der Strahl mittels der Verkippeinheit über die Baufläche bewegt, ^’ dort wird zur Verfestigung bestrahlt. Ferner wird zur Kompensation einer Verzerrung bei schrägem Einfall das Querschnittsprofi 1 in der Einfallsebe ne gestaucht und/oder in der Transversalebene geweitet. Im Übrigen wird ausdrück-0 lieh auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen, die auch im Falle des Verfahrens von Interesse sein können.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer vorliegend offenbarten Vorrich- ' tung zum generativen Aufbauen eines Bauteils, das als Bestandteil einer axialen Strömungsmaschine ausgelegt ist, insbesondere eines Flugtriebwerks.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen 5 Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.

Im Einzelnen zeigt 0 Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer schematischen, teilweise ge schnittenen Seitenansicht;

Figur 2 Spotformen auf einer Baufläche der Vorrichtung gemäß Fig. 1 , ohne Anpassung durch die Verzerroptik;

Figur 3 zeigt Möglichkeiten zur Anpassung des Querschnittsprofils mit der Verzerr5 optik;

Figur 4 zeigt eine erste Möglichkeit zur Gestaltung einer Verzerroptik; Figur 5 zeigt eine zweite Möglichkeit zur Gestaltung einer Verzerroptik;

Figur 6 zeigt eine dritte Möglichkeit zur Gestaltung einer Verzerroptik.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum generativen Aufbauen eines Bauteils 2 aus einem Werkstoff 3, der pulverförmig vorgehalten wird. Der Werkstoff 3 ist in einer Werkstoffaufnahme 4 angeordnet, er wird an einer Baufläche 5 schichtweise durch Aufschmelzen des Pulvers verfestigt. Anschließend wird der bislang hergestellte Teil des Bauteils 2 abgesenkt (nicht im Einzelnen dargestellt) und wird die nächste Pulverschicht aufgetragen und an der Baufläche 5 verfestigt.

Die Verfestigung erfolgt durch Bestrahlen mit einem Strahl 6, nämlich einem Laser- strahl. Dieses Verfahren wird auch als selektives Laserstrahlschmelzen (SLM) bezeichnet. Zur Emission des Strahls 6 ist eine Strahlquelle 7 vorgesehen, vorliegend eine Laserquelle. Lfm den Strahl 6 auf unterschiedliche Bereiche der Baufläche 5 lenken zu können, wird er über eine Verkippeinheit 8 geführt, die vorliegend mit galvanometrisch gelagerten Scannerspiegeln ausgestattet ist. In Abhängigkeit von der Kippstellung der Spiegel gelangt der Strahl 6 auf eine entsprechende X/Y-Position der Baufläche 5. In der in Figur 1 gezeigten Situation ist, er zum Rand hin ausgelenkt, punktiert ist ein zum Vergleich mittiger Einfall gezeigt (in einem anderen Zeitpunkt).

Im Folgenden wird zunächst auf Figur 2 verwiesen, bevor Figur 1 weiter im Detail diskutiert wird. Figur 2 zeigt die Baufläche 5 in einer Aufsicht, also entgegen der Z- Richtung in Figur 1 von oben darauf blickend. Zu erkennen ist ein Spot 20 (punktiert), den der Strahl 6 bei mittigem Einfall erzeugt. Ferner ist ein Spot 21 gezeigt, den der Strahl 6 am Rand der Baufläche 5 erzeugt. Aufgrund des schrägen Einfalls dort ist der Spot 21 nicht mehr kreis-, sondern ellipsenförmig. Wird ein solcher Spot 21 über die Baufläche 5 bewegt, hängt die eingekoppelte Energie von der Scanrich- tung ab, vergleiche die Beschreibungseinleitung im Detail.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die nun wieder unter Verweis auf Figur 1 beschrieben wird, ist deshalb eine Verzerroptik 10 im Strahlengang angeordnet, mit der ein Querschnitsprofil 6.1 des Strahls 6 verzerrt wird. Das Querschnittsprofi 1 6.1 wird in einem Schnitt senkrecht zur Mittenachse 6.2 des Strahls 6 betrachtet, ohne Verzerrung ist es kreisrund.

Figur 3 illustriert, wie das Querschnittsprofil 6.1 bei dem schrägen Einfall angepasst werden kann, sodass auf der Baufläche 5 trotz des schrägen Einfalls im Ergebnis ein rundes Profil resultiert. Das Querschnittsprofil 6.1 kann dafür in einer Einfallsebene 30 gestaucht (kleine Ellipse) und/oder in einer Transversalebene 31 geweitet werden (große Ellipse). Die Einfallsebene 30 wird von der Mitenachse 6.1 des Strahls 6 gemeinsam mit einer Flächennormalen 11 aufgespannt, vergleiche Figur 1. Die Trans- versalebene 31 liegt senkrecht dazu und beinhaltet ebenfalls die Mittenachse 6.1.

Wird das Querschnittsprofil 6.1 transversal geweitet, hat der resultierende Spot 22

(strichliert in Figur 2) einen entsprechend größeren, Durchmesser. Um die Spotgröße über die Baufläche 5 konstant zu halten, weist die Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 zusätzlich eine dynamische Fokussiereinheit 12 auf. Diese ist mit Linsen ausgestatet, deren Relativabstand in Abhängigkeit von der Auslenkung des Strahls 6 verändert wird, sodass randseitig stärker als mitig fokussiert wird.

Wie aus Figur 1 ersichtlich, gelangt die Laserstrahl ung von der Strahlquelle 7 über die dynamische Fokussiereinheit 12 und die Verzerroptik 10 zu der Verkippeinheit 8. Von dort wird sie durch ein Schutzglas 13 in die Prozesskammer 14 gekoppelt. Im Folgenden werden unterschiedliche Möglichkeiten zum Aufbau der Verzerroptik 10 diskutiert.

Figur 4 zeigt eine Verzerroptik 10, die ein erstes Prisma 40 und ein zweites Prisma 41 aufweist. Die Prismen 40, 41 bilden ein anamorphisches Prismenpaar, das Querschnittsprofil 6.1 wird auf der Achse 42 geweitet, auf der Achse 43 hingegen nicht. Die Prismen 40, 41 sind verkippbar gelagert, durch Änderung der Schrägstellung, also der Winkel 44, 45, lässt sich die Verzerrung (Aufweitung auf der Achse 42) verändern. Damit kann das Querschnittsprofil 6.1 in Abhängigkeit von der X/Y - Position auf der Baufläche 5 mit zunehmendem Einfallswinkel 15 zunehmend verzerrt werden. Figur 5 zeigt eine Verzerroptik 10 mit einer ersten Zylinderlinse 50 und einer zweiten Zylinderlinse 51. Die Zylinderlinsen 50, 51 sind senkrecht zur Zeichenebene translationssymmetrisch aufgebaut. Die Anordnung der Zylinderlinsen 50, 51 ist beidseitig telezentrisch (Objekt- und Bildpunkt im Unendlichen). In der Verzerroptik 5 10 ist die zweite Zylinderlinse 51 versetzbar gelagert, der Abstand zur Brennebene

52 der ersten Zylinderlinse 50 ist veränderbar. Wird die zweite Zylinderlinse 51 in Figur 5 nach links yersetzt, so wird die Verzerrung geringer, das Querschnittsprofil 6.1 wird also auf der Achse 42 weniger stark geweitet. Wird die zweite Zylinderlinse 51 hingegen nach rechts versetzt, nimmt die Verzerrung zu. Damit lässt sich eine io. adaptive, mit zunehmendem Einfallswinkel 15 zunehmende Verzerrung erreichen.

Figur 6 zeigt eine weitere Möglichkeit zum Aufbau einer Verzerroptik 10, wobei das Querschnittsprofil 6.1 mit einer Blende 60 angepasst wird. Die Blende 60 ist mit einer elliptischen, verstellbaren Blendenöffnung 61 vorgesehen. Durch Verstellen der Blendenöffnung 61 kann das Querschnittsprofil 6.1 zwischen einer Kreisform und 15 einer auf der Achse 42 aufgespreizten Ellipse variiert werden.

Der Blende 60 vorgelagert ist eine Sammellinse 62 vorgesehen, die Anordnung stellt einen sogenannten Raumfilter dar. Mit einer Koljimationslinse 63 wird das Strahlenbündel dem Raumfilter 60, 62 nachgelagert wieder kollimiert.

BEZUGSZEICHENLISTE

Vorrichtung 1

Bauteil 2

Werkstoff 3 Werkstoffaufnahme 4

Baufläche 5

Strahl 6

Querschnittsprofi l 6.1

Mittenachse 6.2 Strahlquelle 7

Verkippeinheit 8

Verzerroptik 1 0

Flächennormale 1 1

Fokussi.ereinheit 12 Schutzglas 13

Prozesskammer 14

Einfallswinkel 15

Spot (mittig) 20

Spot (am Rand) 2 1 Spot (kompensiert) 22 Einfallsebene 30 Transversalebene 31 Erstes Prisma 40 Zweites Prisma 41 Achse 42 Achse 43 Winkel 44 Winkel _: 45

Erste Zylinderlinse 50 Zweite Zylinderlinse 51 Brennebene 52 Blende 60

Blendenöffnung 61

Sammellinse 62 Kollimationslinse 63