Bestrahlungsstrategie für eine kühlbare, additiv hergestellte Struktur

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereit stellen von Herstellungsanweisungen, insbesondere Anweisungen für eine selektive Bestrahlung in der additiven Herstellung, sowie ein entsprechendes additives Herstellungsverfahren. Bei dem Verfahren zum Bereitstellen von Herstellungsanweisungen kann es sich um ein rechnerunterstütztes Herstellungsverfah ren (CAM: „Computer-Aided-Manufacturing") handeln.

Weiterhin wird ein additiv hergestelltes bzw. herstellbares Bauteil und ein Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt angegeben.

Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine, wie einer stationären Gasturbine, vorgese hen. Besonders bevorzugt betrifft die Bauteilstruktur eine Komponente einer Brennkammer bzw. ein Resonatorbauteil wie einen Helmholtz-Resonator oder einen Teil davon. Alternativ kann es sich bei dem Bauteil um ein anderes kühlbares oder teilweise poröses Bauteil handeln, beispielsweise eines, das für den Einsatz in der Automobilität oder im Luftfahrtsektor Anwendung findet.

Vorzugsweise ist das Bauteil eine zu kühlende Komponente, beispielsweise kühlbar über eine Fluidkühlung. Dazu weist das Bauteil vorzugsweise eine maßgeschneiderte Durchlässigkeit oder Permeabilität für ein entsprechendes Kühlfluid, bei spielsweise Kühlluft, auf.

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 und thermomechani scher Ermüdung, verbessert.

Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund ihres für die Industrie disruptiven Potenzials zunehmend interes santer auch für die Serienherstellung der oben genannten Tur binenkomponenten .

Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Weitere additive Verfahren sind beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED) "-Verfahren, insbesondere Laserauf tragschweißen, Elektronenstrahl-, oder Plasma-Pulver schweißen, Drahtschweißen, metallischer Pulverspritzguss, so genannte „sheet lamination"-Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS, GDCS).

Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielswei se bekannt aus EP 2601 006 Bl.

Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additive manufac- turing") haben sich weiterhin als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leicht- bau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Ferti gung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt ei nes Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD- Datei und der Wahl entsprechender Fertigungs- und/oder Be strahlungsparameter erfolgen kann.

Eine CAD-Datei oder ein entsprechendes Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt, kann beispielsweise als (flüchtiges oder nicht-flüchtiges) Speichermedium, wie z.B. eine Spei cherkarte, ein USB-Stick, eine CD-ROM oder DVD, oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server und/oder in einem Netzwerk bereitgestellt oder umfasst werden. Die Be- reitstellung kann weiterhin zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entspre chenden Datei mit dem Computerprogramm erfolgen. Ein Compu terprogramm (produkt) kann Programmcode, Maschinencode bzw. numerische Steuerungsanweisungen, wie G-Code und/oder andere ausführbare Programmanweisungen im Allgemeinen beinhalten.

Die Herstellung von Gasturbinenschaufeln mittels der be schriebenen pulverbett-basierten Verfahren („LPBF" englisch für „Laser Powder Bed Fusion") ermöglicht vorteilhaft die Im plementierung von neuen Geometrien, Konzepten, Lösungen und/oder Design, welche die Herstellungskosten bzw. die Auf bau- und Durchlaufzeit reduzieren, den Herstellungsprozess optimieren und beispielsweise eine thermo-mechanische Ausle gung oder Strapaziertähigkeit der Komponenten verbessern kön nen.

Auf konventionelle Art, beispielsweise gusstechnisch, herge stellte Schaufelkomponenten, stehen der additiven Fertigungs route beispielsweise hinsichtlich ihrer Designfreiheit und auch in Bezug auf die erforderliche Durchlaufzeit und den da mit verbundenen hohen Kosten sowie dem fertigungstechnischen Aufwand deutlich nach.

Insbesondere pulverbettbasierte Verfahren, wie selektives La serschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen bieten weiterhin die Möglichkeit, durch Parametereinstellungen oder - Variationen, poröse Strukturen zielgerichtet herzustellen. Bekanntlich stellt der sogenannte Schraffurabstand (englisch: „hatching distance") bei der flächenartigen (selektiven) Be strahlung oder Belichtung einer Pulverschicht durch einen Energiestrahl, wie einen Laser oder Elektronenstrahl, u.a. einen wichtigen Parameter dar, der besonderen Einfluss auf die erhaltene Struktur bzw. Porosität der Schicht bzw. des Bauteils hat.

Durch die Einstellung einer bestimmten Porosität im Material ergibt sich technisch weiterhin eine kontrollierbare Permea- bilität, welche beispielsweise für eine besonders effektive Kühlung der resultierenden Struktur bzw. Komponente genutzt werden kann. Die Durchlässigkeit, Durchströmbarkeit für das Kühlfluid oder die Permeabilität kann weiterhin je nach Auf baurichtung der Struktur und Durchströmungsrichtung, variie ren. Die Permeabilität ist insbesondere stark parameterabhän gig. Neben dem Schraffurabstand können unter Umständen die Bestrahlungsleistung, die Scangeschwindigkeit, der Strahlfo kus als auch die Schichtdicke einen Einfluss auf die erhalte ne Struktur bzw. deren Porosität haben. Insbesondere die La serleistung korreliert stark mit einer Schmelzbadtiefe, also demjenigen Maß, welches die Ausdehnung einer zunächst flüssi gen und dann erstarrenden Struktur während der Pulververfes tigung nach unten in das Pulverbett hinein bezeichnet.

Eine Variation des Schraffurabstandes hat maßgeblichen Ein fluss auf die Durchströmbarkeit oder Porosität einer Struktur entlang seiner Aufbaurichtung, üblicherweise der Vertikalen (z-Richtung). Wird dagegen der Energieeintrag beispielsweise verringert, so bildet sich ein abgeflachtes Schmelzbad, was eine relativ große laterale Porosität zur Folge hat.

Ein additives Herstellungsverfahren und entsprechendes Sys tem, umfassend kreisförmige Bestrahlungspfade ist beispiels weise bekannt aus EP 3406 370 Al.

Das Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objek tes und ein entsprechendes Bauteil mit einer speziell konfek tionierten Porosität ist beispielsweise bekannt aus WO 2014/202352 Al.

Insbesondere bei Gasturbinenkomponenten des Heißgaspfades, bei denen es zu starker mechanischer als auch thermischer Be lastung kommt, kann eine additiv hergestellte poröse Struktur zielgerichtet zur Ausbildung einer vorteilhaften Permeabili tät und damit zu einer kontrollierten und deutlich effizien teren Kühlwirkung genutzt werden. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Einsatzbereich additiver Fertigungstechnologien auf die be schriebenen Bauteile auszuweiten bzw. Material- bzw. Herstel lungscharakteristiken additiver Technologien gezielt für strukturelle Vorteile und Designoptimierung der Bauteile zu nutzen. Damit können nicht nur die konventionell bekannten Vorteile der additiven Technologien vorteilhaft genutzt wer den. Entgegen der gängigen Ansicht in der Fachwelt, wonach die additiv erzielte Struktur schwächer und noch nicht ver gleichbar mit derjenigen, konventionell hergestellter Bautei le ist, kann vorliegend sogar eine verbesserte Struktur re produzierbar erzielt werden.

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 Verfahren zum Bereitstellen von Herstellungsanweisungen für die pulver bettbasierte additive Herstellung eines Bauteils. Vorzugswei se betreffen die Herstellungsanweisungen die Prozessvorberei tung des eigentlichen Herstellungsprozesses, insbesondere Mittel des sogenannten „Computer-Aided-Manufacturing" (CAM).

Das Verfahren umfasst das Bereitstellen von ersten Bestrah lungsvektoren für eine additiv herzustellende Schicht, welche bei einer entsprechenden Bestrahlung durch einen Energie strahl, insbesondere einen Laser oder Elektronenstrahl, eine (zumindest teilweise) poröse Struktur der Schicht entlang des entsprechenden Vektors oder Pfades hervorruft. Die genannten Bestrahlungsvektoren sind vorzugsweise gleich oder gleichar tig gewählt und können ein erstes Bestrahlungsmuster bilden.

Vorzugsweise stellen die genannten Bestrahlungsvektoren soge nannte Schraffurvektoren dar. Alternativ kann es sich um Kon turvektoren handeln. Die genannte additiv herzustellende Schicht betrifft vorzugs weise eine zuvor standardmäßig präparierte Rohmaterialschicht aus Pulver, deren selektive Bestrahlung zum Ausbilden eines Teils eines Bauteilquerschnitts führt.

Das Verfahren umfasst weiterhin das Bereitstellen der genann ten oder gleichartigen ersten Bestrahlungsvektoren für eine, auf die Schicht folgende, (nächste) additiv herzustellende Schicht derart, dass Pfade einer porösen Struktur der Schicht und der folgenden Schicht in Schichtebene zumindest teilweise oder leicht überlappen, um eine Durchströmung des (fertig) hergestellten Bauteils entlang oder angewinkelt zu seiner Aufbaurichtung zu ermöglichen.

Bei der genannten (auf die erstgenannte Schicht) folgenden oder nächsten Schicht handelt es sich vorzugsweise um eine unmittelbar folgende Schicht.

Die genannten Pfade sollen den Verlauf der Bestrahlungsvekto ren zur Herstellung der porösen Struktur in zumindest einigen Bereichen des Bauteils bezeichnen. Mit anderen Worten kann das Bauteil durch eine entsprechende Wahl der Bestrahlungs vektoren oder Pfade, von porösen Strukturverläufen durchzogen sein.

Durch die beschriebenen Mittel kann vorteilhafterweise eine permeable oder durchströmbare Bauteilstruktur entlang und auch schräg zu einer Aufbaurichtung des Bauteils (vgl. verti kale Z-Richtung) hergestellt werden. Bereits während der Pro zessvorbereitung können auf diese Weise Bauteileigenschaften festgelegt werden, welche eine nachträgliche Durchströmung des Bauteils zur effizienten Kühlung während seines bestim mungsgemäßen Betriebs erlauben. Durch die so gewonnenen Frei heitsgrade kann die Kühlwirkung des gesamten Bauteils maßgeb lich erhöht und dessen thermischer Anwendungsbereich eben falls erweitert werden. Dies erlaubt bei Turbinenbauteilen weiterhin den Einsatz höherer Verbrennungstemperaturen und eine höhere Energieeffizienz der gesamten Strömungsmaschine. In einer Ausgestaltung ist oder umfasst das Verfahren ein CAM Verfahren.

In einer Ausgestaltung überlappen Bestrahlungsvektoren der Schicht und der folgenden Schicht in der Schichtebene um ein Maß, dass kleiner ist als eine laterale Ausdehnung der Pfade. Dadurch kann besonders vorteilhaft eine für eine Kühlwirkung hinreichende Permeabilität eines diagonal oder leicht schräg verlaufenden Pfades im Bauteil erreicht werden.

In einer Ausgestaltung überlappen Bestrahlungsvektoren der Schicht und der folgenden Schicht in der Schichtebene voll ständig. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil ein mög lichst steiler, paralleler Verlauf eines Fluidpfades entlang der Aufbaurichtung des Bauteils, beispielsweise seiner Längs richtung, realisiert werden.

In einer Ausgestaltung werden die ersten Bestrahlungsvektoren der folgenden Schicht relativ zu den ersten Bestrahlungsvek toren der (vorherigen) Schicht, vorzugsweise linear oder translatorisch, versetzt.

Unter der Prämisse, dass die Bereitstellung der Vektoren oder anderer Herstellungsparameter bereits prozessvorbereitend durchgeführt wird, können auch die entsprechenden ersten Be strahlungsvektoren der Schicht relativ zu der folgenden Schicht versetzt werden. Ein derartiger Versatz kann indivi duell gemäß den Designanforderungen des Bauteils und einer thermischen Belastungssituation angepasst und konfektioniert werden, und erlaubt vorteilhafterweise eine maßgeschneiderte Kühlung, sogar von einzelnen Bereichen des Bauteils.

In einer Ausgestaltung werden die ersten Bestrahlungsvektoren der folgenden Schicht relativ zu den ersten Bestrahlungsvek toren der (vorherigen) Schicht verdreht oder rotiert. Dies ist insbesondere bei rotationssymmetrischen oder zylinderar- tigen Bauteilen zweckmäßig und/oder vorteilhaft bei der Wahl eines gebogenen oder kreisförmigen Bestrahlungsverlaufs.

In einer Ausgestaltung wird eine Bestrahlungsleistung oder eine Strahlungsleistungsdichte der ersten Bestrahlungsvekto ren - z. B. relativ zu einem Standard-Parametersatz zur Aus bildung einer Vollmaterialstruktur - verringert. Durch diese Maßnahmen kann besonders vorteilhaft eine poröse Struktur der Schicht oder eines entsprechenden Bauteilquerschnitt hervor gerufen, generiert oder provoziert werden.

In einer Ausgestaltung wird eine Bestrahlungsgeschwindigkeit der ersten Bestrahlungsvektoren relativ zu Standardparametern zur Ausbildung einer Vollmaterialstruktur erhöht. Durch diese Maßnahme kann ebenfalls besonders vorteilhaft eine poröse Struktur der Schicht oder eines entsprechenden Bauteilquer schnitts des Bauteils hervorgerufen werden.

In einer Ausgestaltung werden zweite Bestrahlungsvektoren für eine Bestrahlung der additiv herzustellende Schicht und/oder in der additiv herzustellenden folgenden Schicht bereitge stellt, welche eine dichte Struktur der entsprechenden Schicht oder des entsprechenden Bauteilbereichs hervorrufen. Eine dichte Struktur soll vorliegend vorzugsweise eine weit gehend porenfreie Struktur, insbesondere ein Vollmaterial, bezeichnen. Vorteilhafterweise ist das Bauteil durch die die se Ausgestaltung mit einer ausreichenden mechanischen Stabi lität oder entsprechend gerade nicht permeablen Strukturei genschaften zu versehen.

In einer Ausgestaltung stellen die ersten Bestrahlungsvekto ren eine Mehrzahl von parallelen Bestrahlungsvektoren einer (jeden) Schicht für das Bauteil dar, welche gemäß den Design anforderungen gerade mit porösen Eigenschaften ausgestattet werden sollen.

In einer Ausgestaltung stellen die ersten Bestrahlungsvekto ren eine Mehrzahl von radial oder radialsymmetrisch verlau- fenden Bestrahlungsvektoren einer entsprechenden Bauteil schicht dar, wobei die ersten Bestrahlungsvektoren der fol genden Schicht relativ zu den ersten Bestrahlungsvektoren der Schicht, insbesondere verdreht oder rotiert werden.

In einer Ausgestaltung werden weitere Bestrahlungsvektoren bereitgestellt und/oder angewendet, welche eine Mehrzahl von, insbesondere weitgehend, konzentrischen Bestrahlungsvektoren einer entsprechenden Schicht für das Bauteil darstellen, und wobei die weiteren Bestrahlungsvektoren eine zumindest teil weise poröse Struktur hervorrufen. Relativ zu den ersten Be strahlungsvektoren, können für die weiteren Bestrahlungsvek toren vorzugsweise andere Bestrahlungsparameter gewählt wer den, welche aber dennoch ebenfalls zur Ausbildung einer porö sen Struktur zweckmäßig geeignet sind. Durch diese Ausgestal tung kann die Struktur des Bauteils in bestimmten Bereichen weiter variiert und dementsprechend an eine entsprechende thermomechanische Belastungssituation angepasst werden.

In einer Ausgestaltung werden die weiteren Bestrahlungsvekto ren für die genannte Schicht und die folgende Schicht bereit gestellt, wobei die weiteren Bestrahlungsvektoren der folgen den Schicht relativ zu den weiteren Bestrahlungsvektoren der Schicht radial versetzt werden. Durch diese Ausgestaltung kann die Strukturvarianz oder Freiheitsgrade seiner Permeabi- litätseigenschaften des Bauteils weiterhin vorteilhafterweise erhöht werden.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung des Bauteils durch selek tives Laserschmelzen, selektives Lasersintern oder Elektro nenstrahlschmelzen .

In einer Ausgestaltung werden die Herstellungsanweisungen für die additiv herzustellende Schicht in einem ersten Bauteilbe reich des Bauteils festgelegt, und wobei in einem zweiten, von dem ersten Bauteilbereich verschiedenen Bauteilbereich, weitere Herstellungsanweisungen definiert, welche von den ge nannten Herstellungsanweisungen verschieden sind.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil, welches - wie oben beschrieben - herstellbar oder hergestellt ist, wobei das Bauteil eine zu kühlende Komponen te des Heißgaspfades einer Strömungsmaschine ist, wie eine Turbinenschaufel, eine Hitzeschildkomponente einer Brennkam mer und/oder ein Resonatorbauteil.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt, umfassend die Herstellungsanweisungen, wie oben beschrieben, wobei das Com puterprogrammprodukt bei der Ausführung eines entsprechenden Programms durch einen Computer, beispielsweise zur Ansteue rung und/oder Programmierung eines Build-Prozessors und oder eine Bestrahlungsvorrichtung einer additiven Herstellungsan lage, diese Mittel veranlassen, das Herstellen des Bauteils wie oben beschrieben durchzuführen.

Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorlie gend auf das Verfahren zum Bereitstellen von Herstellungsan weisungen bzw. das Computerprogrammprodukt beziehen, können ferner das additive Herstellungsverfahren oder das Bauteil direkt oder eine dieses aufweisende Anwendung, wie ein Strö mungsmaschine betreffen, und umgekehrt.

Der hier verwendete Ausdruck „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 verwendet werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.

Figur 1 deutet anhand einer schematischen Darstellung ein pulverbettbasiertes additives Herstellungsverfahren an. Figur 2 deutet eine schematische perspektivische Ansicht von Verläufen einer Kühlfluidströmung in einem Bauteil an sowie einzelne zu verfestigende Schichten desselben.

Figur 3 zeigt eine schematische Aufsicht von Bestrahlungsvek toren für eine additiv herzustellende Schicht.

Figur 4 zeigt eine schematische Aufsicht von Bestrahlungsvek toren für eine folgende additiv herzustellende Schicht.

Figur 5 deutet links - ähnlich zur Figur 2 - eine schemati sche Seiten- oder Schnittansicht (XZ-Ebene) von Strömungsver läufen in einem Bauteil an. Im rechten Teil der Darstellung ist ein Schichtverlauf und ein Versatz von Bestrahlungspfaden angedeutet.

Figur 6 deutet analog zur Figur 5 eine schematische Seiten oder Schnittansicht (YZ-Ebene) von Strömungsverläufen in ei nem Bauteil an.

Figur 7 zeigt eine schematische Aufsicht von radial verlau fenden Bestrahlungsvektoren.

Figur 8 zeigt eine schematische Aufsicht von radial und kon zentrisch verlaufenden Bestrahlungsvektoren.

Figur 9 zeigt ähnlich zu Figur 8 eine schematische Aufsicht von Bestrahlungsvektoren für eine additiv herzustellende Schicht.

Figur 10 zeigt eine schematische Aufsicht von Bestrahlungs vektoren für eine auf die genannte Schicht folgende additiv herzustellende Schicht.

Figur 11 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht ei nes rotationssymmetrischen Bauteilabschnitts mit zum Teil längs und umfänglich verlaufenden Strömungspfaden. Figur 12 und 13 deuten ähnlich zu den Figuren 9 und 10 einen radialen Versatz von konzentrisch verlaufenden Bestrahlungs verläufen von aufeinander folgenden additiv herzustellenden Schichten an.

Figur 14 zeigt analog zur Figur 11 eine entsprechende per spektivische Ansicht eines Bauteilabschnitts gemäß den Figu ren 12 und 13.

Figur 15 deutet einen Radialschnitt des Bauteil gemäß der in den Figuren 12 bis 14 gezeigten Aufführung an.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende 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 deutet anhand einer vereinfacht dargestellten Her stellungsanlage 100 Schritte eines additiven Herstellungspro zesses eines Bauteils 10 an.

Die Herstellungsanlage 100 ist vorzugsweise als LPBF-Anlage und für den additiven Aufbau von Bauteilen oder Komponenten aus einem Pulverbett, insbesondere für selektives Laser schmelzen, ausgestaltet. Die Anlage 100 kann im Speziellen auch eine Anlage zum selektiven Lasersintern oder Elektronen strahlschmelzen betreffen. Entsprechend weist die Anlage eine Bauplattform 1 auf. Auf der Bauplattform 1 wird ein additiv herzustellendes Bauteil 10 schichtweise aus einem Pulverbett hergestellt. Letzteres wird durch ein Pulver P gebildet, wel ches durch eine Beschichtungseinrichtung 3 schichtweise auf der Bauplattform 1 verteilt werden kann. Nach dem Aufträgen einer jeden Schicht L aus Pulver P mit ei ner Schichtdicke werden gemäß der vorgegebenen Geometrie des Bauteils 10 selektiv Bereiche der Schicht L mit einem Ener giestrahl 5, beispielsweise einem Laser oder Elektronen strahl, von einer Bestrahlungseinrichtung 2 aufgeschmolzen und anschließend verfestigt.

Für die Bestrahlung der Pulverschichten L mit einem Energie strahl 5 weist die Anlage 100 vorzugsweise eine Bestrahlungs vorrichtung 2 auf.

Nach jeder Schicht L wird die Bauplattform 1 vorzugsweise um ein der Schichtdicke L entsprechendes Maß abgesenkt (verglei che nach unten gerichteter Pfeil in Figur 1). Die Dicke L be trägt üblicherweise lediglich zwischen 20 und 40 gm, so dass der gesamte Prozess leicht eine Anzahl von Tausenden bis hin zu mehreren Zehntausend Schichten erfordert.

Die Geometrie des Bauteils 10 wird üblicherweise durch eine CAD-Datei („Computer-Aided-Design") festgelegt. Nach dem Ein lesen einer solchen Datei in die Herstellungsanlage 100 er fordert der Prozess anschließend zunächst die Festlegung ei ner geeigneten Bestrahlungsstrategie beispielsweise durch Mittel des CAM („Computer-Aided-Manufacturing"), wodurch auch ein Aufteilen der Bauteilgeometrie in die einzelnen Schichten erfolgt. Dies kann durch einen entsprechenden Build-Prozessor 4 über ein Computerprogramm durchgeführt oder umgesetzt wer den.

Das Bauteil 10 ist vorzugsweise eine kühlbare und im Betrieb zu kühlende Komponente des Heißgaspfades einer Strömungsma schine, wie eine Turbinenschaufel, Hitzeschildkomponente ei ner Brennkammer und/oder eine Resonatorkomponente, beispiels weise ein Helmholtz-Resonator.

Alternativ kann es sich bei dem Bauteil 10 um ein Ringseg ment, ein Brennerteil oder eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, eine Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Stempel oder ei nen Wirbler handeln, oder einen entsprechenden Übergang, Ein satz, oder ein entsprechendes Nachrüstteil.

Um Herstellungsanweisungen für den Aufbau des Bauteils (siehe weiter unten), beispielsweise ausgehend von einer vorgegebe nen CAD-Geometrie des Bauteils umzusetzen oder zu prozessie ren, wird der genannte Build-Prozessor 4 oder eine entspre chende Schaltung vorgesehen, welche beispielsweise mit ent sprechenden CAM-Informationen oder Herstellungsanweisungen programmiert werden kann und/oder die Bestrahlungsvorrichtung 2 entsprechend veranlassen kann, das Bauteil gemäß den weiter unten beschriebenen Herstellungsanweisungen schichtweise auf zubauen. Die Build-Prozessorschaltung 4 fungiert vorzugsweise als Schnittstelle zwischen der den eigentlichen Aufbauprozess vorbereitenden Software und der entsprechenden Hardware der Herstellungsanlage 100. Der Build-Prozessor kann dazu bei spielsweise eingerichtet sein, ein Computerprogramm (vgl. Computerprogrammprodukt CPP) mit entsprechenden Herstellungs anweisungen, auszuführen.

Verfahren zum Bereitstellen von Herstellungsanweisungen für die pulverbettbasierte additive Herstellung des Bauteils 10, umfassen erfindungsgemäß das Bereitstellen von ersten Be strahlungsvektoren VI für eine additiv herzustellende Schicht n (vgl. Figuren weiter unten), welche bei einer entsprechen den Bestrahlung durch den Energiestrahl 5, eine poröse Struk tur der Schicht n hervorrufen. Weiterhin umfasst das Verfah ren das Bereitstellen der ersten Bestrahlungsvektoren VI, für eine, auf die Schicht n folgende, additiv herzustellende Schicht n+1 derart, dass Pfade 11 einer porösen Struktur 12 der Schicht n und der folgenden Schicht n+1 in einer Schicht ebene zumindest teilweise überlappen, um eine Durchströmung des hergestellten Bauteils entlang und/oder schräg seiner Aufbaurichtung Z zu ermöglichen.

Figur 2 deutet in der perspektivischen Ansicht ein Bauteil bzw. einen Bauteilabschnitt an, welcher schichtweise additiv aufgebaut werden kann. Die gestrichelten Linien unterscheiden einzelne Bauteilschichten. Durch die mit dem Bezugszeichen F bezeichneten diagonal bzw. schräg verlaufenden Pfeile soll eine entsprechende Strömungsrichtung angedeutet sein, gemäß der der Bauteilabschnitt, im bestimmungsgemäßen Betrieb zweckmäßig von einem Kühlfluid zur Kühlung durchströmt werden kann.

Gemäß der Darstellung verläuft die Strömungsrichtung F zumin dest teilweise in der XZ-Ebene und leicht geneigt zur Aufbau richtung Z. Um solch eine Durchströmbarkeit oder Permeabili tät des Bauteils zu gewährleisten, muss im Vorfeld bereits eine erfindungsgemäße Scan- oder Bestrahlungsstrategie defi niert werden.

Insbesondere kann eine solche Funktonalität mit diagonal oder schräg zur Aufbaurichtung Z verlaufender Porosität oder Durchlässigkeit nicht mehr durch schichtweise gleichartige oder gleichartig angeordnete Bestrahlungsparameter erzielt werden, sondern es bedarf vorzugsweise eines Versatzes von Bestrahlungsvektoren mit entsprechend gewählten oder variier ten Bestrahlungsparametern.

Zur Erzielung einer porösen Struktur in den beschriebenen Kühlverläufen oder Kanälen kann beispielsweise eine Bestrah lungsleistung P der ersten Bestrahlungsvektoren VI verringert und/oder eine Bestrahlungsgeschwindigkeit v dieser relativ zu Standardparametern zur Ausbildung einer Vollmaterialstruktur, erhöht werden. Dies ist in Figur 3 und den folgenden Figuren angedeutet.

Figur 3 zeigt die ersten Bestrahlungsvektoren VI (vertikal), welche die funktionale Porosität hervorrufen. Diese sind le diglich beispielhaft rasterartig angeordnet. Gemäß der Dar stellung der Figur 3 umfassen die ersten Bestrahlungsvektoren VI eine Mehrzahl von parallelen Bestrahlungsvektoren einer gegebenen Schicht n für das Bauteil 10. Die Schicht n kann eine beliebige Schicht im Schichtaufbau des Bauteils bedeu ten.

Zudem können zweite Bestrahlungsvektoren V2 für eine Bestrah lung der additiv herzustellenden Schicht n und/oder in der additiv herzustellenden folgenden Schicht n+1 (vgl. Figur 4 weiter unten) bereitgestellt werden, welche eine dichte Struktur der entsprechenden Schicht hervorrufen, insbesondere ein Vollmaterial. Dies ist Figur 3 durch den Hintergrund an gedeutet. Eine solche dichte Struktur ist üblicherweise aus Stabilitätsgründen bzw. für die Formfestigkeit des Bauteils 10 zweckmäßig.

Weiterhin können raster- oder gitterartig weitere, dritte, Bestrahlungsvektoren V3 (horizontal) vorgesehen werden. Diese Vektoren V3 können ebenfalls eine poröse Struktur in dem Bau teilabschnitt, beispielsweise eine andersartige poröse Struk tur mit einer anders bemessenen Porosität, der entsprechenden Schicht hervorrufen.

Eine Bestrahlung gemäß den ersten Bestrahlungsvektoren VI und den weiteren Bestrahlungsvektoren V3 kann beispielweise je weils eine Porosität von zwischen 5 % und 40 % betragen, vor zugsweise von etwa 20 %.

Figur 4 zeigt - analog zur Figur 3 - schematisch eine Auf sicht auf eine auf die in Figur 3 gezeigte folgende Bauteil schicht n+1, bzw. eine entsprechende Rohpulverschicht. Anhand der Anordnung der ersten Bestrahlungsvektoren VI erkennt man relativ zur Schicht n einen linearen Versatz dieser Bestrah lungsvektoren (vgl. Figur 5).

Dieser Versatz erlaubt die Ausbildung der in Figur 5 darge stellten Permeabiltätsverläufe schräg zur Aufbaurichtung (vgl. auch Figur 2). Figur 5 zeigt im linken Teil der Dar stellung eine Seitenansicht des Bauteilabschnitts in XZ-Ebene mit diagonal verlaufenden Pfaden 11 in der Struktur des Bau teils, welche einen Kühl- oder Strömungspfad andeuten sollen. Im rechten Teil der Darstellung der Figur 5 ist die Situation vergrößert für drei aufeinanderfolgende Schichten n, n+1 und n+2 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die durch die ers ten Bestrahlungsvektoren VI im Wege des additiven Herstel lungsprozesses verfestigten Strukturpfade 11 schichtweise um das Maß d versetzt wird, um den diagonalen bzw. schrägen Ver lauf herzustellen.

Mit anderen Worten beruht die vorgestellte Scanstrategie auf einer Verschiebung der Bestrahlungsvektoren in eine Vorzugs richtung, um die Ausbildung der zu durchströmenden Kavitäten oder Strömungspfade zu begünstigen. Soll beispielsweise eine Strömung, wie im gezeigten Beispiel, in einem Winkel von mehr oder weniger als 90° relativ zur XY- oder Schichtebene, d.h. zumindest teilweise entlang der Z Richtung entstehen, so wird ein Vektor VI in der Schicht n+1 um den Betrag d translato risch entlang der positiven X- oder Y-Richtung verschoben.

Der Betrag d bestimmt dabei den gewünschten Winkel, den der Verlauf der Strömungspfade zur Aufbaurichtung Z bilden soll.

Alternativ zu dieser Anordnung kann auch komplett auf einen Versatz verzichtet werden, um einen genau vertikalen Verlauf der Pfade 11 zu erzielen (nicht explizit gekennzeichnet).

Figur 6 deutet analog zur Figur 5 eine Situation in der ande ren lateralen Richtung, der Y-Richtung, relativ zur Aufbau richtung Z an.

Links ist wieder eine Seitenansicht des Bauteilabschnitts in YZ Ebene mit diagonal verlaufenden Pfaden 11 in der Struktur des Bauteils gezeigt, welche eine Durchströmung andeuten sol len.

Im rechten Teil der Darstellung in Figur 6 ist die Situation wieder im Schichtquerschnitt angedeutet. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit ist hier ein zur Darstellung der Figur 5 ähnlicher Versatz d angedeutet, so dass sich für das Bauteil 10 insgesamt ein gleichmäßiger diagonal schräger Verlauf der Pfade 11 ergibt.

Figur 7 zeigt eine Aufsicht auf eine kreisförmige Herstel lungsfläche bzw. einen runden Schichtbereich. Eine Radial richtung ist ausgehend von einem zentralen Bereich mit einem Pfeil und dem Bezugszeichen R gekennzeichnet. Entlang von R sind - vorliegend lediglich beispielhaft radialsymmetrisch angeordnet - erste Bestrahlungsvektoren VI eines entsprechen den Bestrahlungsmusters angeordnet bzw. bereitgestellt, um eine poröse Schichtstruktur zu bilden. Diese erlaubt nach der Herstellung vorteilhafterweise wieder eine radial Durchströ mung mit einem Fluid F, und eine entsprechend erzielbare Küh lung im Bauteil.

Die genannten ersten Bestrahlungsvektoren VI verlaufen gleichmäßig im Abstand eines Polarwinkels. Dieser Winkelab stand kann - anders als dargestellt - natürlich auch zwischen einzelnen Vektoren VI variieren.

Weiterhin sind zweite Bestrahlungsvektoren - zur Ausbildung einer dichten Materialstruktur der Schicht - bezeichnet. Die se Vektoren V2 bedeuten die restliche Schichtstruktur und sind - der Übersichtlichkeit halber - ohne einzelne Bestrah lungspfade dargestellt.

Insbesondere bei rotationssymmetrischen Bauteilen oder Struk turen können Scanvektoren gemäß der Figur 7 bereitgestellt werden.

Zusätzlich dazu sind in Figur 8 eine Mehrzahl von weiteren, konzentrisch angeordneten Bestrahlungsvektoren V3 angedeutet, welche ebenfalls eine zumindest teilweise poröse Struktur ei ner der Schichten hervorrufen. Dies, um beispielsweise eine Kühlwirkung auch in Umfangsrichtung hervorrufen zu können, wenn das Bauteil im Betrieb entsprechend durchströmt und ge kühlt werden soll. In Figur 8 sind die genannten radial verlaufenden Bestrah lungsvektoren VI durch konzentrisch verlaufende Bahnen oder Verläufe V3 ergänzt, die durch einen radialen Abstand vonei nander entfernt verlaufen und sowohl einen geschlossenen als auch einen unterbrochenen Verlauf bilden können. Dies gilt für die anderen beschriebenen Bestrahlungsvektoren gleicher maßen. Die Durchlässigkeit für ein Kühlfluid F kann bei spielsweise durch das Auslassen von Schichten, sowie das He rabsetzen ihrer eingebrachten Energie erreicht werden. Es können z.B. auch gezielt offene Stellen vorgesehen werden, welche eine entsprechende Permeabilität erlauben.

Für andere Anwendungen kann demgegenüber - beispielsweise sektorweise - eine undurchlässige „Wand" vorgesehen sein, wenn das Bauteil 10 oder der entsprechende Bauteilbereich beispielsweise lediglich in Z-Richtung gekühlt werden soll.

Wird nun eine Anpassung oder Versetzung der Vektoren von Schicht zu Schicht vorgenommen, ähnlich der oben beschriebe nen Ausführungsformen, kann ebenfalls eine dreidimensionale Durchströmung ermöglicht werden. Dies ist in den folgenden Figuren angedeutet.

Figur 9 zeigt für eine gegebene Schicht n ein bereits anhand der Figur 8 beschriebenes Bestrahlungsmuster, umfassend die ersten, zweiten und weiteren, dritten, Bestrahlungsvektoren VI, V2 und V3.

Figur 10 zeigt die Situation wieder für eine - vorzugsweise unmittelbar - folgende Schicht n+1. Es ist zu erkennen, dass die ersten Bestrahlungsvektoren VI der folgenden Schicht n+1 relativ zu den ersten Bestrahlungsvektoren VI der Schicht n um einen kleinen Winkel Df im Uhrzeigersinn verdreht wurden. Durch diese Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung lässt sich die Durchströmbarkeit und Kühlwirkung ebenfalls auf vor teilhafte Weise maßschneidern und lokal entscheidend verbes- sern. Figur 11 zeigt eine perspektivische Schema-Ansicht einer zy lindrischen oder annähernd rotationssymmetrischen Bauteil struktur, welche gemäß einem Bestrahlungsmusters gemäß den Figuren 9 und 10 herstellbar ist. Dabei wurden schichtweise jeweils die erste Bestrahlungsvektoren VI verdreht oder rota torisch versetzt, sodass die gezeigten, relativ zur Aufbau richtung Z schräg verlaufenden Pfade 11 des Bauteils 10 her gestellt werden können. Gemäß der Darstellung der Figur 11, ist die Verdrehung entgegen dem Uhrzeigersinn dargestellt.

Die Figuren 12 bis 14 deuten überdies an, dass neben der Ver drehung der strömungsaktiven Pfade (vgl. VI) im Bauteil 10 auch eine Strudelwirkung (vgl. Bestrahlungsvektoren V3) oder wirbelartige Durchströmung und Kühlung erzielt werden kann. Dazu können die konzentrischen Bahnen schichtweise beispiels weise mit einem radialen Versatz (vgl. Ar) versehen werden, und somit über das gesamte Bauteil eine entsprechend verbes serte Durchströmung und Kühlung angegeben werden. Dies ist insbesondere in Figur 13 für die Schicht n+1 dargestellt.

Auch kann der radiale Versatz ohne einen polaren Versatz vor gesehen werden, und umgekehrt.

Figur 14 zeigt eine perspektivische schematische Ansicht des Bauteils 10 mit sowohl einem radialen als auch einem polaren Versatz von porositätsstiftenden Bestrahlungsvektoren VI und V3.

Durch solch eine Scan- oder Bestrahlungsstrategie könnte bei spielsweise ein Schmiermittel einem Bauteilbereich oder einem Lager in Z-Richtung zugeführt werden, und sich dann sowohl umfangsseitig als auch über die Länge und den Radius des La gers gleichmäßig auf eine Welle zu übertragen.

Ein Radial- bzw. Längsschnitt der Struktur aus Figur 14 ist in Figur 15 dargestellt, wo insbesondere die konzentrischen und längs verlaufenden Strömungspfade - durch den schichtwei- sen radialen Versatz (vgl. Figuren 12 und 13) leicht schräg zur Z-Richtung angestellt angeordnet sind.

Die vorgestellten Bestrahlungsstrategien erlauben vorteilhaf- terweise eine Konfektionierung von Kühlungs- oder Wärmeaus- tragseigenschaften von thermisch hoch belasteten Bauteilen im Allgemeinen. Die thermischen Eigenschaften können mit den vorgestellten Lösungen selbstverständlich ebenfalls nur auf lokale oder einzelne Bereiche der Komponente angepasst und verbessert werden.