Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren und eine Schichtbauvorrichtung zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogrammprodukt, ein computerlesbares Speichermedium und ein Bauteil mit wenigs- tens einem additiv hergestellten Bauteilbereich.

Additive Schichtbauverfahren bezeichnen Prozesse, bei denen anhand eines virtuellen Modells eines herzustellenden Bauteils oder Bauteilbereichs Geometriedaten ermittelt werden, welche in Schichtdaten zerlegt werden (sog.„slicen“). Abhängig von der Geometrie des Modells wird eine Belichtungs- bzw. Bestrahlungsstrategie bestimmt, gemäß welcher die selektive Verfestigung ei- nes Werkstoffs erfolgen soll. Beim Schichtbauverfahren wird dann der gewünschte Werkstoff schichtweise abgelagert und selektiv mittels des wenigstens einen Energiestrahls abgetastet und verfestigt, um den gewünschten Bauteilbereich additiv aufzubauen. Verschiedene Bestrahlungs- parameter wie beispielsweise die Energiestrahlleistung und die Belichtungsgeschwindigkeit ei- nes zum Verfestigen zu verwendenden Energiestrahls sind für die entstehende Gefügestruktur von Bedeutung. Zusätzlich ist auch die Anordnung von sogenannten Scanlinien von Bedeutung. Die Scanlinien, welche auch als Schmelzspuren oder als Belichtungsvektoren bezeichnet werden können, definieren die Strecken, entlang welchen der wenigstens eine Energiestrahl den Werk- stoff abtastet und aufschmilzt und können generell linear oder nicht-linear verlaufen. Damit un- terscheiden sich additive bzw. generative Herstellungsverfahren von konventionellen abtragen- den oder urformenden Fertigungsmethoden. Beispiele für additive Herstellungsverfahren sind generative Lasersinter- bzw. Laserschmelzverfahren, die beispielsweise zur Herstellung von Bauteilen für Strömungsmaschinen wie Flugtriebwerke verwendet werden können. Beim selek- tiven Laserschmelzen werden dünne Pulverschichten des oder der verwendeten Werkstoffe auf eine Bauplattform aufgebracht und mit Hilfe eines oder mehrerer Laserstrahlen lokal im Bereich einer Aufbau- und Fügezone aufgeschmolzen und verfestigt. Anschließend wird die Bauplatt- form abgesenkt, eine weitere Pulverschicht aufgebracht und erneut lokal verfestigt. Dieser Zyk- lus wird solange wiederholt, bis das fertige Bauteil bzw. der fertige Bauteilbereich erhalten wird. Das Bauteil kann anschließend bei Bedarf weiterbearbeitet oder ohne weitere Bearbeitungs- schritte verwendet werden. Beim selektiven Lasersintern wird das Bauteil in ähnlicher Weise durch laserunterstütztes Sintern von pulverförmigen Werkstoffen hergestellt. Die Zufuhr der Energie erfolgt hierbei beispielsweise durch Laserstrahlen eines CO ₂ -Lasers, Nd:YAG-Lasers, Yb-Faserlasers, Diodenlasers oder dergleichen. Ebenfalls bekannt sind Elektronenstrahlverfah- ren, bei welchen der Werkstoff durch einen oder mehrere Elektronenstrahlen selektiv abgetastet und verfestigt wird.

Als nachteilig an den bekannten Schichtbauverfahren ist der Umstand anzusehen, dass damit hergestellte Bauteile häufig eine vergleichsweise hohe Gefügeanisotropie aufweisen, die zu rich- tungsabhängig unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften führt. Dies führt zu verringerten Festigkeiten und Steifigkeiten, die bei der Bauteilauslegung berücksichtigt und kompensiert werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schichtbauverfahren und eine Schichtbauvorrich- tung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass eine Herstellung von Bauteilen oder Bauteilbereichen mit gleichmäßigeren mechanischen Eigenschaften in alle Richtungen ermög- licht ist. Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, ein Computerprogrammprodukt und ein computerlesbares Speichermedium anzugeben, welche eine entsprechende Steuerung einer solchen Schichtbauvorrichtung ermöglichen. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, ein Bau- teil mit wenigstens einem additiv hergestellten Bauteilbereich mit gleichmäßigeren mechani- schen Eigenschaften in alle Richtungen anzugeben.

Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Schichtbauverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , durch eine Schichtbauvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9, durch ein Computerprogrammprodukt gemäß Patentanspruch 1 1, durch ein computerlesbares Speichermedium gemäß Patentanspruch 12 sowie durch ein Bauteil gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfin- dungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen zu- mindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsma- schine. Das Schichtbauverfahren umfasst zumindest die Schritte a) Aufträgen von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens ei- ner bewegbaren Bauplattform, b) lokales Verfestigen des Werkstoffs zum Ausbilden einer Bau- teilschicht, indem der Werkstoff mit wenigstens einem Energiestrahl entlang von Scanlinien se- lektiv abgetastet und aufgeschmolzen wird, c) Schichtweises Absenken der Bauplattform um ei- ne vordefinierte Schichtdicke und d) Wiederholen der Schritte a) bis c) bis zur Fertigstellung des Bauteilbereichs. Ein Bauteil bzw. Bauteilbereich mit gleichmäßigeren mechanischen Eigenschaf- ten in alle Richtungen, das heißt mit einem isotropen oder zumindest weitgehend isotropen Ge- füge, wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass in Schritt b) ein Abstand h _s von wenigstens zwei Mittellinien einander benachbarter Scanlinien in wenigstens einer Bauteilschicht gemäß der Formel I

0,85 £ b _smin /h _s £ 1 ,00 (I)

eingestellt wird, wobei b _smin eine minimale Schmelzbadbreite der Scanlinien bezeichnet. Mit an- deren Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass für ein möglichst bindefehlerfreies Bau- teil mit gleichmäßigeren Eigenschaften in alle Richtungen und einem hochfeinen Gefüge zur Festigkeitssteigerung der Abstand zwischen den Mittellinien zumindest zweier Scanlinien, die in der Bauteilschicht unmittelbar nebeneinander liegen, derart eingestellt wird, dass der Quotient b _smin /h _s 0,85, 0,85 1 , 0,852, 0,853, 0,854, 0,855, 0,856, 0,857, 0,858, 0,859, 0,860, 0,861, 0,862,

0,863, 0,864, 0,865, 0,866, 0,867, 0,868, 0,869, 0,870, 0,871 , 0,872, 0,873, 0,874, 0,875, 0,876, 0,877, 0,878, 0,879, 0,880, 0,881 , 0,882, 0,883, 0,884, 0,885, 0,886, 0,887, 0,888, 0,889, 0,890, 0,891 , 0,892, 0,893, 0,894, 0,895, 0,896, 0,897, 0,898, 0,899, 0,900, 0,901, 0,902, 0,903, 0,904,

0,905, 0,906, 0,907, 0,908, 0,909, 0,910, 0,91 1, 0,912, 0,913, 0,914, 0,915, 0,916, 0,917, 0,918,

0,919, 0,920, 0,921, 0,922, 0,923, 0,924, 0,925, 0,926, 0,927, 0,928, 0,929, 0,930, 0,93 1, 0,932,

0,933, 0,934, 0,935, 0,936, 0,937, 0,938, 0,939, 0,940, 0,941, 0,942, 0,943, 0,944, 0,945, 0,946,

0,947, 0,948, 0,949, 0,950, 0,95 1, 0,952, 0,953, 0,954, 0,955, 0,956, 0,957, 0,958, 0,959, 0,960,

0,961 , 0,962, 0,963, 0,964, 0,965, 0,966, 0,967, 0,968, 0,969, 0,970, 0,971, 0,972, 0,973, 0,974,

0,975, 0,976, 0,977, 0,978, 0,979, 0,980, 0,981, 0,982, 0,983, 0,984, 0,985, 0,986, 0,987, 0,988,

0,989, 0,990, 0,991, 0,992, 0,993, 0,994, 0,995, 0,996, 0,997, 0,998, 0,999 oder 1 ,00 beträgt, wobei entsprechende Zwischenwerte als mitoffenbart anzusehen sind. Der Abstand h _s wird auch als Hatchabstand bezeichnet und beeinflusst über den damit verbundenen lokalen Energieeintrag wesentlich die Streckung der entstehenden Materialkörner in Aufbaurichtung. Generell gilt, dass ein geringerer Energieeintrag (Volumenenergie) zu einer geringeren mittleren Korngröße KG und damit zu einem feinkörnigeren Gefüge führt. Vorzugsweise wird der genannte Quotient b _smin /hs für mehrere Scanlinienpaare eingestellt, wobei er nicht für jedes Scanlinienpaar identisch gewählt werden muss, sondern sich innerhalb der angegebenen Grenzen bewegen kann. Die Scanlinien können grundsätzlich linear oder nicht-linear verlaufen. Weiterhin können in einer Bauteilschicht Gruppen von Scanlinien in unterschiedlichen Mustern (Belichtungsstragie) er- zeugt werden, zum Beispiel in Form einer Linienbelichtung, einer Streifenbelichtung, einer Chess-Strategie, einer Islandstragie etc. Generell sind„ein/eine“ im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmte Artikel zu lesen, also ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe immer auch als „mindestens ein/mindestens eine“. Umgekehrt können„ein/eine“ auch als„nur ein/nur eine“ ver- standen werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Schritt b) ein Laser- strahl mit einer Leistung zwischen 200 W und 300 W, das heißt mit einer Leistung von 200 W, 201 W, 202 W, 203 W, 204 W, 205 W, 206 W, 207 W, 208 W, 209 W, 210 W, 21 1 W, 212 W,

213 W, 214 W, 215 W, 216 W, 217 W, 218 W, 219 W, 220 W, 221 W, 222 W, 223 W, 224 W,

225 W, 226 W, 227 W, 228 W, 229 W, 230 W, 231 W, 232 W, 233 W, 234 W, 235 W, 236 W,

237 W, 238 W, 239 W, 240 W, 241 W, 242 W, 243 W, 244 W, 245 W, 246 W, 247 W, 248 W,

249 W, 250 W, 251 W, 252 W, 253 W, 254 W, 255 W, 256 W, 257 W, 258 W, 259 W, 260 W,

261 W, 262 W, 263 W, 264 W, 265 W, 266 W, 267 W, 268 W, 269 W, 270 W, 271 W, 272 W,

273 W, 274 W, 275 W, 276 W, 277 W, 278 W, 279 W, 280 W, 281 W, 282 W, 283 W, 284 W,

285 W, 286 W, 287 W, 288 W, 289 W, 290 W, 291 W, 292 W, 293 W, 294 W, 295 W, 296 W,

297 W, 298 W, 299 W oder 300 W als Energiestrahl verwendet wird. Hierdurch kann für übliche metallische oder intermetallische Werkstoffe die Gefügestruktur positiv beeinflusst und insbe- sondere eine höhere Isotropie erreicht werden. Dies führt zu höheren Festigkeiten und Steifigkei- ten sowie zu einer Verringerung des Aufwands bei der Bauteilauslegung.

Gleichmäßigere Eigenschaften in alle Richtungen und ein hochfeines Gefüge zur Festigkeitsstei- gerung ergeben sich in weiterer Ausgestaltung dadurch, dass in Schritt b) eine mittlere Scange- schwindigkeit des wenigstens einen Energiestrahls auf einen Wert zwischen 800 mm/s und 1 100 mm/s, das heißt beispielsweise von 800 mm/s, 805 mm/s, 810 mm/s, 815 mm/s, 820 mm/s, 825 mm/s, 830 mm/s, 835 mm/s, 840 mm/s, 845 mm/s, 850 mm/s, 855 mm/s, 860 mm/s,

865 mm/s, 870 mm/s, 875 mm/s, 880 mm/s, 885 mm/s, 890 mm/s, 895 mm/s, 900 mm/s,

905 mm/s, 910 mm/s, 915 mm/s, 920 mm/s, 925 mm/s, 930 mm/s, 935 mm/s, 940 mm/s,

945 mm/s, 950 mm/s, 955 mm/s, 960 mm/s, 965 mm/s, 970 mm/s, 975 mm/s, 980 mm/s,

985 mm/s, 990 mm/s, 995 mm/s, 1000 mm/s, 1005 mm/s, 1010 mm/s, 1015 mm/s, 1020 mm/s, 1025 mm/s, 1030 mm/s, 1035 mm/s, 1040 mm/s, 1045 mm/s, 1050 mm/s, 1055 mm/s,

1060 mm/s, 1065 mm/s, 1070 mm/s, 1075 mm/s, 1080 mm/s, 1085 mm/s, 1090 mm/s,

1095 mm/s oder 1 100 mm/s eingestellt wird, wobei entsprechende Zwischenwerte wie bei- spielsweise 900 mm/s, 901 mm/s, 902 mm/s, 903 mm/s, 904 mm/s, 905 mm/s, 906 mm/s,

907 mm/s, 908 mm/s, 909 mm/s, 910 mm/s usw. als mitoffenbart anzusehen sind.

Eine weitere räumliche Vergleichmäßigung der Eigenschaften des Bauteils bzw. Bauteilbereichs wird in weiterer Ausgestaltung dadurch erzielt, dass die Bauplattform in Schritt c) um eine Schichtdicke zwischen 30 mm und 50 mm, das heißt um 30 mm, 31 mm, 32 mm, 33 mm, 34 mm,

35 mm, 36 mm, 37 mm, 38 mm, 39 mm, 40 mm, 41 mm, 42 mm, 43 mm, 44 mm, 45 mm, 46 mm,

47 mm, 48 mm, 49 mm oder 50 mm abgesenkt wird. Generell kann es vorgesehen sein, dass jede Bauteilschicht mit der gleichen Schichtdicke hergestellt wird oder dass die Schichtdicke wäh- rend des schichtweisen Aufbaus ein- oder mehrmals variiert wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Schritt b) der Abstand h _s von wenigstens zwei Mittellinien voneinander benachbarter Scanlinien auf einen Wert zwischen 130 mm und 150 mm, das heißt beispielsweise auf einen Wert von 130 mm,

131 mm, 132 mm, 133 mm, 134 mm, 135 mm, 136 mm, 137 mm, 138 mm, 139 mm, 140 mm,

141 mm, 142 mm, 143 mm, 144 mm, 145 mm, 146 mm, 147 mm, 148 mm, 149 mm oder 150 mm eingestellt wird. Dies trägt vorteilhaft zur Erzeugung eines zumindest weitgehend isotropen oder quasi-isotropen Gefüges bei.

Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass der Abstand h _s der Mehrheit der Mittellinien be- nachbarter Scanlinien oder der Abstand h _s aller Mittellinien benachbarter Scanlinien in wenigs- tens einer Bauteilschicht gemäß der Formel I eingestellt wird. Mit anderen Worten ist es vorge- sehen, dass der in Formel I definierte Quotient für mehrere oder für alle Scanlinienpaare einer einzelnen Bauteilschicht eingestellt wird. Dies trägt ebenfalls vorteilhaft zur Erzeugung eines zumindest weitgehend isotropen oder quasi-isotropen Gefüges bei.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn ein Werkstoff aus der Gruppe Stahl, Aluminiumlegierun- gen, Titanlegierungen, Kobaltbasislegierungen, Chrombasislegierung, Nickelbasislegierung, Kupferlegierungen, intermetallische Legierungen oder eine beliebige Mischungen hieraus ver- wendet wird. Obwohl der Werkstoff grundsätzlich auch ein Kunststoff wie beispielsweise ABS, PLA, PETG, Nylon, PET, PTFE oder dergleichen sein kann, können mit Hilfe von metallischen und/oder intermetallischen Werkstoffen generell Bauteile bzw. Bauteilbereiche mit höherer me- chanischer, thermischer und chemischer Beständigkeit hergestellt werden. Beispielsweise kann der Werkstoff Elemente aus der Gruppe Eisen, Titan, Nickel, Chrom, Cobalt, Kupfer, Alumini- um oder Titan enthalten. Der Werkstoff kann eine Legierung aus der Gruppe Stahl, Aluminium- legierung, Titanlegierung, Kobaltlegierung, Chromlegierung, Nickelbasislegierung oder Kupfer- legierungen sein. Beispielsweise kann der Werkstoff eine hochtemperaturfeste Nickelbasislegie- rungen wie etwa Mar M-247, Inconel 718 (IN718), Inconel 738 (IN738), Waspaloy oder C263 sein. Ebenso können intermetallische Legierungen wie Mg2Si und Titanaluminide vorgesehen sein.

Weitere Vorteile ergeben sich, indem zumindest der Bauteilbereich nach der Herstellung einer Wärmebehandlung, insbesondere einem heiß-isostatischen Pressverfahren unterzogen wird. Un- ter einer Wärmebehandlung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren verstan- den, bei dem eine Temperatur des Bauteilbereichs oder des gesamten Bauteils variiert wird, um die Stoff- und insbesodere die Gefügeeigenschaften zu verändern. Vorzugsweise umfasst oder ist die Wärmebehandlung ein heißes isostatisches Pressen (HIP), bei dem ein hoher Druck zur Ver- besserung der Materialeigenschaften verwendet wird. Der Druck wird beispielsweise durch ein Inertgas (z. B. Argon) auf das Bauteil aufgebracht. Durch den Druck und einer gegenüber der Raumtemperatur erhöhten Temperatur können plastische Verformung, Kriechen und/oder Diffu- sion erreicht werden. Ebenso können eine innere Mikroporosität oder andere Defekte beseitigt werden, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Bauteils verbessert werden. Heißes isostatisches Pressen ermöglicht auch die Verbindung des Bauteils mit weiteren Materialien, die entweder in fester oder in Pulverform vorliegen können.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren. Die Schichtbauvorrichtung umfasst mindestens eine Pulverzufürrung zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens ei- ner bewegbaren Bauplattform, mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls zum schichtweisen und lokalen Verfestigen des Werkstoffs durch selektives Ab- tasten und Aufschmelzen des Werkstoffs entlang von Scanlinien und eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, die Pulverzuführung so zu steuern, dass diese mindestens eine Pulverschicht des Werkstoffs auf die Aufbau- und Fügezone der Bauplattform aufträgt, und die Bauplattform so zu steuern, dass diese schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke ab- gesenkt wird. Eine Herstellung von Bauteilen oder Bauteilbereichen mit gleichmäßigeren me- chanischen Eigenschaften in alle Richtungen, das heißt zumindest weitgehend oder vollständig ohne Vorzugsorientierung im Gefüge, ist erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass die Steuer- einrichtung dazu konfiguriert ist, in wenigstens einer Bauteilschicht einen Abstand h _s von we- nigstens zwei Mittellinien einander benachbarter Scanlinien gemäß der Formel I

0,85 £ b _smin /h _s £ 1 ,00 (I)

einzustellen, wobei b _smin eine minimale Schmelzbadbreite der Scanlinien bezeichnet. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entneh- men, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausge- staltungen des zweiten Erfindungsaspekts anzusehen sind. Umgekehrt sind vorteilhafte Ausge- staltungen des zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfin- dungsaspekts anzusehen. ln einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schichtbau Vorrich- tung als selektive Lasersinter- und/oder -Schmelzvorrichtung ausgebildet ist. Hierdurch können Bauteilbereiche und komplette Bauteile hergestellt werden, deren mechanischen Eigenschaften zumindest im Wesentlichen richtungsunabhängig sind. Zur Erzeugung eines Laserstrahls können beispielsweise CO ₂ -Laser, Nd:YAG-Laser, Yb-Faserlaser, Diodenlaser oder dergleichen vorge- sehen sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Elektronen- und/oder Laserstrah- len verwendet werden, deren Belichtungs- bzw. Verfestigungsparameter in der vorstehend be- schriebenen Weise angepasst bzw. eingestellt werden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch eine Steuereinrichtung einer Schichtbauvorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt die Schichtbauvorrichtung veran- lassen, das Schichtbauverfahren nach dem ersten Erfindungsaspekt auszuführen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch eine Steuereinrichtung einer Schichtbauvorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt die Schichtbauvorrichtung veranlassen, das Schichtbauverfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt auszuführen.

Die vorliegende Erfindung kann mit Hilfe eines Computerprogrammprodukts realisiert werden, das Programmmodule umfasst, die von einem computerverwendbaren oder computerlesbaren Medium aus zugänglich sind und Programmcode speichern, der von oder in Verbindung mit ei- nem oder mehreren Computern, Prozessoren oder Befehlsausführungssystemen einer Schicht- bauvorrichtung verwendet wird. Für die Zwecke dieser Beschreibung kann ein computerver- wendbares oder computerlesbares Medium jede Vorrichtung sein, die das Computerprogramm- produkts zur Verwendung durch oder in Verbindung mit dem Befehlsausführungssystem, der Vorrichtung oder der Vorrichtung enthalten, speichern, kommunizieren, verbreiten oder trans- portieren kann. Das Medium kann ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagneti- sches, Infrarot- oder Halbleitersystem oder ein Ausbreitungsmedium an sich sein, da Signalträ- ger nicht in der Definition des physischen, computerlesbaren Mediums enthalten sind. Dazu ge- hören ein Halbleiter- oder Festkörperspeicher, Magnetband, eine austauschbare Computerdisket- te, ein Direktzugriffsspeicher (RAM), ein Nur-Lese-Speicher (ROM), eine starre Magnetplatte und eine optische Platte wie ein Nur-Lese-Speicher (CD-ROM, DVD, Blue-Ray etc.), oder eine beschreibbare optische Platte (CD-R, DVD-R). Sowohl Prozessoren als auch Programmcode zur Implementierung der einzelnen Aspekte der Erfindung können zentralisiert oder verteilt werden (oder eine Kombination davon).

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein Turbinenbauteil einer Strömungsmaschine, umfassend zumindest einen Bauteilbereich, der mittels einer Schichtbau- vorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt und/oder mittels eines Schichtbauverfahrens gemäß dem ersten Erfindungsaspekt hergestellt ist. Hierdurch weist das erfindungsgemäße Bau- teil eine stark vergleichmäßigte und zumindest im Wesentlichen richtungsunabhängige Gefü- gestruktur auf, die zu einer wesentliche höheren Beständigkeit gegen zyklische Lasten sowie zu signifikant erhöhten Festigkeits- und Steifigkeitswerten führt. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und zweiten Erfindungsas- pekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind. Das Bauteil kann als Turbinenschaufel für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugtriebwerk ausgebildet sein.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figu- renbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskom- binationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figu- ren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils ange- gebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeug- bar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer erfmdungsgemäßen Schichtbauvorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Scanlinie;

Fig. 3 eine schematische Darstellung von drei Scanlinien, die erfindungsgemäß voneinander be- abstandet sind;

Fig. 4 eine schematische Darstellung von drei Scanlinien, die in einem nicht- erfindungsgemäßen Abstand zueinander angeordnet sind;

Fig. 5 ein Diagramm, in dem auf der Abszissenachse eine eingebrachte Volumenenergie und auf der Ordinatenachse eine resultierende mittlere Korngröße eines generativ hergestell- ten Bauteils aufgetragen sind;

Fig. 6 ein Diagramm, in dem auf der Abszissenachse eine eingebrachte Volumenenergie und auf der Ordinatenachse eine resultierende maximale Korngröße des generativ hergestell- ten Bauteils aufgetragen sind;

Fig. 7 ein Gefügeschliffbild eines Gefüges in den in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigten Bereichen Va bzw. Via; und

Fig. 8 ein Gefügeschliffbild eines Gefüges in den in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigten Bereich Vb bzw. VIb.

Fig. 1 zeigt schematische Schnittansicht einer erfmdungsgemäßen Schichtbauvorrichtung 10.

Die Schichtbauvorrichtung 10 dient zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs 12 eines Bauteils 14 durch ein additives Schichtbauverfahren. Die Schichtbauvorrichtung 10 um- fasst mindestens eine Pulverzuführung 16 mit einem Pulverbehälter 18 und einem Beschichter 20. Die Pulverzuführung 16 dient zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werk- stoffs 22 auf eine Aufbau- und Fügezone II einer gemäß Pfeil B bewegbaren Bauplattform 24. Hierzu wird der Beschichter 20 gemäß Pfeil III bewegt, um Werkstoff 22 aus dem Pulverbehälter 18 zur Aufbau- und Fügezone II zu transportieren. Die Schichtbauvorrichtung 10 umfasst wei- terhin mindestens eine Strahlungsquelle 26 zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls 28 zum schichtweisen und lokalen Verfestigen des Werkstoffs 22, indem der Werkstoff 22 mit dem Energiestrahl 28 entlang von Scanlinien 40 (s. Fig. 2) selektiv abgetastet und aufgeschmolzen wird. Zusätzlich ist eine Steuereinrichtung 30 vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, die Pul- verzuführung 16 so zu steuern, dass diese mindestens eine Pulverschicht des Werkstoffs 22 auf die Aufbau- und Fügezone II der Bauplattform 24 aufträgt und die Bauplattform 24 schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke gemäß Pfeil B absenkt. Zusätzlich ist die Steuereinrichtung 30 dazu konfiguriert, in wenigstens einer Bauteilschicht einen Abstand h _s von wenigstens zwei Mittellinien M einander benachbarter Scanlinien 40 gemäß der Formel I

0,85 £ b _smin /h _s £ 1 ,00 (I)

einzustellen, wobei b _smin eine minimale Schmelzbadbreite der Scanlinien 40 bezeichnet. Weiter- hin umfasst die Schichtbauvorrichtung 10 eine optische Einrichtung 32, mittels welcher der Energiestrahl 28 über die Aufbau- und Fügezone II bewegt werden kann. Die Strahlungsquelle 26 und die Einrichtung 32 sind mit der Steuereinrichtung 30 zum Datenaustausch gekoppelt. Weiterhin umfasst die Schichtbauvorrichtung 10 eine grundsätzlich optionale Heizeinrichtung 34, mittels welcher das Pulverbett auf eine gewünschte Basistemperatur temperierbar ist. Die Heizeinrichtung 34 kann beispielsweise eine oder mehrere Induktionsspule(n) umfassen. Alter- nativ oder zusätzlich können auch andere Heizelemente, beispielsweise IR-Strahler oder derglei- chen vorgesehen sein.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer vorliegend linear ausgeführten Scanlinie 40 mit einer Länge l _s . Die Scanlinie 40 weist eine Mittellinie M auf, entlang welcher der Laserstrahl 28 geführt wurde und den Werkstoff 22 aufgeschmolzen hat. Als exemplarische Prozessparameter wurden eine Laserleistung von 250 W, eine Scangeschwindigkeit von 960 mm/s und eine Schichtdicke von 40 mm eingestellt. Die Scanlinie 40 weist weiterhin einen Bereich mit einer minimalen Schmelzbadbreite b _smin und einen Bereich mit einer maximalen Schmelzbadbreite b _smax auf. Der Abstand zwischen der Mittellinie und einem Rand des Schmelzbads beträgt formal ½ b _s , wobei der Wert b _s entlang der Scanlinie 40 zwischen b _smin und b _smax variiert. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung von drei Scanlinien 40, die erfindungsgemäß vonei- nander beabstandet und unter Verwendung der vorstehend genannten Prozessparameter herge- stellt sind. Dies bedeutet, dass der Abstand h _s (engl. hatch) zwischen jeweils benachbarten Mit- tellinien M der Scanlinien 40 der Formel 0,85 £ b _smin /h _s £ 1 ,00 entspricht und im vorliegenden Beispiel etwa 140 mm beträgt. Hierdurch ist die gezielte Erzeugung eines zumindest weitgehend oder quasi-isotropen Gefüges mit zumindest weitgehender Defektfreiheit gewährleistet. Man er- kennt, dass die Scanlinien 40 zumindest im Wesentlichen auf Stoß angeordnet sind und sich we- der wesentlich überlappen, noch wesentliche Lücken aufweisen. Zudem variiert der Wert b _s ent- lang der einzelnen Scanlinien 40 nur geringfügig.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung von drei Scanlinien 40, die in einem nicht- erfindungsgemäßen Abstand h _s zueinander angeordnet sind. Man erkennt, dass sich die Scanli- nien 40 teilweise stark überlappen und in Verlaufsrichtung wesentlich stärker variierende Breiten (b _s ) aufweisen. Gleichzeitig treten dennoch einzelne Lücken zwischen benachbarten Scanlinien 40 auf. Dies führt zu lokal stark variierenden Energieeinträgen und dementsprechend zu stark variierenden Korngrößen und einem entsprechend anisotropen Gefüge.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm, in dem auf der Abszissenachse eine eingebrachte Volumenenergie VE in J/mm ³ und auf der Ordinatenachse eine resultierende mittlere Korngröße KG in mm eines generativ hergestellten Bauteils 14 (nicht gezeigt) aufgetragen sind. Fig. 6 zeigt ein Diagramm, in dem auf der Abszissenachse die eingebrachte Volumenenergie VE [J/mm ³ ] und auf der Ordi- natenachse eine resultierende maximale Korngröße KG _max [mm] des generativ hergestellten Bau- teils 14 aufgetragen sind. Die Diagramme illustrieren den Zusammenhang zwischen der mittle- ren bzw. maximalen Korngröße KG, KG _max und der eingebrachten Volumenenergie VE, die we- sentlich durch den Hatchabstand h _s mitbestimmt wird. Die Bereiche Va, VIa markieren einen zumindest nahezu isotropen Werkstoffzustand ohne nennenswerte Vorzugsorientierung im Ge- füge, während die Bereiche Vb, VIb stark anisotrope Zustände bzw. Gefügestrukturen markie- ren. Während Unterschiede quer zur Aufbaurichtung zumindest in erster Näherung vernachläs- sigbar sind, zeigen sich insbesondere in Aufbaurichtung große Differenzen in den mechanischen Eigenschaften, die mit dem Grad der Isotropie bzw. Anisotropie des Gefüges Zusammenhängen. Fig. 7 zeigt zur weiteren Verdeutlichung ein Gefügeschliffbild eines Gefüges in den in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigten Bereichen Va bzw. Via, während Fig. 8 ein Gefügeschliffbild eines Gefü- ges in den in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigten Bereichen Vb bzw. VIb zeigt. Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbe- dingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen - beispielsweise aufgrund von Messfehlern, System- fehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen - als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzuse- hen.

Bezugszeichenliste:

10 Schichtbauvorrichtung

12 Bauteilbereich

14 Bauteil

16 Pul verzuführung

18 Pulverbehälter

20 Beschichter

22 Werkstoff

24 Bauplattform

26 Strahlungsquelle

28 Energiestrahl

30 Steuereinrichtung

32 Einrichtung

34 Heizeinrichtung

40 Scanlinie

II Aufbau- und Fügezone

B Bewegung der Bauplattform

M Mittellinie

b _s Schmelzbadbreite b _smin minimale Schmelzbadbreite b _smax maximale Schmelzbadbreite h _s Abstand