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 wenigstens 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 eines 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 eines 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 Werkstoff abtastet und aufschmilzt und können generell linear oder nicht-linear verlaufen. Damit unterscheiden sich additive bzw. generative Herstellungsverfahren von konventionellen abtragenden 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 selektiven Laserschmelzen werden dünne Pulverschichten des Werkstoffs 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 Bauplattform abgesenkt, eine weitere Pulverschicht aufgebracht und erneut lokal ver festigt. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis das fertige Bauteil bzw. der fertige Bauteilbereich erhalten wird. Das Bauteil kann anschließend bei Bedarf weiterbearbeitet oder ohne weite-

Bestätigungskopie re Bearbeitungsschritte verwendet werden. Beim selektiven Lasersintem wird das Bauteil in ähn licher Weise durch laserunterstütztes Sintern von pulverförmigen Werkstoffen hergestellt. Die Zufuhr der Energie erfolgt hierbei beispielsweise durch Laserstrahlen eines CC -Lasers, Nd:YAG-Lasers, Yb-Faserlasers, Diodenlasers oder dergleichen. Ebenfalls bekannt sind Elekt ronenstrahlverfahren, 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 fuhren kann. Dies kann wiederum zu verringerten Festigkeiten und Steifigkeiten führen, die bei der Bauteilauslegung zu berücksichtigen und zu kompensieren sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schichtbauverfahren und eine Schichtbauvorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass eine Herstellung von Bauteilen oder Bauteilbereichen mit gleichmäßigeren mechanischen Eigenschaften in unterschiedlichen Raum richtungen ermöglicht 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 Bauteil mit wenigstens einem additiv hergestellten Bauteilbereich mit gleichmä ßigeren mechanischen Eigenschaften in unterschiedlichen Raumrichtungen anzugeben.

Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Schichtbauverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Schichtbauvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8, durch ein Computerprogrammprodukt gemäß Patentanspruch 10, durch ein computerlesbares Speichermedium gemäß Patentanspruch 11 sowie durch ein Bauteil gemäß Patentanspruch 12 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 zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsma schine, umfassend zumindest folgende Schritte:

a) Bereitstellen zumindest eines Referenz-Überwachungsdatensatzes, welcher auf durch optische Tomographie zumindest eines Referenz-Bauteilbereichs eines Refe renz-Bauteils während dessen additiver Herstellung erfassten Referenz- Falschfarbwerten basiert und lokale Intensitätsmaxima der Referenz-Falschfarbwerte charakterisiert;

b) Aufträgen von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer bewegbaren Bauplattform;

c) lokales Verfestigen des Werkstoffs zum Ausbilden einer Bauteilschicht, indem der Werkstoff mit wenigstens einem Energiestrahl entlang von Scanlinien selektiv abgetastet und aufgeschmolzen wird, wobei wenigstens ein Belichtungsparameterwert des Energiestrahls in Abhängigkeit von dem zumindest einen Referenz- Überwachungsdatensatz und dadurch in Abhängigkeit von zumindest einem der loka len Intentsitätsmaxima eingestellt wird;

d) Schichtweises Absenken der Bauplattform um eine vordefinierte Schichtdicke; und e) Wiederholen der Schritte b) bis d) bis zur Fertigstellung des Bauteilbereichs.

Dies ist von Vorteil, da somit der wenigstens eine Belichtungsparameterwert in Abhängigkeit von den Referenz-Falschfarbwerten eingestellt werden kann, wodurch Informationen aus der optischen Tomographie des Referenz-Bauteilbereichs und zusätzlich oder alternativ des Referenz- Bauteils herangezogen werden können, um anhand dieser Informationen den wenigstens einen Belichtungsparameterwert einzustellen. Anhand der Referenz-Falschfarbwerte können während der additiven Herstellung entstehende, unterschiedlich stark erwärmte Zonen des Referenz- Bauteilbereichs bzw. des Referenz-Bauteils detektiert werden. Die optische Tomographie gestattet es beispielsweise warme von kalten Zonen der unterschiedlich stark erwärmten Zonen zu un terscheiden. Die Intensitätsmaxima können dabei jeweils die wärmsten Zonen charakterisieren. So kann dementsprechend ein oberstes Intensitätsmaximum der Intensitätsmaxima die wärmste Zone charakterisieren. Zudem liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass den warmen und kalten Zonen auch jeweils unterschiedliche Referenz-Gefugestrukturen, also Gefügestruktu ren des Referenz-Bauteilbereichs und zusätzlich oder alternativ des Referenz-Bauteils, zugeordnet sein können. Eine warme Zone kann beispielsweise durch längere Energiestrahlbeaufschlagung, welche beispielsweise durch Laserbestrahlung erfolgen kann, entstehen, wohingegen eine im Vergleich dazu kalte Zone durch entsprechend kürzere Energiestrahlbeaufschlagung entste hen kann. Die Dauer der Energiestrahlbeaufschlagung kann jedoch die Referenz-Gefügestruktur maßgeblich beeinflussen, sodass bei längerer Energiestrahlbeaufschlagung (und entsprechend warmer Zone) größere Werkstoffkömer sowie eine größere Gefügeanisotropie auftreten können, als bei kürzerer Energiestrahlbeaufschlagung (kalte Zone). Dementsprechend können über die Referenz-Falschfarbwerte auch Informationen über die jeweilige, von den entsprechenden Zonen abhängige Referenz-Gefügestruktur in die Einstellung des wenigstens einen Belichtungsparameterwertes des Energiestrahls einfließen. Dies ermöglicht es beispielsweise größere, durch den Energiestrahl bewirkte Temperaturunterschiede an voneinander verschiedenen Stellen des Bauteilbereichs zu vermeiden, wodurch dementsprechend beispielsweise Gefugeanisotropieunter- schiede zwischen den verschiedenen Stellen gering gehalten werden können und der Bauteilbe reich dementsprechend mit gleichmäßigeren mechanischen Eigenschaften in unterschiedlichen Raumrichtungen erstellt werden kann, als beispielsweise der Referenz-Bauteilbereich. Die Refe renz-Falschfarbwerte können beispielsweise als Referenz-Grauwerte ausgebildet sein.

Darüber hinaus können anhand der Referenz-Falschfarbwerte beispielsweise jeweilige Defekte und damit defektbehaftete Gefugebereiche des Referenz-Bauteilbereichs und zusätzlich oder al ternativ des Referenz-Bauteils erkannt werden. Diese Defekte (defektbehaftete Gefügebereiche) können in mehreren Schichten des Referenz-Bauteilbereichs bzw. des Referenz-Bauteils vorlie gen und anhand der Referenz-Falschfarbwerte detektiert werden. Bei dem vorliegenden Schichtbauverfahren kann durch das Einstellen des wenigstens einen Belichtungsparameterwertes in Abhängigkeit von dem Referenz-Überwachungsdatensatz vermieden werden, dass die jeweili gen, in dem Referenz-Bauteilbereich bzw. Referenz-Bauteil auftretenden Defekte auch in dem Bauteilbereich bzw. dem Bauteil auftreten. Auch dies trägt in vorteilhafter Weise zur Ausgestaltung des Bauteilbereichs bzw. des Bauteils mit im Vergleich zu dem Referenz-Bauteilbereich bzw. dem Referenz-Bauteil gleichmäßigeren, mechanischen Eigenschaften in unterschiedlichen Raumrichtungen bei.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung charakterisiert der zumindest eine Referenz- Überwachungsdatensatz eine Referenz-Gefügestrukturverteilung zumindest in dem Referenz- Bauteilbereich sowie zumindest einen, der Referenz-Gefügestrukturverteilung zugeordneten Referenz-Belichtungsparameterwert. Unter der Referenz-Gefügestrukturverteilung kann eine Ver teilung von unterschiedlichen Gefügestrukturen im Referenz-Bauteilbereich und zusätzlich oder alternativ im Referenzbauteil verstanden werden. Durch die Zuordnung des zumindest einen Referenz-Belichtungsparameterwertes zu der Referenz-Gefügestrukturverteilung kann in vorteil hafter Weise ein direkter Zusammenhang zwischen dem Referenz-Belichtungsparameterwert und der Referenz-Gefügestrukturverteilung geschaffen werden kann. Dies gestattet eine besonders gezielte Einstellung des Belichtungsparameterwertes um dadurch eine besonders wunsch gemäße, insbesondere homogene, Gefügestrukturverteilung in dem Bauteilbereich zu erzielen.

Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Referenz-Gefügestrukturverteilung von dem Re- ferenz-Belichtungsparameterwert abhängt. Der Referenz-Belichtungsparameterwert kann beispielsweise einem Referenz-Energieeintrag in den Referenz-Bauteilbereich infolge von Energie strahlbeaufschlagung oder einer Energiestrahl leistung, also einer Leistung des Energiestrahls, entsprechen. Es hat sich beispielsweise allgemein gezeigt, dass mit höherem Referenz- Energieeintrag anhand des Energiestrahls in Teilbereiche des Referenz-Bauteilbereichs auch eine größere Gefügeanisotropie und damit größere Werkstoffkömer in diesen Teilbereichen auftreten, wobei die Teilbereiche des Referenz-Bauteilbereichs mit höherem Referenz-Energieeintrag auch durch entsprechend höhere, durch optische Tomographie ermittelte Referenz-Falschfarbwerte, beispielsweise in Form von höheren Grauwerten, erkannt, insbesondere quantifiziert werden können. Je höher also die Referenz-Falschfarbwerte (beispielsweise Referenz-Grauwerte) sind, desto größer sind infolge des Referenz-Energieeintrags auch die entsprechenden Werkstoffkörner bzw. die entsprechende Gefügeanisotropie im Referenz-Bauteilbereich bzw. im Referenz- Bauteil.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in Abhängigkeit von der Refe renz-Gefügestrukturverteilung und dem zumindest einen Referenz-Belichtungsparameterwert wenigstens ein Korrekturwert ermittelt, um welchen der wenigstens eine Belichtungsparameterwert von dem zumindest einen Referenz-Belichtungsparameterwert abweichend eingestellt wird, wodurch zumindest der Bauteilbereich mit einer Gefügestrukturverteilung versehen wird, welche eine geringere Defektdichte und/oder eine geringere Defektanzahl aufweist, als die Referenz- Gefügestrukturverteilung. Mit anderen Worten kann sich der Belichtungsparameterwert also um den Korrekturwert von dem Referenz-Belichtungsparameterwert unterscheiden. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine besonders gezielte Verringerung der Defektdichte, also mit anderen Worten eine Dichte an Defekten und zusätzlich oder alternativ der Defektanzahl, also mit ande- ren Worten eine Anzahl der Defekte, erfolgen. Derartige Defekte können als fehlerhafte Gefüge bereiche, beispielsweise als Poren oder Risse, ausgebildet sein.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als der wenigstens eine Belich tungsparameterwert ein Energieeintrag des wenigstens einen Energiestrahls eingestellt. Dies ist von Vorteil, da durch das Einstellen des Energieeintrags eine besonders direkte Beeinflussung einer Gefügestruktur in der Bauteilschicht und damit im Bauteilbereich des Bauteils erfolgen kann. Der Energieeintrag kann die Einheit J/mm ³ aufweisen und damit einen Eintrag von Ener gie pro Volumeneinheit angeben.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in Schritt c) ein auf optischer Tomographie zumindest der Bauteilschicht basierender Überwachungsdatensatz erstellt, welcher zur Überwachung des additiven Herstellens zumindest des Bauteilbereichs mit dem Referenz- Überwachungsdatensatz verglichen wird. Dies ist von Vorteil, da somit bereits während des ad ditiven Herstellens des Bauteilbereichs beispielsweise Poren und zusätzlich oder alternativ Risse erkannt werden können. Der Überwachungsdatensatz kann während des additiven Herstellens zumindest des Bauteilbereichs durch die optische Tomographie erfasste Falschfarbwerte umfas sen. Die Überwachung kann erfolgen, indem die Falschfarbwerte mit den Referenz- Falschfarbwerten verglichen werden. Dadurch kann erkannt werden, wenn beispielsweise einer der Falschfarbwerte um einen unzulässig großen Wertebetrag von einem entsprechenden Referenz-Falschfarbwert abweicht, was auf ein Vorliegen von Poren, Rissen oder anderen Defekten hinweisen kann. Die Falschfarbwerte können - ebenso wie die Referenz-Falschfarbwerte - bei spielsweise als Grauwerte ausgebildet sein. Anhand der Falschfarbwerte können also beispielsweise jeweilige Defekte und damit defektbehaftete Gefügebereiche des Bauteilbereichs und zusätzlich oder alternativ des Bauteils frühzeitig erkannt werden. Diese Defekte (defektbehaftete Gefügebereiche) können in mehreren Bauteilschichten des Bauteilbereichs bzw. des Bauteils vorliegen und anhand der Falschfarbwerte, insbesondere durch Vergleich der Falschfarbwerte mit den Referenz-Falschfarbwerten, erkannt werden. Ein bevorzugter, schichtweiser Vergleich der Falschfarbwerte mit den Referenz-Falschfarbwerten ermöglicht in vorteilhafter Weise eine besonders frühzeitige und insbesondere genaue Bewertung, ob beispielsweise beim Herstellen des Bauteilbereichs bzw. des Bauteils Ausschuss produziert wird. Darüber hinaus kann vorzugsweise basierend auf dem schichtweisen Vergleich der Falschfarbwerte mit den Referenz- Falsch färb werten eine schichtweise Änderung des wenigstens einen Belichtungsparameterwertes erfolgen, sodass der Belichtungsparameterwert sozusagen in jeweils unterschiedlichen Bauteilschichten des Bauteilbereichs unterschiedlich eingestellt wird. Dadurch ist es möglich auf eine besonders defektbehaftete Bauteilschicht weitere Bauteilschichten mit weniger Defekten aufzu bauen, um zu vermeiden, dass bei der Herstellung des Bauteilbereichs Ausschuss produziert wird.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in Schritt c) ein Laserstrahl als der Energiestrahl verwendet. Dies ist von Vorteil, da durch den Laserstrahl ein besonders gezieltes lokales Verfestigen des Werkstoffs ermöglicht ist.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als der Werkstoff wenigstens ein Material aus der Gruppe Stahl, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Kobaltbasislegie rungen, Chrombasislegierungen, Nickelbasislegierungen, Kupferlegierungen, intermetallische Legierungen oder eine beliebige Mischung hieraus verwendet. Obwohl der Werkstoff grundsätz lich auch ein Kunststoff wie beispielsweise ABS, PLA, PETG, Nylon, PET, PTFE oder dergleichen sein kann, können mit Hilfe von metallischen und/oder intermetallischen Werkstoffen ge nerell Bauteile bzw. Bauteilbereiche mit höherer mechanischer, thermischer und chemischer Be ständigkeit hergestellt werden. Beispielsweise kann der Werkstoff Elemente aus der Gruppe Eisen, Titan, Nickel, Chrom, Cobalt, Kupfer, Aluminium oder Titan enthalten. Der Werkstoff kann eine Legierung aus der Gruppe Stahl, Aluminiumlegierung, Titanlegierung, Kobaltlegierung, Chromlegierung, Nickelbasislegierung oder Kupferlegierungen sein. Beispielsweise kann der Werkstoff eine hochtemperaturfeste Nickelbasislegierungen 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.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend:

- mindestens eine Pulverzufuhrung zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht ei nes Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer bewegbaren

Bauplattform; - mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls zum schichtweisen und lokalen Verfestigen des Werkstoffs durch selektives Abtasten und Aufschmelzen des Werkstoffs entlang von Scanlinien; und

- eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist:

- 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 abgesenkt wird.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Strahlungsquelle anzusteuern und dadurch wenigstens einen Belichtungsparameterwert des Energie strahls in Abhängigkeit von zumindest einem Referenz-Überwachungsdatensatz einzustellen, wobei der zumindest eine Referenz-Überwachungsdatensatz auf durch optische Tomographie zumindest eines Referenz-Bauteilbereichs eines Referenz-Bauteils während dessen additiver Herstellung erfassten Referenz-Falschfarbwerten basiert und lokale Intensitätsmaxima der Refe renz-Falschfarbwerte charakterisiert, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen Belichtungsparameterwert des Energiestrahls in Abhängigkeit von zumindest ei nem der lokalen Intensitätsmaxima einzustellen. Die Schichtbauvorrichtung kann beispielsweise eine Kamera, insbesondere Wärmebildkamera, umfassen, mittels welcher die Referenz- Falschfarbwerte des Referenz-Bauteilbereichs des Referenz-Bauteils erfasst werden können. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Aspekts der Erfin dung zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen sind. Umgekehrt sind vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung als vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung anzusehen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Schichtbauvorrichtung als selektive Lasersinter- und/oder -Schmelzvorrichtung ausgebildet. Hierdurch können Bauteilbereiche und komplette Bauteile hergestellt werden, deren mechanischen Eigenschaften zumindest im Wesentlichen richtungsunabhängig sind. Zur Erzeugung eines Laserstrahls als der Energiestrahl können beispielsweise CO2-Laser, Nd:YAG-Laser, Yb-Faserlaser, Diodenlaser oder dergleichen vorgesehen sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Elektronen- und/oder La serstrahlen als jeweilige Energiestrahlen verwendet werden. Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch eine Steuereinrichtung einer Schichtbauvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung die Schichtbauvorrichtung veranlassen, das Schichtbauverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auszuführen. Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch eine Steuereinrichtung einer Schichtbauvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung die Schichtbauvorrichtung veranlassen, das Schichtbauverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung 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 Befehlsausfuhrungssystemen einer Schicht bauvorrichtung verwendet wird. Für die Zwecke dieser Beschreibung kann ein computerver wendbares oder computerlesbares Medium jede Vorrichtung sein, die das Computerprogrammprodukt zur Verwendung durch oder in Verbindung mit dem Befehlsausfuhrungssystem oder der Schichtbauvorrichtung enthalten, speichern, kommunizieren, verbreiten oder transportieren kann. Das Medium kann ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infrarot- oder Halbleitersystem oder ein Ausbreitungsmedium an sich sein, da Signalträger nicht in der Definition des physischen, computerlesbaren Mediums enthalten sind. Dazu gehören ein Halbleiter- oder Festkörperspeicher, Magnetband, eine austauschbare Computerdiskette, ein Di rektzugriffsspeicher (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 fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere Turbinenbauteil einer Strömungsmaschine, umfassend zumindest einen Bauteilbereich, der mittels einer Schichtbau Vor richtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und/oder mittels eines Schichtbauverfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellt ist. Hierdurch weist das erfmdungsgemäße Bauteil eine stark vergleichmäßigte und zumindest im Wesentlichen richtungsunabhängige Ge- fugestruktur auf, die zu einer wesentlich 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 Aspekts der Erfindung zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Aspekts der Erfindung als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Aspekte der Erfindung anzusehen sind. Das Bauteil kann als Turbinenschaufel für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugtriebwerk ausgebil det sein.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. 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 angegebenen 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 erzeugbar 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 Schichtbauvorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Schichtoberfläche eines Referenz-Bauteilbereichs eines Referenz-Bauteils während dessen additiver Flerstellung, wobei durch optische Tomographie ermittelte Referenz-Falschfarbwerte der Schichtoberfläche gezeigt sind;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Schichtoberfläche eines Bauteilbereichs eines Bau teils während dessen additiven Flerstellens, wobei durch optische Tomographie ermittelte Falschfarbwerte der Schichtoberfläche gezeigt sind; Fig. 4 eine schematische Detailansicht eines Oberflächensegments innerhalb eines in Fig. 2 um rahmten Bereichs A;

Fig. 5 eine schematische Detailansicht eines weiteren Oberflächensegments innerhalb eines in Fig. 2 umrahmten Bereichs B;

Fig. 6 ein Gefügeschliffbild, welches eine Referenz-Gefügestruktur des Referenz- Bauteilbereichs zeigt; und

Fig. 7 ein weiteres Gefügeschliffbild, welches eine weitere Referenz-Gefügestruktur des Refe renz-Bauteilbereichs zeigt.

FIG. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Schichtbauvorrichtung 10. Die Schichtbau vorrichtung 10 dient zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs 12 eines Bauteils 14 durch ein additives Schichtbau verfahren. Die Schichtbauvorrichtung 10 umfasst mindestens eine Pulverzuführung 16 mit einem Pulverbehälter 18 und einem Beschichter 20. Die Pulverzuführung 16 dient zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs 22 auf eine Aufbau- und Fügezone II einer gemäß Pfeil B bewegbaren Bauplattform 24. Hierzu wird der Be schichter 20 gemäß Pfeil III bewegt, um Werkstoff 22 aus dem Pulverbehälter 18 zur Aufbau- und Fügezone II zu transportieren. Die Schichtbauvorrichtung 10 umfasst weiterhin mindestens eine Strahlungsquelle 26 zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls 28, beispielsweise in Form eines Laserstrahls, zum schichtweisen und lokalen Verfestigen des Werkstoffs 22, indem der Werkstoff 22 mit dem Energiestrahl 28 entlang von in Fig. 2 und Fig. 3 stark schematisch angedeuteten Scanlinien 40 selektiv abgetastet und aufgeschmolzen wird. Zusätzlich ist eine Steuereinrichtung 30 vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, die Pulverzuführung 16 so zu steuern, dass diese mindestens eine Pulverschicht des Werkstoffs 22 auf die Aufbau- und Füge zone II der Bauplattform 24 aufträgt und die Bauplattform 24 schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke gemäß Pfeil B absenkt. Weiterhin umfasst die Schichtbauvorrichtung 10 eine opti sche Einrichtung 32, mittels welcher der Energiestrahl 28 über die Aufbau- und Fügezone II be wegt werden kann. Die Strahlungsquelle 26 und die Einrichtung 32 sind mit der Steuereinrichtung 30 zum Datenaustausch gekoppelt. Weiterhin umfasst die Schichtbauvorrichtung 10 eine Heizeinrichtung 34, mittels welcher das Pulverbett auf eine gewünschte Basistemperatur tempe rierbar ist. Die Heizeinrichtung 34 kann beispielsweise eine oder mehrere Induktionsspule(n) umfassen. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Heizelemente, beispielsweise IR- Strahler oder dergleichen vorgesehen sein.

Die Steuereinrichtung 30 ist dazu eingerichtet, die Strahlungsquelle 26 anzusteuem und dadurch wenigstens einen Belichtungsparameterwert des Energiestrahls 28 in Abhängigkeit von zumindest einem Referenz-Überwachungsdatensatz 50 einzustellen. Der Referenz- Überwachungsdatensatz 50 basiert auf durch optische Tomographie zumindest eines Referenz- Bauteilbereichs 60 eines Referenz-Bauteils 62 während dessen additiver Herstellung erfassten Referenz-Falschfarbwerten 64, wie sie in Fig. 2 erkennbar sind. Darüber hinaus charakterisiert der Referenz-Überwachungsdatensatz 50 lokale Intensitätsmaxima 66 der Referenz- Falschfarbwerte 64. Die Steuereinrichtung 30 ist auch dazu eingerichtet, den wenigstens einen Belichtungsparameterwert des Energiestrahls 28 in Abhängigkeit von zumindest einem der loka len Intensitätsmaxima 66 einzustellen. Der Referenz-Überwachungsdatensatz 50 kann in einem Speicher der Steuereinrichtung 30 abgespeichert und damit für die additive Herstellung des Bau teilbereichs 12 des Bauteils 14 durch das additive Schichtbauverfahren bereitgestellt werden. Vorzugsweise können der Referenz-Bauteilbereich 60 und der Bauteilbereich 12 zueinander kongruent sein. Dementsprechend können auch das Referenz-Bauteil 62 und das Bauteil 14 zu einander kongruent sein. Die Schichtbauvorrichtung 10 umfasst vorliegend eine Kamera 36, ins besondere Wärmebildkamera, mittels welcher die Referenz-Falschfarbwerte 64 erfasst werden können. Die Kamera 36 ist mit der Steuereinrichtung 30 zum Datenaustausch gekoppelt.

FIG. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Schichtoberfläche des Referenz- Bauteilbereichs 60 und damit zumindest ausschnittsweise das Referenz-Bauteil 62 während dessen additiver Herstellung anhand der Schichtbauvorrichtung 10. Darüber hinaus sind in Fig. 2 die anhand der Kamera 36 durch optische Thermographie ermittelten Referenz-Falschfarbwerte 64 sowie die verschiedenen lokalen Intensitätsmaxima 66 der Referenz-Falschfarbwerte 64 erkennbar.

Der Referenz-Überwachungsdatensatz 50 charakterisiert eine Referenz-Gefügestrukturverteilung in dem gesamten Referenz-Bauteil 62 sowie in dem Referenz-Bauteilbereich 60. Darüber hinaus charakterisiert der Referenz-Überwachungsdatensatz 50 zumindest einen, der Referenz- Gefügestrukturverteilung zugeordneten Referenz-Belichtungsparameterwert. Der Referenz- Belichtungsparameterwert kann beispielsweise einer Energieeinbringung entsprechen, welche durch den Energiestrahl 28 bewirkt werden kann, um das Referenz-Bauteil 62 aus dem Werk stoff 22 bei der additiven Herstellung des Referenz-Bauteils 62 herzustellen. Die Energieein bringung kann auch als Energieeintrag bezeichnet werden. Des Weiteren kann die Energieeinbringung ortsabhängig und zusätzlich oder alternativ geometrieabhängig erfolgen.

Die Steuereinrichtung 30 ist zudem dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von der Referenz- Gefügestrukturverteilung und dem zumindest einen Referenz-Belichtungsparameterwert wenigstens einen Korrekturwert zu ermitteln. Der wenigstens eine Belichtungsparameterwert wird dann um den wenigstens einen Korrekturwert von dem zumindest einen Referenz- Belichtungsparameterwert abweichend eingestellt, wodurch zumindest der Bauteilbereich 12 mit einer Gefügestrukturverteilung versehen wird, welche eine geringere Defektdichte und/oder eine geringere Defektanzahl aufweist, als die Referenz-Gefügestrukturverteilung.

FIG. 3 zeigt in einer schematischen Darstellung die Schichtoberfläche des Bauteilbereichs 12 und damit zumindest ausschnittsweise das Bauteil 14 während dessen additiven Herstellens durch das Schichtbauverfahren. In Fig. 3 sind zudem jeweilige, anhand der Kamera 36 durch op tische Thermographie ermittelte Falschfarbwerte 74 erkennbar. Ebenso wie die Referenz- Falschfarbwerte 64 werden auch die Falschfarbwerte 74 anhand der Kamera 36 schichtweise erfasst und abgespeichert. So wird basierend auf den Falschfarbwerten 74 und damit auf optischer Tomographie der verschiedenen Bauteilschichten basierend der Überwachungsdatensatz 70 er stellt, welcher zur Überwachung des additiven Herstellens zumindest des Bauteilbereichs 12 mit dem Referenz-Überwachungsdatensatz 50 verglichen wird. Der Überwachungsdatensatz 70 wird in dem Speicher der Steuereinrichtung 30 abgespeichert.

Aus der Zusammenschau von Fig. 2 und Fig. 3 ist erkennbar, dass bei der Herstellung des Bau teilbereichs 12 (siehe Fig. 3) eine deutlich gleichmäßigere Energieeinbringung mittels des Ener giestrahls 28 erfolgt, als bei der Herstellung des Referenz-Bauteilbereichs 60 (siehe Fig. 2).

FIG. 4 und Fig. 5 zeigen jeweils schematische Detailansichten verschiedener Oberflächenseg mente des Referenz-Bauteilbereichs 60. Fig. 4 zeigt in vergrößerter Darstellung einen in Fig. 2 umrandeten Bereich A, wohingegen Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines in Fig. 2 umrandeten Bereichs B zeigt. Im Bereich A erfolgte bei der additiven Herstellung eine größere Energieeinbringung anhand des Energiestrahls 28, wobei im Bereich A eines der Intensitätmaxima 66 zu erkennen ist. Dementsprechend ist im Bereich A eine größere Anzahl an Defekten 76 (Defektan zahl) in Form von Poren und Rissen und eine größere Dichte an Defekten 76 (Defektdichte) erkennbar als im Bereich B, wie aus der Zusammenschau von Fig. 4 und Fig. 5 hervorgeht.

FIG. 6 zeigt zur weiteren Verdeutlichung eine Gefugeschliffbild des in Fig. 5 dargestellten Be reichs B, wohingegen Fig. 7 ein weiteres Gefugeschliffbild des in Fig. 4 dargestellten Bereichs A zeigt. Die in Fig. 6 und Fig. 7 gezeigten Darstellungen können beispielsweise durch Elektro nenrückstreubeugung (EBSD) gewonnen werden. Aus der Zusammenschau von Fig. 6 und Fig. 7 ist erkennbar, dass ein geringer Energieeintrag zu geringeren Referenz-Falschfarbwerten 64 so wie zu geringerer Korngröße (siehe Fig. 6) in einer Gefügestruktur des Referenz-Bauteilbereichs 60 führen kann, wohingegen ein im Vergleich dazu größerer Energieeintrag zu größeren Refe renz-Falschfarbwerten 64 sowie zu größerer Korngröße (siehe Fig. 7) in der Gefügestruktur des Referenz-Bauteilbereichs 60 führen kann. Es hat sich also insgesamt gezeigt, dass mit höherem Energieeintrag anhand des Energiestrahls 28 in Teilbereichen des Referenz-Bauteilbereiches 60 bzw. des Bauteilbereichs 12 auch eine größere Gefügeanisotropie und damit größere Werkstoff- kömer in diesen Teilbereichen auftreten, wobei die Teilbereiche mit höherem Energieeintrag auch durch entsprechend höhere, durch optische Tomographie ermittelte Referenz- Falschfarbwerte 64 bzw. Falschfarbwerte 74, beispielsweise in Form von höheren Grauwerten, erkannt, insbesondere quantifiziert werden können. Je höher die Referenz-Falschfarbwerte 64 bzw. Falschfarbwerte 74 also sind, desto größer sind infolge des Energieeintrags auch die ent sprechenden Werkstoffkömer bzw. die entsprechende Gefügeanisotropie.

Das vorliegende Schichtbauverfahren bzw. die vorliegende Schichtbauvorrichtung 10 ermöglicht eine wirksame Abschätzung einer zu erwartenden Defektverteilung in Form einer Defekthäufig keit und Defektgröße bzw. der Defektdichte und zusätzlich oder alternativ der Defektanzahl in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie anhand der ermittelten Referenz-Falschfarbwerte 64 bzw. Falschfarbwerte 74, bei welchen es sich beispielsweise um jeweilige Grauwerte handeln kann. Durch die optische Tomografie kann anhand der Referenz-Falschfarbwerte 64 bzw.

Falschfarbwerte 74 eine jeweilige Bewertung einer Orientierung und Verteilung von Material- kömem mittlerer und maximaler Größe erfolgen. Anhand der optischen Tomografie kann zudem ein durch das Aufschmelzen anhand des Energiestrahls 28 beeinflusster Wärmehaushalt im Bau teil 14 bzw. im Bauteilbereich 12 optimiert werden. Die optische Tomografie gestattet es anhand der Referenz-Falschfarbwerte 64 bzw. Falschfarbwerte 74 jeweilige Teilbereiche zu erkennen, in welchen unterschiedliche Temperaturen herrschen. Durch die optische Tomografie können beispielsweise Wärmeleitbedingungen im Bauteilbereich 12 bzw. im Referenz-Bauteilbereich 60 aufgrund der jeweiligen Bauteilgeometrie berücksichtigt und damit ungewollte Änderungen von Einflussgrößen wie beispielsweise einer Scanvektorlänge und eines Spurüberlapps vermieden werden. Dadurch können unerwünschte, wesentliche Änderungen der jeweiligen Referenz- Gefügestruktur bzw. Gefügestruktur und damit einhergehende Änderungen der Materialeigenschaften (statische und zyklische Festigkeit, Defektdichte) des aufgeschmolzenen Werkstoffs 22 vermieden werden.

Das Schichtbauverfahren bzw. die Schichtbauvorrichtung 10 ermöglichen es die lokalen Intensi- tätsmaxima 66 zu nutzen, um den Wärmehaushalt gezielt einzustellen. Zusätzlich kann auch ein Referenz-Falschfarbmittelwert aus den Referenz-Falschfarbwerten 64 gebildet werden um das additive Herstellen des Bauteilbereichs 12 bzw. des Bauteils 14 basierend auf dem Referenz- Falschfarbmittelwert, welcher beispielsweise als Grauwertlagenmittelwert ausgebildet sein kann, schichtweise stabil zu halten.

Anhand des vorliegenden Schichtbauverfahrens bzw. anhand der Schichtbauvorrichtung 10 kann eine Korrelation zwischen den lokalen Intensitätsmaxima 66 der Referenz-Falschfarbwerte 64 und den Werkstoffeigenschaften des Werkstoffs 22 sowie der Defektverteilung genutzt werden um den Bauteilbereich 12 bzw. das Bauteil 14 additiv herzustellen.

Durch Analyse jeweiliger, anhand der Kamera 36 aufgezeichneter Schichtdaten des Referenz- Bauteilbereichs 60 bzw. des Referenz-Bauteils 62 in Bezug auf die lokalen Intensitätsmaxima 66 können die Änderungen im Wärmehaushalt, wie anhand von Fig. 2 erkennbar, aufgezeigt und bewertet werden.

Der Referenz-Bauteilbereich 60 bzw. das Referenz-Bauteil 62 kann zunächst mit einem konstanten Referenz-Belichtungsparameterwert des Energiestrahls 28 aufgebaut und durch die optische Tomografie aufgezeichnet werden, wodurch die Referenz-Falschfarbwerte 64 schichtweise, beispielsweise als Referenz-Grauwerte, erfasst werden können. Eine Normierung und Angleichung der erfassten Referenz-Falschfarbwerte 64 auf einen definierten Referenz-Sollwert (mit definier ter Referenz-Gefügestruktur und Defektverteilung) kann Eingangsgröße für die Berechnung ei nes auf die Bauteilgeometrie des Bauteilbereichs 12 oder des Bauteils 14 bezogenen Parameters in Form des wenigstens einen Belichtungsparameterwertes sein, der als Ziel eine gleichmäßigere Gefügestruktur sowie Defektverteilung im Bauteilbereich 12 bzw. im Bauteil 14 liefert.

Zeigen beispielsweise die Referenz-Falschfarbwerte 64 bei der additiven Herstellung des Refe- renz-Bauteilbereichs 60 bzw. des Referenz-Bauteils 62 Intensitätsschwankungen von 20 %, so kann der wenigstens eine Belichtungsparameterwert zum additiven Herstellen des Bauteilbe reichs 12 bzw. des Bauteils 14 derart eingestellt werden, dass die Energieeinbringung bei der Herstellung des Bauteilbereichs 12 bzw. des Bauteils 14 im Vergleich zur additiven Herstellung des Referenz-Bauteilbereichs 60 bzw. des Referenz-Bauteils 62 um 20 % reduziert wird.

Die Analyse der lokalen Referenz-Falschfarbwerte 64 (beispielsweise der lokalen Referenz- Grauwerte) ermöglicht eine lokale und damit ortsabhängige Bewertung des Wärmehaushalts und daraus resultierende Werkstoffeigenschaften im Referenz-Bauteil 62 bzw. dem Bauteil 14. Die Analyse der lokalen Referenz-Falschfarbwerte 64 kann als Eingangsgröße für die baute ilgeomet- rieabhängige Anpassung des Belichtungsparameterwertes verwendet werden. Durch dreidimensionale Analyse eines aus jeweiligen Einzelschichten des Referenz-Bauteilbereichs 60 bzw. des Referenz-Bauteils 62 aufgebauten Referenz-Bildstapels können besonders relevante Bereiche für eine zerstörende Prüfung identifiziert werden. Die Möglichkeit der Überwachung der Referenz- Falschfarbwerte 64 kann auch dazu verwendet werden, Parameter für gezielte Gefügeeinstellun- gen mit bestimmten mechanischen Eigenschaften abzusichern.

Bezugszeichenliste:

10 Schichtbauvorrichtung

12 Bauteilbereich

14 Bauteil

16 Pulverzuführung

18 Pulverbehälter

20 Beschichter

22 Werkstoff

24 Bauplattform

26 Strahlungsquelle

28 Energiestrahl

30 Steuereinrichtung

32 Einrichtung

34 Heizeinrichtung

36 Kamera

40 Scanlinie

50 Referenz-Überwachungsdatensatz 60 Referenz-Bauteilbereich

62 Referenz-Bauteil

64 Referenz-Falschfarbwerte

66 lokales Intensitätsmaximum

70 Überwachungsdatensatz

74 Falschfarbwerte

76 Defekt

11 Aufbau- und Fügezone

III Pfeil

B Bewegung der Bauplattform