(57)【要約】  本発明は、部材の付加製造のための方法に関するものであり、当該方法においては、特に粉末状の材料から成る多数の層が連続して供給され、材料層それぞれは、エネルギー光線で、所定の部材形状に従って走査され、既に製造された部材部分（１）の、及び／又は、それぞれ供給された前記材料層の、及び／又は、その上に部材が構築される作業台（４）の追加加熱が行われ、少なくとも１つの材料層に関して、その上に前記材料層が供給される表面における温度分布、及び／又は、供給された前記層の表面上の温度分布が、測定技術的に検出され、前記材料層の走査プロセスの範囲内で、エネルギー光線（７）によって導入されるエネルギー量が、その上に前記層が供給される表面における検出された温度分布に依存して、及び／又は、前記層の表面における検出された温度分布に依存して変えられる。本発明は、さらに、部材の付加製造のための装置及び部材に関する。
2021507121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部材の付加製造のための方法であって、特に粉末状の材料から成る多数の層が連続して供給され、材料層それぞれは、少なくとも１つのエネルギー光線、特に少なくとも１つのレーザー光線（７）で、所定の部材形状に従って走査され、既に製造された部材部分（１）の、及び／又は、それぞれ供給された前記材料層の、及び／又は、上に部材が構築される作業台（４）の追加加熱が行われる方法において、
少なくとも１つの、特に前記材料層それぞれに関して、上に前記材料層が供給される表面における温度分布が、特に前記層の供給の前に、測定技術的に検出されること、及び／又は、供給された前記層の表面上の温度分布が測定技術的に検出されること、並びに、前記材料層の走査プロセスの範囲内で、上に前記層が供給される表面における検出された温度分布に依存して、及び／又は、前記層の表面における検出された温度分布に依存して、特に温度分布の不均等性が減少するか、又は、補償されるように、少なくとも１つのエネルギー光線（７）によって導入されるエネルギー量が変えられることを特徴とする方法。
【請求項２】
第１の、最下層の前記材料層に関して、上に第１の層が供給される前記作業台（４）の表面における温度分布が、特に前記第１の層の供給の前に、測定技術的に検出され、前記第１の層の走査プロセスの範囲内で、少なくとも１つの前記エネルギー光線（７）によって導入されるエネルギー量が、前記作業台（４）の表面における検出された温度分布に依存して変えられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
走査プロセスの間に、少なくとも１つの前記エネルギー光線の強度及び／若しくは出力及び／若しくはパルス持続時間及び／若しくはビーム直径若しくは焦点直径及び／若しくは移動速度が、並びに／又は、少なくとも１つの前記エネルギー光線が前記材料層の上を移動する際に沿う走査ベクトル、特に走査線の密度が、走査プロセスの間に変えられることによって、少なくとも１つの前記エネルギー光線（７）で導入されるエネルギー量が変化することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
上に前記材料層が供給される表面における温度分布が、サーモカメラ（１１）を用いて、前記表面の熱画像を撮影することによって、測定技術的に検出されること、及び／又は、前記材料層の表面における温度分布が、サーモカメラ（１１）を用いて、前記材料層の表面の熱画像を撮影することによって、測定技術的に検出されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
少なくとも１つの検出された前記熱画像が評価され、少なくとも１つの前記エネルギー光線（７）によって導入されるエネルギー量は、前記評価の結果に依存して変えられることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記熱画像に基づいて、少なくとも１つの温度勾配が算出され、少なくとも１つの前記エネルギー光線（７）によって導入されたエネルギー量は、前記走査プロセスの間に、算出された前記温度勾配に依存して変えられることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記走査プロセスの間における変化が、検出された前記温度分布によると、比較的低い温度が存在する場所では、少なくとも１つの前記エネルギー光線（７）によって導入されるエネルギー量が増大し、及び／又は、検出された前記温度分布によると、比較的高い温度が存在する場所では、少なくとも１つの前記エネルギー光線（７）によって導入されるエネルギー量が減少するような変化であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記温度分布の検出が、少なくとも、前記材料層の走査されるべき領域が延在している表面の領域にわたって行われることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
それぞれ供給される前記材料層及び／又は既に製造された前記部材部分（１）及び／又は上に前記部材が構築される前記作業台（４）の追加加熱は、少なくとも１つの誘導コイル（１０）を用いて誘導的に行われることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の方法を用いて製造された、特にターボ機械のための部材。
【請求項１１】
部材の付加製造、特に請求項１から９のいずれか一項に記載の方法の実施のための装置であって、
−特に作業台（４）の上方に決められた作業領域と、
−重なり合う、好ましくは粉末状の材料層を前記作業領域に供給するための手段と、
−少なくとも１つのエネルギー光線、特にレーザー光線（７）を放射し、前記作業領域に供給された前記材料層を、少なくとも１つの前記エネルギー光線、特にレーザー光線（７）で、所定の部材形状に従って走査するように設計かつ構成されたエネルギー光線装置、特にレーザー光線装置（８）と、
−前記作業領域に供給された前記材料層及び／又は既に製造された部材部分（１）及び／又は前記作業台（４）を、特に誘導加熱するための手段（１０）と、
を含む装置において、さらに、
−前記作業台（４）及び／又は前記作業台（４）の上に既に製造された前記部材部分（１）及び／又は前記作業台（４）の上若しくは既に製造された前記部材部分（１）の上に供給された前記材料層の表面における温度分布を測定技術的に検出するための検出手段（１１）と、
−走査プロセスの間に、前記エネルギー光線装置（８）によって供給された少なくとも１つの前記エネルギー光線（７）によって導入されるエネルギー量を、前記検出手段（１１）によって検出される温度分布に依存して変更するために、特に、前記温度分布の不均等性が補償又は削減されるように変更するために設計かつ構成された制御手段（１２）と、
を有していることを特徴とする装置。
【請求項１２】
前記検出手段が、少なくとも１つのサーモカメラ（１１）を含んでいるか、又は、前記サーモカメラによって与えられること、及び／又は、加熱のための手段は、少なくとも１つの誘導コイル（１０）を含んでいるか、又は、前記誘導コイルによって与えられることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記制御手段（１２）が、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法を実施するように設計かつ構成されていることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部材、特にターボ機械のための部材の付加製造のための方法に関するものであり、当該方法においては、特に粉末状の材料から成る多数の層が連続して供給され、各材料層は、少なくとも１つのエネルギー光線、特に少なくとも１つのレーザー光線で、所定の部材形状に従って走査され、既に製造された部材部分の、及び／又は、それぞれ供給された材料層の、及び／又は、その上に部材が構築される作業台の追加加熱が行われる。
【背景技術】
【０００２】
さらに、本発明は、部材、特にターボ機械のための部材の付加製造のための装置に関するものであり、当該装置は、
−特に作業台の上方に決められた作業領域と、
−重なり合う、好ましくは粉末状の材料層を作業領域に供給するための手段と、
−少なくとも１つのエネルギー光線、特にレーザー光線を放射し、作業領域に供給された材料層を、少なくとも１つのエネルギー光線、特にレーザー光線で、所定の部材形状に従って走査するように設計かつ構成されたエネルギー光線装置、特にレーザー光線装置と、
−作業領域に供給された材料層及び／又は既に製造された部材部分及び／又は作業台を、特に誘導加熱するための手段と、
を含んでいる。
【０００３】
最後に、本発明は、部材、特にターボ機械のための部材に関する。
【０００４】
部材、特に複雑な幾何学的形状を有する部材は、機械加工製造方法では、比較的多くの負担によってのみ実現されることがあるか、又は、全く実現できないことさえある。この関連において、近年では、別の可能性として、いわゆる付加製造法（英語ではＡＭ）が注目されている。
【０００５】
部材の付加製造のための方法及び装置は、先行技術から十分に知られている。これらの構築方法では、特に粉末状の多数の材料層が、重なり合うように連続的に供給され、各層は、１つ又は複数のエネルギー光線、特にレーザー光線又は電子ビームを用いて、所定の部材形状に従って走査され、これによって、局所的に溶融又は焼結する。その際、多くの層が供給され、それぞれ、製造されるべき部材が完成するまで、少なくとも１つのエネルギー光線で走査される。
【０００６】
付加製造法の例として挙げられるのは、選択的レーザー溶融（英語ではＳＬＭ）、又は、選択的電子ビーム溶融（英語ではＳＥＢＭ）、及び、粉末床からの選択的レーザー光線焼結（英語ではＳＬＳ）、又は、選択的電子ビーム焼結（英語ではＳＥＢＳ）、及び、レーザー粉末肉盛溶接（ＬＰＡ）である。
【０００７】
特許文献１からは、例えば、ＳＬＭによる、粉末床からの部材の付加製造のための方法及び装置が明らかである。その際、部材の層状の構築は、製造シリンダの底部を形成し、高さの調節が可能である作業台の上で行われ、粉末層を供給するための手段が設けられており、当該手段は、作業台の横に配置された、持ち上げることが可能な底部を有する貯蔵シリンダと、ドクターブレードとして構成された分配装置と、を含んでおり、当該分配装置を用いて、粉末が、貯蔵シリンダから製造シリンダに輸送され、平らにされ得る。貯蔵シリンダ内に供給された粉末は、貯蔵シリンダから、徐々に、その底部を持ち上げることによって、上に向かって押し上げられ、ドクターブレードを用いて、貯蔵シリンダの横に位置する建設台上に層状に移され、建設台上で分配される。
【０００８】
付加製造のための既知の装置及び方法は、原則的に維持されている。当該装置及び方法は、特に、得られる部材形状に関して、高い程度の柔軟性という大きな利点を提供する。
【０００９】
しかしながら、付加製造の範囲内では、１つ又は複数の走査ビーム、例えばレーザー光線又は電子ビームによるエネルギー入力は、極めて局所的であり、放熱の可能性は、特に粉末床において、比較的低い。従って、高い温度勾配が発生し、熱亀裂の形成がもたらされ得る。この問題は、特に、溶接が困難な材料から部材を製造すべき場合に生じる。ここで、単なる例として挙げられるのは、特に、タービンのロータブレード及びガイドベーン並びに燃焼器の構成要素に用いられるような、高耐熱性を有する合金と、ニッケル、コバルト及び鉄の基本元素とである。
【００１０】
この問題を考慮すると、溶接が困難な材料は、付加製造の範囲内では一般的に、高い質では加工され得ず、この製造方法に結びついた利点は、むしろ、良好に溶接可能な材料に関するものに留まっている。
【００１１】
溶接が困難な材料も、付加製造の範囲内で用いることを可能にするために、例えば１０００℃を超える温度への追加加熱、特に予熱が、期待できる可能性を提供している。走査されるべき材料層及び／又はその下に場合によっては既に存在する部材部分が、走査プロセスの前及び／又は間に加熱される場合、急速な冷却と、それに伴う熱亀裂形成の危険とが回避されるか、又は、少なくとも減少し得る。材料層及び／若しくは部材、又は、付加製造が行われるプロセス室全体をも加熱するために、様々な可能性、特に、抵抗加熱、誘導加熱、赤外線ビームを用いた加熱、又は、電子ビームを用いた加熱も利用することが可能である。
【００１２】
最後に挙げた加熱法は、例えば特許文献２によると、粉末床からのＳＬＭの範囲内で設けられている。その際、追加加熱のための手段が設けられており、当該手段は、粉末床の上方に配置された電子ビーム源を含んでおり、当該電子ビーム源を用いて、電子ビームが、上から垂直に、粉末床に向けられ得る。電子ビームは、材料層のレーザー溶融の前、間及び／又は後で、材料層に向けられる。レーザー源は、粉末床の横に位置しており、走査ビームは、脇から斜めに、粉末床に向けられるので、電子ビームは遮断されない。
【００１３】
少なくとも１つの、粉末床の上方及び／又は周りに配置されたコイルを用いた、ＳＬＭ又はＳＬＳの範囲内での誘導加熱による追加加熱は、特許文献３に記載されている。
【００１４】
特許文献４からも、付加製造法、例えばレーザー粉末肉盛溶接又は粉末床の選択的照射の範囲において、製造されるべき部材の追加加熱、具体的には誘導加熱を行うことが明らかである。このために、追加の誘導加熱を行うための手段は、同様に、少なくとも１つのコイルを含んでおり、特許文献４によると、この少なくとも１つのコイルは移動することが可能であり、その位置は、付加製造の間に変化する。
【００１５】
追加加熱は、より良い結果の獲得、特に改善された特性を備えた部材の獲得を可能にする。なぜなら、亀裂の形成が、溶接が困難な材料を用いても、回避されるか、又は、少なくとも減少するからである。
【００１６】
しかしながら、製造をさらに最適化し、特に、溶接が困難な材料から成る、優れた質を有する部材を得るという必要性が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１４２２２３０２号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２０１５２０１６３７号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第２５７２８１５号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１０２１２２０６１２２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
それゆえ、本発明の課題は、冒頭に挙げた種類の要求を可能にする方法及び装置について記載することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本課題は、冒頭に挙げた種類の方法の場合、少なくとも１つの、特に各材料層に関して、その上に材料層が供給される表面における温度分布が、特に層の供給の前に、測定技術的に検出されることによって、及び／又は、供給された層の表面上の温度分布が測定技術的に検出されることによって、並びに、材料層の走査プロセスの範囲内で、少なくとも１つのエネルギー光線によって導入されるエネルギー量が、その上に層が供給される表面における検出された温度分布に依存して、及び／又は、層の表面における検出された温度分布に依存して、特に温度分布の不均等性が減少するか、又は、補償されるように変えられることによって解決される。
【００２０】
本発明は、追加加熱、又は、特に溶接が困難な材料の加工も可能にする付加製造法における加熱の範囲内では、一般的に、均等な温度分布は得られないという認識に基づいている。むしろ、供給された各材料層又はその下に存在する既に製造された部材部分において、少なくともある程度不均等な温度プロフィールが生じることに、様々な欠点が結びついている。不均等な温度分布の主な欠点は、例えば材料における不均等な温度膨張、これに関連して、材料の肉盛の際の不正確さ、製造中の部材における、制御不能な横方向の熱流束、及び、遠く離れた部材領域における、張力による亀裂の危険である。部材の質が、ネガティブに損なわれる可能性があり、プロセスに起因する欠陥を確実には回避できず、製造プロセスの速度を落とすことが必要になる可能性があり、設計の自由度に関する制限的な境界条件が生じ得る。
【００２１】
本発明によると、この問題は、少なくとも１つのエネルギー光線を用いた、追加加熱及び走査プロセス、特に溶融プロセス又は焼結プロセスが、互いに最適に調整され、具体的には、追加の、例えば誘導加熱の結果として生じる不均等性を補償するために、少なくとも１つのエネルギー光線が、目標を定めて制御されることによって、対処される。本発明によると、少なくとも１つのエネルギー光線の柔軟性は、不均等な温度分布を補償するために用いられる。
【００２２】
本発明によると、このために、少なくとも供給された材料層の領域、例えば走査されるべき領域にわたって、特に追加加熱の結果として、どのような温度分布が生じたのか、及び／又は、生じているのかが、測定技術的に検出された後、材料層の走査に用いられる少なくとも１つのエネルギー光線は、測定に依存して、補償するように制御される。このために、少なくとも１つのエネルギー光線、特にレーザー光線によってもたらされるエネルギー入力は、走査プロセスの間に、適切なパラメータの変更を通じて調整される。その際、特に、体積単位及び／又は時間単位当たりに導入されるエネルギー量が変化する。
【００２３】
本発明に係る手順によって、特に均等なエネルギー導入と、従って、明らかな質の改善とが得られる。プロセスの安定性が向上し、追加加熱に関するコンセプトに対する要求が削減され得る。例えば、既存の加熱コンセプトが、比較的不均等な温度分布のみを供給する場合、比較的不均等な温度分布の供給は、甘受され、比較的容易な方法で、単に、適合したエネルギー光線制御を通じて、補償され得る。本発明に係る手順のさらなる大きな利点は、高速の加熱時間と、従って、製造時間及び費用の削減とが得られる点にある。
【００２４】
本発明に係る方法を用いて、部材を付加製造できる材料は、特に、あらゆる誘導加熱可能な金属、好ましくはニッケルベース、鉄ベース又はコバルトベースの材料であり得る。
【００２５】
金属層の表面、又は、その上に金属層が供給される表面における温度分布の測定技術的な検出は、例えば、所定の適切な時点、例えば層の供給の前又は後に行われ得る。特に好ましくは、測定技術的な検出、及び／又は、検出された温度分布の、例えば検出された熱画像の評価は、引き続いて行われる、少なくとも１つのエネルギー光線を用いた走査プロセスに近い時間に行われる。
【００２６】
例えば、適切なカメラを用いて、温度分布を、通常のビデオのような形で連続的、又は、準連続的に撮影し、特に個々の画像を用いることも可能である。しかしながら、注意すべきことに、連続的又は準連続的とは、一般的に、例えば１秒に当たり複数の画像、又は、数十の画像といった高時間分解を有する、次々に行われる複数の撮影でもあると理解されるべきである。
【００２７】
さらに、部分毎に温度分布が検出されるブロック型の手順も、エネルギー入力、例えば出力の制御のために、カメラの撮影した熱画像それぞれに関して調整が行われる、完全に連続的な撮影も可能である。
【００２８】
さらなる実施形態によると、温度分布の検出は、少なくとも各材料層の走査されるべき領域が延在している表面の領域にわたって行われる。また、測定される領域が「移動する」こと、例えば、温度検出がつねに所定の広がりの領域にわたって行われることも規定されていてよく、当該領域は、つねに、少なくとも１つのエネルギー光線の最新の衝突点、及び／又は、追加で、特に誘導的に加熱が行われる領域を含んでいるか、又は、これらに対して決定される。代表的結果にはつながり得ない過飽和を回避するために、特に有利な実施形態では、少なくとも１つのエネルギー光線、特にレーザー光線が衝突する領域に存在する溶融池が、温度分布の測定技術的検出の際に、フェードアウトされたままである、及び／又は、考慮されないままであることが規定されている。
【００２９】
製造されるべき部材の構築は、一般的に、作業台上で行われるので、一実施形態によると、第１の、最下層の材料層に関して、その上に第１の層が供給される作業台の表面における温度分布が、特に第１の層の供給の前に、測定技術的に検出され、第１の層の走査プロセスの範囲内で、少なくとも１つのエネルギー光線によって導入されるエネルギー量が、作業台の表面における検出された温度分布に依存して変えられることが規定され得る。
【００３０】
本発明に係る方法のさらなる実施形態は、少なくとも１つのエネルギー光線で導入されるエネルギー量が、走査プロセスの間に、少なくとも１つのエネルギー光線の強度及び／若しくは出力及び／若しくはパルス持続時間及び／若しくはビーム直径若しくは焦点直径及び／若しくは移動速度が、並びに／又は、少なくとも１つのエネルギー光線が走査ベクトル、特に走査線に沿って材料層の上を移動する際の走査ベクトル、特に走査線の密度が、走査プロセスの間に変えられることによって変化することを特徴としている。これらのパラメータは、エネルギー入力を、走査プロセスの間に、検出された温度分布に依存して、当該温度分布の不均等性を補償すべく調整するために特に適していることが明らかになっている。エネルギー光線が、走査線に沿って、供給された材料層の上を移動する間に、エネルギー光線の、特にレーザーの出力が上昇する場合、当該走査線の方向において下降している、予熱の結果として生じる温度勾配は補償可能であり、逆もまた然りである。
【００３１】
さらなる有利な態様では、その上に材料層が供給される表面における温度分布が、サーモカメラを用いて、当該表面の熱画像を撮影することによって、測定技術的に検出される。類似の方法で、代替的又は付加的に、材料層の表面における温度分布が、サーモカメラを用いて、材料層の表面の熱画像を撮影することによって、測定技術的に検出され得る。サーモカメラは、特に、赤外線カメラ等の、物体表面の温度を非接触かつ面的に決定することを可能にする、あらゆる種類のカメラであると理解されるべきである。サーモカメラは、特に、視覚上の波長領域におけるカメラと同じように機能するが、一般的に、赤外線波長領域における撮影が行われる。対応して、サーモカメラは一般的に、特に赤外線波長領域において高感度の検出器を有している。使用されるカメラ、特にカメラの検出器の波長は、合理的なことに、カメラによって検出可能であるために十分な熱放射が、カメラの波長領域において放出される限りは、加熱の目標温度に対応している。その際、放出された放射の強度は、温度と相関するので、受け取った放射強度の較正を通じて、温度に換算され得る。
【００３２】
熱画像が撮影される場合、当該熱画像が評価された後、好ましくは、少なくとも１つのエネルギー光線で導入されるエネルギーは、当該評価の結果に依存して変更される。
【００３３】
得られた表面の熱画像は、特に各カメラ画素に関する温度値の形で存在しており、さらなる加工のために使用され得る。利用者に示すために、温度は、例えば疑似カラー画像又はグレースケール画像の形で表され得る。付属のスケールは、濃淡値又は明度に、温度を割り当てることが可能である。
【００３４】
例えば、熱画像に基づいて、少なくとも１つの温度勾配を特定又は算出することが可能である。少なくとも１つのエネルギー光線で導入されるエネルギーは、走査プロセスの間、算出された温度勾配に依存して変更され得る。例えば、走査ベクトル、特に走査線に沿ったエネルギー光線の誘導、特にレーザーの誘導を、検出された温度分布の不均等性に抵抗するように調節することが可能である。
【００３５】
走査プロセスの間における変化は、特に、検出された温度分布によると、比較的低い温度が存在する場所では、少なくとも１つのエネルギー光線によって導入されるエネルギー量が増大し、及び／又は、検出された温度分布によると、比較的高い温度が存在する場所では、少なくとも１つのエネルギー光線によって導入されるエネルギー量が減少するような変化であり得る。比較的とは、特に、既に少なくとも１つのエネルギー光線で走査された材料層の別の場所との比較を意味している。
【００３６】
その際、導入されるエネルギー量の増大は、例えば、少なくとも１つのエネルギー光線の強度及び／若しくは出力の増大、並びに／又は、走査ベクトル、特に走査線に沿って少なくとも１つのエネルギー光線が材料層の上を移動する際の走査ベクトル、特に走査線の密度の増大、並びに／又は、少なくとも１つのエネルギー光線の移動速度の減少によって得られる。同じように、導入されるエネルギー量の減少は、少なくとも１つのエネルギー光線の強度及び／若しくは出力の減少、並びに／又は、走査ベクトル、特に走査線に沿って少なくとも１つのエネルギー光線が材料層の上を移動する際の走査ベクトル、特に走査線の密度の減少、並びに／又は、少なくとも１つのエネルギー光線の移動速度の増大によって得られる。
【００３７】
少なくとも１つのエネルギー光線の出力は、例えば、走査ベクトルに沿って、及び／又は、走査ベクトルから走査ベクトルへと、検出された温度分布に依存して調節され得る。
【００３８】
さらなる好ましい態様では、それぞれ供給される材料層及び／又は既に製造された部材部分及び／又はその上に部材が構築される作業台の追加加熱は、少なくとも１つの誘導コイルを用いて誘導的に行われる。その際、誘導コイルは、誘導加熱を生じさせることが可能なあらゆる装置であると理解されるべきである。例えば、各誘導ループもまた、誘導コイルとして理解されるべきである。
【００３９】
本発明に係る手順は、追加加熱が誘導的に行われる場合に対して、特に極めて適していることが明らかになっている。この場合、１つ又は複数の誘導コイルを用いた加熱のために、渦電流が、特に層の下に存在する、既に製造された部材部分、及び／又は、供給された材料層の下に存在する作業台に形成される。粉末状で供給される材料層に関して、一般的には、加熱は、材料層の下に存在する誘導加熱された中実体を通じて間接的に行われる。なぜなら、粒子の大きさが小さいことによる、粉末粒子における渦電流の誘導は、一般的に、考慮せずともよい程度に小さいからである。しかしながら、特に、任意の形状の部材部分において、渦電流の不均等な分布が生じ、それによって、再び、部材部分と、従って部材部分上に存在する材料層との不均等な加熱がもたらされる。この関連において、好ましくは、部材縁部の加熱が例として挙げられる。本発明に係る方法を実施すると、温度分布における不均等が、少なくとも１つのエネルギー光線の制御によって、特に容易かつ同時に効果的な方法で補償され得る。
【００４０】
自明のことながら、本発明に係る手順の範囲内では、別の種類の追加加熱も、代替的又は付加的に実施可能であり、単に例として挙げられるのは、抵抗加熱、赤外線ビームを用いた加熱、及び、電子ビームを用いた加熱である。
【００４１】
既に製造された部材部分、及び／又は、その上で部材が構築される作業台、及び／又は、それぞれ供給される材料層の、本発明に係る方法の範囲内で行われる追加加熱は、さらに、少なくとも１つのエネルギー光線を用いた材料層の走査プロセスと同時に、及び／又は、当該プロセスの前に、及び／又は、当該プロセスの後に行われ得る。
【００４２】
さらに、所望の形状の部材の製造のために必要な材料層それぞれの走査プロセスに関して、追加加熱を、前及び／若しくは後及び／若しくは同時に行うこと、又は、材料層の一部に関してのみ行ってもよい。
【００４３】
冒頭に述べた種類の装置に関しては、上述の課題は、装置が、さらに、
−作業台及び／又は作業台の上に既に製造された部材部分及び／又は作業台の上若しくは既に製造された部材部分の上に供給された材料層の表面における温度分布を測定技術的に検出するための検出手段と、
−走査プロセスの間に、エネルギー光線装置によって供給された少なくとも１つのエネルギー光線によって導入されるエネルギー量を、検出手段によって検出される温度分布に依存して変更するために、特に、温度分布の不均等性が補償又は削減されるように変更するために設計かつ構成された制御手段と、
を有していることによって解決される。
【００４４】
検出手段は、特に少なくとも１つのサーモカメラを含んでいるか、又は、当該サーモカメラによって与えられていてよい。代替的又は付加的に、加熱のための手段は、少なくとも１つの誘導コイルを含んでいるか、又は、当該誘導コイルによって形成されていてよい。
【００４５】
本発明に係る装置の制御手段は、さらに、好ましくは、上述の本発明に係る方法を実施するように設計かつ構成されている。
【００４６】
制御手段は、コンピュータによって形成されるか、又は、コンピュータを含み得る。制御手段は特に、一方ではエネルギー光線装置と、他方では温度分布を測定技術的に検出するための検出手段と接続されており、それによって、供給された材料層の温度に関する測定結果が、制御手段に伝達され、場合によっては、評価されることが可能であり、少なくとも１つの、エネルギー光線装置によって供給されるエネルギー、特にレーザー光線は、当該結果に基づいて制御される。温度分布に関する測定結果の評価を実施可能にするために、制御手段は、好ましくは制御手段かつ評価手段として構成されているか、又は、評価手段が設けられ、制御手段と接続されている。
【００４７】
本発明のさらなる対象は、部材、特にターボ機械のための部材であり、当該部材は、本発明に係る方法を実施して製造されたものである。
【００４８】
本発明のさらなる特徴及び利点は、図面を用いた、以下の本発明に係る装置及び方法の実施例の説明によって、明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態に係る、部材の付加製造のための装置の、極めて概略的な斜視図である。
【図２】図１の装置の極めて概略的な断面図である。
【図３】図１に係る装置のサーモカメラを用いて検出された、既に製造された部材部分の表面の熱画像を通じて、温度変化が、所定の線に沿って示されているグラフの図である。
【図４】図３の温度変化を補償するレーザー出力の変化が、先行技術の一定なレーザー出力と比較して示されているグラフの図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
図１及び図２は、本発明に係る部材の付加製造のための装置の実施例の、極めて概略的で、著しく単純化された描写を示しており、当該部材に関しては、図面において、既に製造された部材部分１が認識される。図１は斜視図であり、図２は断面図である。両方の図面には示されていない装置の構成要素もあるが、当該構成要素は、それぞれ他方の図面からは認識され得ることに注意すべきである。
【００５１】
当該装置は、先行技術から既に十分知られているように、シリンダ２によって画定された作業室３を含んでおり、作業室３内には、作業台４が、スタンプ５によって垂直に移動可能であるように配置されている。シリンダ２、作業室３及びスタンプ５は、図２にのみ示されている。
【００５２】
当該装置は、さらに、多数の重なり合う粉末層を供給するための手段を含んでおり、当該手段は、先行技術から同じく既に知られているように、図示されていないがシリンダ２のすぐ横に配置された粉末貯蔵装置と、同じく視認不可能であるドクターブレードとを含んでいる。図２から認識できるように、シリンダ２は、粉末６で満たされている。作業台４の上方、又は、第２の粉末層以降は、作業台４の上に存在する既に付加製造された部材部分１の上方に粉末層を供給するために、それぞれ、十分に知られているように、粉末６が、粉末貯蔵装置から、ドクターブレードを用いて作業室３に輸送され、作業室３内で平らにされる。
【００５３】
部材を得るために、重なり合って供給される粉末層のそれぞれは、所定の部材形状に従って、レーザー光線７を用いて選択的に溶融される。レーザー光線７は、当該装置の、図１にのみ示されたレーザー光線装置８によって供給され、走査装置９を用いて、所定の形状に従って、粉末層の上方を移動する。
【００５４】
当該装置は、さらに、作業台４又は作業台４の上に既に構築された部材部分１の誘導加熱のための手段を含んでおり、当該手段は、ここでは、誘導コイル１０によって与えられている。コイル１０を用いて、動作中に、作業台４及び／又は作業台４上に既に製造された部材部分１における製造プロセスの間、渦電流が誘導され、誘導加熱される。追加の誘導加熱によって、特に、熱亀裂の形成が回避又は削減され、溶接が困難な材料も加工可能である。図示された実施例では、ニッケルベースの材料が使用されている。
【００５５】
さらに、検出手段が設けられており、当該検出手段は、作業台４若しくは作業台４の上に既に製造された部材部分１の表面、又は、供給された粉末層の表面における温度分布を測定技術的に検出するように構成されている。図示された実施例の場合、検出手段は、装置の図１においてのみ視認可能である赤外線カメラ１１によって与えられており、赤外線カメラ１１は、上から、作業台４又は作業台４の上に既に構築されている部材部分１の方向を「見ている」（図１を参照）。
【００５６】
ここに記載された装置のさらなる構成要素は、中央の制御装置１２であり、当該制御装置は、スタンプ５、粉末層を供給するための手段、レーザー光線装置８、走査装置９、コイル１０、及び、赤外線カメラ１１、又は、これらにそれぞれ配設されたさらなる、図面からは視認できない制御装置と接続されている。
【００５７】
図１及び図２に係る装置を使用して、本発明に係る部材の付加製造のための方法を実施することが可能である。
【００５８】
その際、供給された各粉末層に関して、その上に各粉末層が供給される表面における温度分布が、測定技術的に検出される。ここに記載された実施例の場合、温度分布の測定技術的検出は、それぞれ層の供給の前に、各供給表面から、赤外線カメラ１１を用いて、熱画像が撮影されることによって行われる。その際、検出及び／又は検出された熱画像の時間的な評価は、好ましくは、後続の少なくとも１つのエネルギー光線、特にレーザー光線を用いた走査プロセスに近い時間に行われる。代替的に、赤外線カメラが連続的に撮影を行い、適切な時点の熱画像を用いることも可能である。
【００５９】
部分毎に温度分布が検出されるブロック型の手順も、例えば出力の制御のために、カメラの撮影した熱画像それぞれに関して調整が行われる、完全に（準）連続的な撮影も可能である
【００６０】
その際、赤外線カメラ１１は、既知の方法で、赤外線波長領域における、各表面から放出される熱放射の画像を撮影する。得られる表面の熱画像は、各カメラ画素に関する温度値の形で存在しており、さらなる加工に用いられ得る。利用者に示すために、温度は、例えば疑似カラー画像又はグレースケール画像の形で表され得る。
【００６１】
当該供給表面は、第１の最下層に関しては、図面において作業台４の上を向いた側の表面であり、他の層全体に関しては、図４においてそれぞれ既に構築された部材部分１の上を向いた側の表面である。
【００６２】
各層に関して予め撮影された熱画像は、それぞれ評価され、具体的には、のちのレーザー光線７の走査線に対応する所定の線に沿って、温度勾配が算出され、当該線に沿って、レーザー光線７が、各層を選択的に溶融するために各層の上を移動する。図示された実施例では、レーザー光線７が、ｘ方向及びｙ方向において、層の上を移動するが、これは、図１では、２つの互いに直交する両矢印によって示されている。
【００６３】
図３には、例示的に、部材部分１に関して検出された熱画像を通じて、算出された温度変化１３が、所定の線（本図ではｘ方向）に沿って示されている。ｙ軸は、温度を「Ｔ」で表し、ｘ軸は、部材に沿った区間を「ｓ」で表している。考察される線に沿って、温度分布に、わずかとは言えない不均等性が存在していることが認識される。具体的には、周縁領域において、中央よりも明らかに温度が高く、これは、誘導加熱の範囲内での部材縁部の好ましい加熱に起因するものと見なされる。
【００６４】
本発明によると、引き続き行われる走査プロセスの間に、レーザー光線７によって導入されるエネルギー量は、走査線に沿って移動する間に、算出された温度勾配に依存して、既存の不均等性が減少するか、補償されるように変化する。図示された実施例では、これは、各走査線に沿って移動する間の、レーザー光線７の出力の調整によって実現される。図３に示された温度変化１３に関して補償しているレーザー出力１４の例示的な変化は、図４から引き出され得る。このグラフでは、ｙ軸は、レーザー出力を「Ｐ」で表し、ｘ軸はやはり、部材に沿った区間を「ｓ」で表している。図３と図４とを比較することによって、検出された温度分布によると、比較的低い温度が存在する場所では、レーザー出力が増大し、検出された温度分布によると、比較的高い温度が存在する場所では、レーザー出力はそれぞれ減少したことが認識される。先行技術に係る、レーザー出力１５が一定である場合も、同じく図４に示されている。
【００６５】
記載された実施例の評価ステップ及び制御ステップ全体は、中央の制御装置１２を用いて行われ、制御装置１２は、その実施に対応して設計かつ構成されていることに注意すべきである。図示された実施例では、制御装置１２は、このために、特にコンピュータを含んでいる。
【００６６】
本発明に係る手順によって、特に均等なエネルギー導入と、従って、明らかな質の改善とが得られる。プロセスの安定性が増大し、追加加熱に関するコンセプトへの要求は減少し得る。さらなる大きな利点は、高速の加熱時間と、従って、製造時間及び費用の削減とが得られることにある。
【００６７】
本発明が、好ましい実施例によって、詳細に図示かつ説明されてきたが、本発明は、記載された例によって限定されるものではなく、本発明の保護範囲を離れることなく、当業者は、別の変型例を実施例から引き出すことができる。
【００６８】
例えば、レーザー出力に対して代替的又は付加的に、レーザー光線７の移動速度も、不均等な温度分布を補償するために調整され得る。走査線の密度を変更することも可能である。追加の誘導加熱に基づく既存の不均等性の補償が可能である限りにおいて、さらなるレーザーパラメータの付加的又は代替的な調整が、同じく考えられる。自明のことながら、誘導加熱に対して代替的又は付加的に、例えば抵抗加熱又は赤外線ビームを用いた加熱等の、別の方法で加熱を行うことも可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１  部材部分
２  シリンダ
３  作業室
４  作業台
５  スタンプ
６  粉末
７  レーザー光線
８  レーザー光線装置
９  走査装置
１０  コイル
１１  赤外線カメラ
１２  中央の制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2021507121.tif 000008
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