EP4511183A1 - Verfahren und vorrichtung zur generierung von steuerdaten für eine vorrichtung zur additiven fertigung eines bauteils - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur generierung von steuerdaten für eine vorrichtung zur additiven fertigung eines bauteils

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Publication number
EP4511183A1
EP4511183A1 EP23717573.2A EP23717573A EP4511183A1 EP 4511183 A1 EP4511183 A1 EP 4511183A1 EP 23717573 A EP23717573 A EP 23717573A EP 4511183 A1 EP4511183 A1 EP 4511183A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
filling
solidification
scan vectors
component
control data
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23717573.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus RADEK
Ludger HÜMMELER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
EOS GmbH
Original Assignee
EOS GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EOS GmbH filed Critical EOS GmbH
Publication of EP4511183A1 publication Critical patent/EP4511183A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B22F10/366—Scanning parameters, e.g. hatch distance or scanning strategy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes

Definitions

  • the invention relates to a method and a device (“control data generation device”) for generating control data for a device for the additive manufacturing of a component in a manufacturing process in which the component is in the form of component layers in a construction field by selective solidification of building material by means of irradiation of the building material at least one energy beam is built up.
  • the invention further relates to corresponding control data, a method for the additive manufacturing of a component with such control data, a device for additive manufacturing, and a control device for such a device.
  • additive manufacturing processes are those manufacturing processes in which a manufactured product (“component”) is usually built on the basis of digital 3D design data by depositing material (the “construction material”). The structure is usually, but not necessarily, done in layers.
  • 3D printing is often used as a synonym for additive manufacturing; the production of models, samples and prototypes with additive manufacturing processes is often referred to as “rapid prototyping”, the production of tools as “rapid tooling” and flexible Production of series components is referred to as “rapid manufacturing”.
  • a key point is the selective solidification of the building material, with this solidification being achieved in many manufacturing processes with the help of irradiation with radiant energy, e.g. B. electromagnetic radiation, in particular light and / or heat radiation, but possibly also with particle radiation such as. B. electron radiation can take place.
  • radiant energy e.g. B. electromagnetic radiation, in particular light and / or heat radiation, but possibly also with particle radiation such as. B. electron radiation can take place.
  • processes that work with irradiation are “selective laser sintering” or “selective laser melting”.
  • Thin layers of a mostly powdery building material are repeatedly applied one on top of the other and in each layer the building material is selectively solidified by spatially limited irradiation of the areas that are to be part of the component to be manufactured after production in a “welding process” in which the powder grains of the building material are with the help partially or completely melted by the energy introduced locally at this point by the radiation. During cooling, these powder grains then solidify together to form a solid.
  • the energy beam is usually directed along solidification paths over the The construction field is guided and the remelting or solidification of the material in the respective layer takes place in the form of “welding tracks” or “welding beads”, so that ultimately there are a large number of such layers formed from welding tracks in the component. In this way, components with very high quality and breaking strength can now be manufactured.
  • the preferred fill patterns for surfaces are hatching.
  • the energy beam is guided in the form of parallel paths, which leads to the formation of a hatching of parallel welding paths or “solidification paths”.
  • the hatching can consist of lines of the same length or of different lengths, e.g. in the form of a rectangle as a filling area, but with lines or solidification paths that are rotated by 45° to the sides of the rectangle. Areas are often formed in the form of a checkerboard pattern of squares with different rotated fill patterns (which means differently rotated hatching).
  • the filling patterns of component layers lying directly one above the other are arranged in a twisted manner.
  • filling patterns lying one above the other are twisted relative to one another.
  • the construction material is preferably a metal powder or at least a metal-based powder.
  • a powder preferably contains more than 50 percent by weight of metal, in particular more than 60 percent by weight, 70 percent by weight, 80 percent by weight or even more than 90 percent by weight of metal.
  • the construction material can consist of a specific pure metal or include alloy components. However, the invention is not limited to this, but can also be used with other, preferably powdery, construction materials, such as plastics or ceramics or mixtures of the various materials.
  • building material is solidified (in particular selectively) by irradiating the building material with at least one energy beam generated by an irradiation unit of the manufacturing device (thus an energetic beam made of photons or particles, for example a light beam or a electron beam meant).
  • an energy beam generated by an irradiation unit of the manufacturing device
  • the energy beam usually goes a little deeper into the material bed and also reaches underlying, already remelted material from previously applied material layers.
  • the layer information can be prefabricated control data according to the prior art, in particular with regard to the first component layer, or purely geometric data of the individual component layers, in particular their shape.
  • the layer information for the first component layer can also be available as control data with scan vectors and further layer information as purely geometric information for the subsequent component layers.
  • the layer information can be or be based on parallel sections of a CAD-generated component.
  • At least in one solidification area there are a number, in particular a plurality or even a large number, of filling areas with a (each individual) filling pattern.
  • Each solidification area is therefore formed from a number of filling areas that are to be solidified according to the scan vectors, which means that building material is solidified during production and thereby areas with a filling pattern are formed which correspond to the filling patterns of the filling areas.
  • the scan vectors therefore form a predetermined filling pattern, e.g. a hatching, in each filling area.
  • the filling patterns (and thus also some of the filling areas) have scan vectors that are parallel to one another with a predetermined vector spacing, for example a hatching, an arrangement of concentric circles or a contour made up of several parallel lines.
  • a predetermined vector spacing for example a hatching, an arrangement of concentric circles or a contour made up of several parallel lines.
  • parallel does not necessarily refer to the rectified position of straight lines, but can also refer to curved lines.
  • the lines of concentric circles in the sense of the invention would also be parallel to one another.
  • curved structures are often formed with straight scan vectors. But laterally adjacent, curved scan vectors that run at a uniform distance from one another would also be parallel to one another in the sense of the invention.
  • parallel initially only means that the lines run the same way, especially straight lines.
  • the scan vectors have a certain vector distance from each other.
  • vector distance means a distance between adjacent, preferably uninterrupted, scan vectors, which is determined in a direction perpendicular to the position of the scan vectors in the same plane (as distinct from a distance to scan vectors in an adjacent strip or box or in other solidification areas ).
  • the vector distance would correspond to the distance between the centers of two adjacent consolidation paths. It should be noted here that with interrupted hatching, e.g. with holes within an otherwise flat hatching, the hole with its surrounding fill pattern appears as a different one Filling area is considered. The surrounding fill area then has uninterrupted hatching. However, hatching can also be interrupted, at least as long as the scan vectors are still parallel to each other.
  • the first solidification area can, for example, correspond to the lowest component layer, but also to any other component layer, but not the top one, since otherwise the subsequent process steps can no longer be carried out.
  • Two filling areas are now arranged in solidification areas (immediately) one above the other in such a way that the filling patterns are essentially parallel to one another (and are therefore not rotated relative to one another as in the prior art).
  • the entire filling area could be slightly shifted or the filling pattern within the filling area could be.
  • the second filling area also has a filling pattern of scan vectors that are parallel to one another.
  • the scan vectors of the second filling area are not only aligned essentially parallel to the scan vectors of the first filling area, but are also arranged offset from them. This preferably means a lateral offset, which then results in interlocking of the resulting solidification paths during production.
  • the first and second filling areas are of course one above the other, although the edges can be slightly shifted relative to one another due to the offset.
  • the final generation of control data corresponds to the procedure known in the prior art.
  • the scan vectors are translated into control commands that the relevant manufacturing device understands, e.g. G-code.
  • the special feature of the generated control data is that component layers can be generated according to the specially arranged solidification areas with filling patterns that are superimposed according to the invention.
  • the method works particularly advantageously if one uses the steps of the method for arranging the filling areas for a large number of solidification areas (for creating component layers), so that two or more solidification areas are created with filling patterns offset according to the invention and then two or more solidification areas with according to the invention staggered fill patterns are created that are rotated to the underlying ones (so basically steps b) and c) are repeated with each rotated fill pattern.
  • control data according to the invention can be generated, which are used to control a device for additive manufacturing.
  • these control data are characterized by the fact that scan vectors of solidification areas lying directly one above the other are arranged essentially parallel and offset from one another.
  • component layers are created using this control data, which are characterized by the fact that solidification paths of component layers lying directly one above the other are arranged essentially parallel and offset from one another. This suppresses pores within a component, so that the size and/or number of pores is smaller than in conventional components that were only manufactured with twisted filling patterns.
  • the control data also preferably includes further construction instructions such as layer application of building material and in particular the lowering of the construction platform between the production of the component layers. This is implicit in an arrangement of two component layers, since a new component layer can only be created on an already solidified area by applying new building material. Due to this order it is usually necessary to lower the construction platform.
  • the component is passed through layer by layer in a construction field in the form of component layers selective solidification of building material, preferably comprising a metal-based powder, by irradiating the building material with at least one energy beam according to the control data according to the invention.
  • the energy beam is moved over the construction field in accordance with the control data, i.e. along the scan vectors contained in the control data and thus in the form of the specified filling patterns.
  • a control data generation device is used to generate control data according to the invention (according to the method according to the invention) for a device for the additive manufacturing of a component in a manufacturing process in which the component is formed in a construction field in the form of component layers by selective solidification of building material, preferably comprising a metal-based powder. is constructed by irradiating the building material with at least one energy beam.
  • the control data generation device includes the following components:
  • a data interface designed to receive layer information comprising geometric parameters of component layers and/or information on scan vectors of solidification areas, which represent component layers of the component,
  • a device according to the invention (“manufacturing device”) is used for the additive manufacturing of at least one component in an additive manufacturing process. At least it includes
  • the number of layers in which offset filling patterns are provided according to the invention corresponds to the number of underlying layers, i.e. always two, three or more solidification areas directly one above the other with offset filling patterns (with parallel scan vectors) are provided are, then the filling patterns are rotated and again two, three or more solidification areas lying directly one above the other with offset filling patterns (with scan vectors parallel to one another) are provided.
  • the scan vectors of the second filling region in a plane of the second solidification region are shifted to the scan vectors of the first filling region in a transverse direction relative to a longitudinal extent of the scan vectors of the first filling region.
  • the corresponding vector distances of the filling patterns of the filling areas are preferably identical. It is preferred that a displacement distance in the transverse direction is smaller than the vector distance between two scan vectors. This displacement distance is preferably in the range between 90% and 10% of the vector distance and particularly preferably in the range between 45% and 55% of the vector distance.
  • filling areas in superimposed solidification areas, filling areas essentially cover one another over the entire surface.
  • Filling areas with an identical shape and size preferably cover each other over essentially the entire surface.
  • the term “substantially” means that at least 80%, in particular at least 90%, of the areas cover each other.
  • the filling patterns within the filling areas are preferably shifted relative to one another in order to achieve the required offset of the scan vectors.
  • filling areas are preferably arranged offset from one another, preferably with filling areas with a similar or identical filling pattern being displaced from one another along the scan vectors by a predetermined displacement distance.
  • filling patterns of overlapping filling areas differ from one another with respect to an offset longitudinally and/or transversely to their scan vectors, and/or with respect to a rotation of their scan vectors.
  • a displacement takes place in the transverse direction and in the longitudinal direction, the displacement distance of which is in particular smaller than a diagonal extension of the first filling region.
  • the displacement distance is preferably in the range between 90% and 10% of the diagonal extent, and particularly preferably in the range between 45% and 55% of the diagonal extent. It is particular preferred that the displacement distance is greater than 10% of the diagonal extent, in particular greater than 20%, in particular greater than 30%, in particular greater than 40%. On the other hand, it is particularly preferred that the displacement distance is less than 90% of the diagonal extension, in particular less than 80%, in particular less than 70%, in particular less than 60%.
  • the control data is generated in such a way that the energy beam is adjusted so that it solidifies an area deeper than the thickness of the last component layer when solidifying along the scan vectors.
  • This depth of solidification is preferably at least twice, more preferably at least three times, particularly preferably at least four times the thickness of the last component layer.
  • solidification has a depth extent greater than 0.05 mm, in particular greater than 100 pm and/or less than 300 pm.
  • a particular advantage of the invention is the reduction of porosity in a component.
  • the number and size of pores should be small to ensure high quality of the component.
  • the values for the size G and/or the number A of the pores can be specified in the form of parameter values, e.g. as a vector or value field (G, A). It should be noted that the “comparative measure” does not indicate a ratio of a comparison, but rather represents a measure of a comparison.
  • a “quality measure” can be determined as a comparison value, e.g. in the form of a difference or a quotient of their comparison dimensions.
  • a standard comparison dimension can be used and this can be compared with a comparison dimension of a test specimen. The deviation of the comparison measure from the standard comparison measure (the quality measure) then results in the quality of the test specimen.
  • the layer information that is initially made available to the method can contain predetermined vector distances of the scan vectors and generally predetermined scan speeds. Prior knowledge about the quality improvement of the invention could be included in this layer information in advance, thereby achieving faster production. However, the method could also modify predetermined vector distances of the scan vectors or scan speeds in the layer information provided or generate new (possibly modified) layer information in order to achieve an increase in process efficiency while maintaining the same quality (compared to production without using the method according to the invention). According to a preferred method, a quality measure is determined from a comparison of pores of test specimens. This procedure includes the following steps:
  • the quality measure is a measure that provides a comparison of the quality of a test specimen.
  • the reference test body represents the reference for quality (and provides the “standard comparison measure” mentioned above).
  • the quality is derived from the comparative dimensions, i.e. the pores. The larger and more frequent pores are, the worse the quality.
  • the target test body is produced with filling areas offset according to the invention and the reference test body with successively twisted filling areas.
  • the (optional) experimental test specimens are produced according to the target test specimens, but with varied scanning speed or vector distance. Basically it can Scanning speed for different experimental test specimens can simply be increased successively or the vector distance can be successively increased.
  • Figure 4 shows an example of a solidification area with different filling areas
  • the control device 30 is, here z. B. via a bus 60 or another data connection, coupled to a terminal 40 with a display or the like. An operator can use this terminal 40 to control the control device 30 and thus the entire laser sintering device 1, e.g. B. by transmitting process control data PS.
  • the layer information Sl contains data about solidification areas V1, V2, V3, V4, which represent component layers B of the component 2, the solidification areas V1, V2, V3, V4 being formed from a number of filling areas F1, F2, F3, F4 . Furthermore, the layer information Sl includes data on scan vectors S, according to which the filling areas F1, F2, F3, F4 are to be solidified. The scan vectors S in each filling area F1, F2, F3, F4 form a predetermined filling pattern FM, with at least some of the filling patterns FM having mutually parallel scan vectors S with a predetermined vector spacing.
  • the solidification areas V1, V2, V3, V4 are therefore not solidified areas, but generally represent a large number of filling areas F1, F2, F3, F4, with each filling area in turn generally comprising a large number of scan vectors S, which are in are arranged in the form of a fill pattern (often in the form of hatching). If an energy beam 22 is guided along these scan vectors S over a layer of building material 13, the building material 13 is solidified there in the form of solidification tracks with the corresponding filling patterns F1, F2, F3, F4.
  • the solidification areas V1, V2, V3, V4 represent the component layers B
  • the scan vectors S represent the solidification paths of the component layers B
  • the filling areas F1, F2, F3, F4 represent individual areas of the component layers B with a uniform filling pattern FM.
  • control data generating device 34 includes a control module 36.
  • This control module 36 is designed to select a first filling area F1 for a first solidification area V1 and then to create a second filling area F2 for a second solidification area V2 resting on the first solidification area V1.
  • Each filling area F1, F2 has a filling pattern FM made of scan vectors S that are parallel to one another.
  • the control module can also be designed to generate the first filling area F1 (and also further filling areas) of the first solidification area V1, in particular in the case that the layer information Sl exclusively includes geometric data for the component 2.
  • the scan vectors S of the second filling area F2 are aligned essentially (preferably exactly) parallel to the scan vectors S of the first filling area F1 and are arranged offset from them. This means that later the solidification paths in the resulting component layers B do not run twisted relative to one another, but rather parallel and offset from one another. Only when at least two solidification areas V1, V2 have such “untwisted” filling areas F1, F2 can a rotation of filling areas F3, F4 or their filling patterns FM take place, in which case it is also preferred to have at least two solidification areas after one rotation and before the next rotation V3, V4 should be provided with filling areas F3, F4 that are “untwisted” relative to each other, which can continue over the entire component height.
  • control data generating device 34 includes a control data generating unit 37, which is designed to generate control data PS in such a way that the additive manufacturing device 1 can generate component layers B corresponding to the solidification areas V1, V2, V3, V4 using this control data PS.
  • control data generating device 34 is implemented on an external computer unit, for example the terminal 40, and supplies process control data PS with correspondingly appropriate control data PS in advance, with which the device 1 is controlled in such a way that the intended one is in the desired areas of the component mode is achieved.
  • the internal control data generating device 34 present in the control device 30 could also be dispensed with.
  • the present invention is not limited to such a manufacturing device 1. It can be applied to other methods for the generative or additive production of a three-dimensional object by layer-by-layer application and selective solidification of a building material, with an energy beam being delivered to the building material to be solidified for solidification.
  • the irradiation device can not only be a laser, as described here, but any device could be used with which energy can be selectively applied to or in the form of wave or particle radiation the construction material can be brought.
  • another light source, an electron beam, etc. could be used instead of a laser.
  • the building material is scanned layer by layer by the energy beam 22 at locations that correspond to the cross sections of the objects in the respective layer.
  • FIGS 2 and 3 show a design of filling areas F1, F2, F3, F4 of different solidification areas V1, V2, V3, V4 with filling patterns FM.
  • the solidification areas V1, V2, V3, V4 lie directly above one another and would result in four successive component layers B during production.
  • Each fill pattern FM is a hatching (also referred to as “hatching”) of scan vectors S, each with the same vector spacing.
  • the scan vectors S are not continuous, but form stripes that abut one another at strip boundaries G (indicated by dotted lines) and overlap slightly with each other.
  • Figure 2 shows a design according to the prior art. From left to right, a first filling area F1 in a first solidification area V1 is covered by a second filling area F2 in a second solidification area V2 with a rotated filling pattern FM. This is followed by a third and fourth solidification area V3, V3 with further rotated filling patterns FM in the corresponding filling areas F3, F4.
  • the rotation in this example is 90° and in practice it can basically assume any angle.
  • Figure 3 shows a design according to an exemplary embodiment of the invention.
  • a first filling area F1 in a first solidification area V1 is covered by a second filling area F2 in a second solidification area V2 with a non-rotated filling pattern FM.
  • the filling patterns FM cover each other offset from one another, with the underlying scan vectors S of the first filling area F1 being indicated by dash-dotted lines in the second filling area F2.
  • the offset occurs both transversely to the longitudinal direction of the scan vectors S and in the longitudinal direction across strip boundaries G.
  • fill patterns FM have been rotated within fill areas F1, F2, F3, F4. It is also possible that the fill areas F1, F2, F3, F4 are rotated together with their fill pattern FM.
  • Figure 4 shows an example of a solidification area V1 with different filling areas F1, F2, F3, F4.
  • Figure 5 shows a block diagram of a possible process sequence of an exemplary embodiment of a method according to the invention for generating control data PS for a device 1 for the additive manufacturing of a component 2 in a manufacturing process in which the component 2 in the form of component layers B in a construction field 8 by selective solidification Building material 13, for example comprising a metal-based powder, is built up by irradiating the building material 13 with at least one energy beam 22.
  • Building material 13 for example comprising a metal-based powder
  • step I layer information Sl about solidification areas V1, V2, V3, V4 is generated or obtained.
  • the solidification areas V1, V2, V3, V4 represent component layers B of the component 2 and are each formed here from a plurality of filling areas F1, F2, F3, F4.
  • the layer information Sl includes data on scan vectors S, according to which the filling areas F1, F2, F3, F4 are to be solidified, the scan vectors S forming a predetermined filling pattern FM and at least part of the filling patterns in each filling area F1, F2, F3, F4 FM has mutually parallel scan vectors S with a predetermined vector distance (see e.g. Figure 2).
  • the layer information can certainly be control data according to the prior art, which is modified by the method into control data PS according to the invention. However, they can also only include geometric data of the component 2 or its component layers.
  • step II a first filling region F1 with a filling pattern FM is selected or generated from mutually parallel scan vectors S for a first solidification region V1.
  • the selection or generation can successively extend to further filling areas F2, F3, F4 and theoretically affect all filling areas F1, F2, F3, F4 of the solidification area V1, with the subsequent steps then also for the filling areas F1, F2, F3, F4 Overlying solidification areas V2, V3, V4 take place either separately from one another or parallel to one another.
  • the following explanations can therefore also extend to further filling areas F2, F3, F4, but for the sake of clarity they are only continued here using the example of a filling area F2.
  • This step could concern the selection of the left filling area F1 of Figure 3.
  • a second filling region F2 is created with a filling pattern FM consisting of mutually parallel scan vectors S for a second solidification region V2 resting on the first solidification region V1, the scan vectors S of the second filling region F2 being aligned substantially parallel to the scan vectors S of the first filling region F1 and are arranged offset from these.
  • the arrows in the corresponding box indicate that the offset can take place transversely and/or longitudinally to the longitudinal direction of the scan vectors S.
  • the offset can, for example, be exactly half of a vector distance of scan vectors S. This step could result in the second filling area F2 from the left in FIG.
  • step IV a third filling region F3 is created from mutually parallel scan vectors S for a third solidification region V3.
  • This third filling area F3 lies above the first filling area F1 and covers it.
  • the filling pattern FM of the third filling area F3 is twisted to the filling pattern FM of the first filling area V3. This step could result in the third filling area F2 from the left in FIG.
  • step III The dashed arrow pointing back to step III indicates that this procedure (parallel arrangement, then rotating) can be repeated as desired.
  • control data PS is then generated in such a way that the additive manufacturing device 1 can use this control data PS to generate component layers B corresponding to the solidification areas V1, V2, V3, V4.
  • This process provides control data PS, which can be used to create components 2 with very low porosity and therefore very high component quality.
  • the method can be modified in such a way that when generating the control data PS, the scanning speed and/or the vector spacing of the scan vectors S is increased and thus the production time is reduced. Although this deteriorates the quality of the components, the higher quality achieved by the process means that it is within the tolerable range or in the desired range.
  • Figure 6 shows a block diagram of a possible process sequence of an exemplary embodiment of a method according to the invention for increasing the process speed.
  • a quality measure is first determined from a comparison of pores of test specimens and then the control data PS is modified accordingly.
  • step la a target test body TZ with control data PS from a method according to the invention and a reference test body TR with conventional control data PS (without an offset arrangement of scan vectors S according to step III of the method) are manufactured.
  • step IIla parameter values for parameters of pores P of the target test body TZ and the reference test body TR are determined using the same measuring method, the parameter values of the pores P including in particular their size and/or their number.
  • a comparison measure VM of the determined parameter values of the target test body TZ and the reference test body TR is created, for example a ratio of the sizes or the number of pores P.
  • Optional steps are indicated below with dashed arrows in which experimental test bodies TV were produced with control data PS according to the invention, in which the layer information Sl was modified in such a way that a vector distance of scan vectors S of the filling areas F1, F2, F3, F4 to one another and/or a scanning speed for these scan vectors S is increased.
  • This example assumes a modification of shift information.
  • the layer information can also be generated, with the following comparisons being carried out analogously with the original and the generated layer information. Based on these experimental test specimens TV, the comparison dimension VM is now determined again in comparison with the reference test specimen TR, but this time in relation to the modifications of the layer information Sl.
  • step IVa the quality measure Q is then determined based on at least one comparison measure VM. This can be directly the comparison measure from step Illa or comparison measures from the optional steps.
  • control data PS is then generated based on the quality measure Q, so that the device 1 for additive manufacturing can generate component layers B with this control data PS.
  • the scanning speed and/or the vector distance between two scan vectors S are dimensioned such that a predetermined component quality is not exceeded, with the quality measure Q indicating whether the expected component quality is still within a tolerable range or not.
  • the aforementioned optional steps can be used to estimate using the comparison measure VM whether the quality of an experimental test specimen TV corresponds to the quality of the reference test specimen TR and exactly the parameters for the control data PS can be selected that are used during the production of this Experimental test body TV templates.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung von Steuerdaten (PS) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) das Bauteil (2) in Form von Bauteilschichten (B) durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) aufgebaut wird, das Verfahren umfassend die Schritte: a) Erhalten oder Generieren von Schichtinformationen (SI) umfassend geometrische Parameter von Bauteilschichten und/oder Informationen zu Scanvektoren von Verfestigungsbereichen (V1, V2, V3, V4), welche Bauteilschichten (B) des Bauteils (2) repräsentieren, b) Auswahlen oder Generieren eines ersten Füllbereichs (F1) für einen ersten Verfestigungsbereich (V1), wobei dieser Füllbereich (F1) ein Füllmuster (FM) aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) mit einem vorgegebenen Vektorabstand aufweist, c) Erstellen eines zweiten Füllbereichs (F2) mit einem Füllmuster (FM) aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) für einen auf dem ersten Verfestigungsbereich (V1) aufliegenden zweiten Verfestigungsbereich (V2), wobei die Scanvektoren (S) des zweiten Füllbereichs (F2) im Wesentlichen parallel zu den Scanvektoren (S) des ersten Füllbereichs (F1) ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind, d) Generieren von Steuerdaten (PS) derart, dass die Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten (PS) Bauteilschichten (B) entsprechend den Verfestigungsbereichen (V1, V2, V3, V4) erzeugen kann. Die Erfindung betrifft des Weiteren entsprechende Steuerdaten, ein Verfahren zur additiven Fertigung, eine Steuerdatenerzeugungsvorrichtung, eine Steuereinrichtung sowie eine Fertigungsvorrichtung.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung („Steuerdatenerzeugungsvorrichtung“) zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl aufgebaut wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren entsprechende Steuerdaten, ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils mit solchen Steuerdaten, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung, sowie eine Steuervorrichtung für eine solche Vorrichtung.
Bei der Herstellung von Prototypen und inzwischen auch in der Serienfertigung werden additive Fertigungsprozesse immer relevanter. Im Allgemeinen sind unter „additiven Fertigungsprozessen“ solche Fertigungsprozesse zu verstehen, bei denen in der Regel auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material (dem „Aufbaumaterial“) ein Fertigungsprodukt („Bauteil“) aufgebaut wird. Der Aufbau erfolgt dabei meist, aber nicht zwingend, schichtweise. Als ein Synonym für die additive Fertigung wird häufig auch der Begriff „3D-Druck“ verwendet, die Herstellung von Modellen, Mustern und Prototypen mit additiven Fertigungsprozessen wird oft als „Rapid Prototyping“, die Herstellung von Werkzeugen als „Rapid Tooling“ und die flexible Herstellung von Serienbauteilen wird als “Rapid Manufacturing” bezeichnet. Wie eingangs erwähnt, ist ein Kernpunkt die selektive Verfestigung des Aufbaumaterials, wobei diese Verfestigung bei vielen Fertigungsprozessen mit Hilfe einer Bestrahlung mit Strahlungsenergie, z. B. elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht- und/oder Wärmestrahlung, aber ggf. auch mit Teilchenstrahlung wie z. B. Elektronenstrahlung erfolgen kann. Beispiele für mit einer Bestrahlung arbeitende Verfahren sind das „selektive Lasersintern“ oder „selektive Laserschmelzen“. Dabei werden wiederholt dünne Schichten eines meist pulverförmigen Aufbaumaterials übereinander aufgebracht und in jeder Schicht wird das Aufbaumaterial durch räumlich begrenztes Bestrahlen der Stellen, die nach der Fertigung zum herzustellenden Bauteil gehören sollen, in einem „Schweißprozess“ selektiv verfestigt, indem die Pulverkörner des Aufbaumaterials mit Hilfe der durch die Strahlung an dieser Stelle lokal eingebrachten Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen werden. Während einer Abkühlung verfestigen diese Pulverkörner dann miteinander zu einem Festkörper. Meist wird dabei der Energiestrahl entlang von Verfestigungsbahnen über das Baufeld geführt und das Umschmelzen bzw. Verfestigen des Materials in der jeweiligen Schicht erfolgt entsprechend in Form von „Schweißbahnen“ oder „Schweißraupen“, so dass letztlich im Bauteil eine Vielzahl solcher aus Schweißbahnen gebildeter Schichten vorliegt. Auf diese Weise können inzwischen Bauteile mit sehr hoher Qualität und Bruchfestigkeit hergestellt werden.
Bevorzugte Füllmuster für Flächen sind Schraffuren. Dabei wird der Energiestrahl in Form von parallelen Bahnen geführt, was zur Ausbildung einer Schraffur von parallelen Schweißbahnen oder „Verfestigungsbahnen“ führt. Die Schraffur kann aus jeweils gleichlangen Linien bestehen oder unterschiedlich langen, z.B. in Form eines Rechtecks als Füllbereich, jedoch mit Linien bzw. Verfestigungsbahnen, die zu den Seiten des Rechtecks um 45° gedreht sind. Häufig werden Flächen auch in Form eines Schachbrettmusters aus Quadraten mit unterschiedlichen gedrehten Füllmustern gebildet (womit unterschiedlich gedrehte Schraffuren gemeint sind).
Zur Steigerung der Festigkeit werden die Füllmuster von unmittelbar übereinanderliegenden Bauteilschichten verdreht angeordnet. So sind beispielsweise im Falle eines Schachbrettmusters übereinanderliegende Füllmuster zueinander verdreht. Bei einer Untersuchung der Bauteile stellt man in der Tat durch die Verdrehung eine Steigerung der Festigkeit fest, jedoch auch gewisse Heterogenitäten, z.B. in Form von Poren innerhalb der Bauteilstruktur.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere eine Verbesserung der Qualität eines Bauteils durch Verbesserung von dessen Homogenität, insbesondere zur Reduktion von Poren (z.B. deren Anzahl und/oder Größe) oder eine schnellere Fertigung eines Bauteils bei gleichbleibender Qualität erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 , Steuerdaten gemäß Patentanspruch 10, ein Fertigungsverfahren zur additiven Fertigung gemäß Patentanspruch 11, eine Steuerdatenerzeugungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 12, eine Steuereinrichtung gemäß Patentanspruch 13 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl aufgebaut wird.
Es sollte dabei beachtet werden, dass die Steuerdaten noch kein fertiges Bauteil darstellen, jedoch ein Bauteil repräsentieren, weil ein Bauteil aus Schichten von Verfestigungsbahnen bestehen, die gemäß den Steuerdaten verfestigt worden sind. Einem Bauteil (bzw. dessen Bauteilschichten) entsprechen die sogenannten „Verfestigungsbereiche“. Dieser Begriff wurde gewählt, da in einer Fertigungsebene durchaus Schichten von mehreren Bauteilen liegen können, die jede für sich verfestigt werden müssen. Jede Bauteilschicht wird dabei durch einen Verfestigungsbereich repräsentiert. Liegen mehrere Bauteilschichten in einer Fertigungsebene, so werden diese auch durch mehrere Verfestigungsbereiche repräsentiert.
Jeder Verfestigungsbereich wiederum umfasst eine Anzahl von sogenannten „Füllbereichen“ (in der Regel eine Mehrzahl von Füllbereichen). Dieser Begriff wurde gewählt, da Bauteilschichten oftmals ein komplexes Muster aus Verfestigungsbahnen aufweisen. Beispielsweise wird der Rand einer Bauteilschicht anders verfestigt als der Innenbereich wobei der Innenbereich wiederum durchaus mehrere unterschiedliche Füllmuster aufweisen kann, z.B. mit einer schachbrettartigen Form. Ein Füllbereich ist dann eine Region des Verfestigungsbereichs mit einem uniformen Füllmuster (z.B. einer bestimmten Schraffur). Bei einem Schachbrettmuster stellen z.B. die einzelnen Kästchen Füllbereiche dar. Bevorzugt unterscheiden sich benachbarte Füllbereiche durch die Art ihres Füllmusters, z.B. die Orientierung der Scanvektoren (oder „Scanlinien“) im Raum, deren Abstand, deren Länge oder deren Form. Es kann aber auch vorkommen, dass einzelne Streifen eines Hatchings (einer Schraffur) als separate Füllmuster angesehen werden oder zwei Füllbereiche mit einem identischen Füllmuster nebeneinanderliegen. Es kann auch vorkommen, dass ein Füllbereich einen anderen Füllbereich umschließt wie z.B. eine äußere Kontur aus parallelen Scanvektoren (erster Füllbereich) einen schachbrettartigen Innenbereich (weitere Füllbereiche) umschließen kann.
Ein Füllbereich kann mit einem benachbarten Füllbereich überlappen, wobei eine Ausdehnung der Überlappzonen einstellbar sein kann. Ein Überlapp ist in der Regel positiv, er kann jedoch auch 0 oder negativ (Abstand) sein. Überlappbereiche werden häufig unter Berücksichtigung eines dimensionalen Unterschieds zwischen einem Scanvektor in den Steuerdaten und einer realen Verfestigungsbahn in einem additiven Fertigungsverfahren gewählt. Dies liegt darin begründet, dass eine Ausdehnung bzw. ein Durchmesser des Energiestrahls und ein damit korrelierender Aushärtebereich einer Verfestigungsbahn dazu führt, dass letztere eine Breitenerstreckung hat und länger sein kann als ein korrespondierender Scanvektor in den Steuerdaten. Somit kann es trotz einem negativen Überlapp (Abstand) von Scanvektoren in der Fertigung einen positiven Überlapp von Verfestigungsbahnen geben. Überlappende benachbarte Füllbereiche sind mit der Erfindung vereinbar, da diese auf die Orientierung der Füllbereiche eingeht und ein Überlapp unerheblich ist, solange die betreffenden Füllbereiche selber definiert sind.
Zur Übersicht: Ein Füllmuster aus (zumeist parallelen) Scanvektoren stellt einen Füllbereich dar, ein Verfestigungsbereich wird in der Regel aus mehreren Füllbereichen gebildet. Entlang der Scanvektoren werden bei der Fertigung Verfestigungsbahnen gebildet, die gemäß der Füllmuster der Füllbereiche eines Verfestigungsbereichs zu einer Bauteilschicht verfestigt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Erhalten oder Generieren von Schichtinformationen umfassend geometrische Parameter von Bauteilschichten und/oder Informationen zu Scanvektoren von Verfestigungsbereichen, welche Bauteilschichten des Bauteils repräsentieren, b) Auswählen oder Generieren eines ersten Füllbereichs für einen ersten Verfestigungsbereich, wobei dieser Füllbereich ein Füllmuster aus zueinander parallelen Scanvektoren mit einem vorgegebenen Vektorabstand aufweist, c) Erstellen eines zweiten Füllbereichs mit einem Füllmuster aus zueinander parallelen Scanvektoren für einen auf dem ersten Verfestigungsbereich aufliegenden zweiten Verfestigungsbereich, wobei die Scanvektoren des zweiten Füllbereichs im Wesentlichen parallel zu den Scanvektoren des ersten Füllbereichs ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind, d) Generieren von Steuerdaten derart, dass die Vorrichtung zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten Bauteilschichten entsprechend den Verfestigungsbereichen erzeugen kann. Wie bereits angedeutet wurde, wird in einem Fertigungsprozess in einem Baufeld Aufbaumaterial schichtweise, d.h. nacheinander in mehreren Materialauftragsebenen bzw. Materialschichten, aufgebaut. Bei dem Aufbaumaterial handelt es sich bevorzugt um ein Metallpulver oder zumindest um ein metallbasiertes Pulver. Ein solches Pulver enthält bevorzugt mehr als 50 Gewichtsprozent Metall, insbesondere mehr als 60 Gew.-%, 70 Gew.-%, 80 Gew.-% oder gar mehr als 90 Gew.-% Metall. Das Aufbaumaterial kann aus einem bestimmten reinen Metall bestehen oder Legierungsbestandteile umfassen. Die Erfindung ist aber nicht hierauf beschränkt, sondern kann auch mit anderen, vorzugsweise pulverförmigen, Aufbaumaterialien eingesetzt werden, wie z.B. Kunststoffen oder Keramik oder Mischungen der verschiedenen Materialien. Dabei wird, insbesondere jeweils zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten, Aufbaumaterial (insbesondere selektiv) verfestigt, indem eine Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem von einer Bestrahlungseinheit der Fertigungsvorrichtung erzeugten Energiestrahl erfolgt (damit ist ein energetischer Strahl aus Photonen oder Partikeln, z.B. ein Lichtstrahl oder ein Elektronenstrahl gemeint). Dabei wird nicht nur das Aufbaumaterial in der obersten, frisch aufgebrachten Materialschicht von dem Energiestrahl erfasst und auf- bzw. umgeschmolzen, sondern der Energiestrahl geht üblicherweise ein Stück tiefer in das Materialbett hinein und erreicht auch darunterliegendes, bereits umgeschmolzenes Material aus zuvor aufgetragenen Materialschichten.
Bei den Schichtinformationen kann es sich um bereits vorgefertigte Steuerdaten gemäß dem Stand der Technik handeln, insbesondere was die erste Bauteilschicht betrifft oder um rein geometrische Daten der einzelnen Bauteilschichten, insbesondere deren Form. Es können aber auch die Schichtinformationen zur ersten Bauteilschicht als Steuerdaten mit Scanvektoren vorliegen und weitere Schichtinformationen als rein geometrische Informationen zu den nachfolgenden Bauteilschichten. Beispielsweise können die Schichtinformationen parallele Schnitte eines CAD-generierten Bauteils sein oder auf diesen basieren.
Da Verfestigungsbereiche Füllbereiche mit individuellen, aus Scanvektoren gebildeten, Füllmustern aufweisen, mit denen Material in Form der Bauteilschichten verfestigt werden soll, repräsentieren sie die Bauteilschichten des Bauteils. Somit gehört ein Verfestigungsbereich zu einem Bauteil dazu und ist kein Bereich, der nach der Fertigung bestimmungsgemäß abgetragen wird. Es sollte beachtet werden, dass Verfestigungsbereiche auch mehrere Füllbereiche aufweisen können. Somit kann ein Verfestigungsbereich an unter- schiedlichen Stellen durchaus unterschiedliche Füllbereiche aufweisen. Die Steuerdaten können Daten zu den Verfestigungsbereichen umfassen, also nicht unbedingt fertige Steuerdaten, sondern geometrische Daten zu der Lage der Scanvektoren der einzelnen Füllbereiche.
Es gibt zumindest in einem (durch Steuerdaten vorgegebenen oder im Zuge des Verfahrens erzeugten) Verfestigungsbereich eine Anzahl, insbesondere Mehrzahl oder gar Vielzahl, von Füllbereichen mit einem (jeweils individuellen) Füllmuster. Jeder Verfestigungsbereich wird also aus einer Anzahl von Füllbereichen gebildet, die gemäß den Scanvektoren verfestigt werden sollen, was bedeutet, dass bei der Fertigung Aufbaumaterial verfestigt wird und dadurch Bereiche mit einem Füllmuster gebildet werden, welche den Füllmustern der Füllbereiche entsprechen. Die Scanvektoren bilden also in jedem Füllbereich ein vorgegebenes Füllmuster, z.B. eine Schraffur. Es ist dabei wichtig, dass zumindest ein Teil der Füllmuster (und damit auch ein Teil der Füllbereiche) zueinander parallele Scanvektoren mit einem vorgegebenen Vektorabstand aufweist, also z.B. eine Schraffur, eine Anordnung konzentrischer Kreise oder eine Kontur aus mehreren parallelen Linien.
Der Begriff „parallel“ betrifft im Sinne der Erfindung nicht unbedingt die gleichgerichtete Lage von geraden Linien, sondern kann sich auch auf gekrümmte Linien beziehen. Beispielsweise wären die Linien konzentrischer Kreise im Sinne der Erfindung auch parallel zueinander. Hierzu sollte beachtet werden, dass gekrümmte Strukturen in der Praxis oftmals mit an sich geraden Scanvektoren gebildet werden. Aber auch seitlich benachbarte, in gleichförmigem Abstand zueinander verlaufende, gekrümmte Scanvektoren wären im Sinne der Erfindung parallel zueinander. Zusammenfassend ist mit „parallel“ zunächst lediglich ein gleicher Verlauf der Linien gemeint, insbesondere von geraden Linien.
Die Scanvektoren haben einen gewissen Vektorabstand zueinander. Mit dem Begriff „Vektorabstand“ ist ein Abstand zwischen nebeneinanderliegenden, bevorzugt ununterbrochenen, Scanvektoren gemeint, der in einer Richtung senkrecht zur Lage der Scanvektoren in derselben Ebene ermittelt wird (in Abgrenzung von einem Abstand zu Scanvektoren in einem benachbarten Streifen oder Kästchen oder in anderen Verfestigungsbereichen). Bei Verfestigungsbahnen würde der Vektorabstand dem Abstand der Zentren zweier benachbarter Verfestigungsbahnen entsprechen. Es sollte hier beachtet werden, dass bei unterbrochenen Schraffuren, z.B. bei Löchern innerhalb einer ansonsten flächig ausgedehnten Schraffur das Loch mit seinem umgebenden Füllmuster als ein anderer Füllbereich angesehen wird. Der umgebende Füllbereich weist dann eine ununterbrochene Schraffur auf. Es können Schraffuren aber durchaus auch unterbrochen sein, zumindest sofern die Scanvektoren dort weiterhin parallel zueinander liegen.
Bei der Auswahl des ersten Füllbereichs muss dieser ein Füllmuster aus zueinander parallelen Scanvektoren aufweisen. Der erste Verfestigungsbereich kann z.B. der untersten Bauteilschicht entsprechen, jedoch auch irgendeiner anderen Bauteilschicht, jedoch nicht der obersten, da ansonsten die nachfolgenden Verfahrensschritte nicht mehr durchgeführt werden können.
Der erste Füllbereich kann aber auch aus Schichtinformationen in Form von geometrischen Daten generiert werden. Dieser Vorgang ist Stand der Technik, dem Fachmann wohlbekannt und wird z.B. angewandt, wenn die Schichtinformationen bereits Füllbereiche bzw. Füllmuster aufweisen.
Es sollte generell beachtet werden, dass das Verfahren immer ein initiales Füllmuster benötigt, um die darauffolgenden, darüber liegenden Füllmuster bestimmen und arrangieren zu können. Ob dieses Füllmuster bereits initial in den Schichtinformationen vorliegt oder erst aus diesen generiert wird, ist im Grunde unerheblich.
Es werden nun zwei Füllbereiche in (unmittelbar) übereinanderliegenden Verfestigungsbereichen so angeordnet, dass die Füllmuster im Wesentlichen parallel zueinander liegen (und damit nicht zueinander gedreht sind wie im Stand der Technik). Dabei könnte der gesamte Füllbereich etwas verschoben sein oder auch das Füllmuster innerhalb des Füllbereichs.
Der zweite Füllbereich weist also wie der erste Füllbereich auch ein Füllmuster aus zueinander parallelen Scanvektoren auf. Die Scanvektoren des zweiten Füllbereichs sind dabei nicht nur im Wesentlichen parallel zu den Scanvektoren des ersten Füllbereichs ausgerichtet, sondern auch versetzt zu diesen angeordnet. Damit ist bevorzugt eine seitliche Versetzung gemeint, was dann bei der Fertigung in eine Verzahnung der resultierenden Verfestigungsbahnen resultiert. Es kann aber auch sein, dass bei benachbarten Streifen eines Hatchings ein Längsversatz vorliegt, so dass übereinanderliegende Streifen überlappen. Der erste und der zweite Füllbereich liegen dabei selbstverständlich übereinander, wobei die Ränder aufgrund des Versatzes durchaus etwas zueinander verschoben sein können. Das abschließende Generieren von Steuerdaten entspricht der im Stand der Technik bekannten Vorgehensweise. Im Grunde werden die Scanvektoren in Steuerbefehle übersetzt, welche die betreffende Fertigungsvorrichtung versteht, z.B. G-code. Die Besonderheit der generierten Steuerdaten besteht darin, dass Bauteilschichten entsprechend den besonders arrangierten Verfestigungsbereichen mit erfindungsgemäß übereinanderliegenden Füllmustern erzeugt werden können.
Wohlgemerkt wirkt das Verfahren besonders vorteilhaft, wenn man die Schritte des Verfahrens zur Anordnung der Füllbereiche für eine Vielzahl von Verfestigungsbereichen (zur Erstellung von Bauteilschichten) anwendet, so dass zwei oder mehr Verfestigungsbereiche mit erfindungsgemäß versetzten Füllmustern erzeugt werden und dann zwei oder mehr Verfestigungsbereiche mit erfindungsgemäß versetzten Füllmustern erzeugt werden, die zu den darunterliegenden gedreht sind (also im Grunde die Schritte b) und c) mit jeweils gedrehten Füllmuster wiederholt werden.
Mit dem vorangehend beschriebenen Verfahren lassen sich erfindungsgemäße Steuerdaten erzeugen, die zur Steuerung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung dienen. Wie gesagt, zeichnen sich diese Steuerdaten dadurch aus, dass Scanvektoren unmittelbar übereinanderliegender Verfestigungsbereiche im Wesentlichen parallel und versetzt zueinander angeordnet sind. Bei der Fertigung werden also mittels dieser Steuerdaten Bauteilschichten erzeugt, die sich dadurch auszeichnen, dass Verfestigungsbahnen unmittelbar übereinanderliegender Bauteilschichten im Wesentlichen parallel und versetzt zueinander angeordnet sind. Dadurch werden Poren innerhalb eines Bauteils unterdrückt, so dass die Größe und/oder die Anzahl der Poren geringer ist als bei herkömmlichen Bauteilen, die lediglich mit verdrehten Füllmustern gefertigt wurden.
Die Steuerdaten umfassen darüber hinaus bevorzugt weitere Konstruktionsanweisungen wie z.B. Schichtauftrag von Aufbaumaterial und insbesondere auch das Absenken der Bauplattform zwischen der Fertigung der Bauteilschichten. Dies ist bei einer Anordnung von zwei Bauteilschichten implizit gegeben, da eine neue Bauteilschicht auf einem bereits verfestigten Bereich nur durch Auftrag von neuem Aufbaumaterial erfolgen kann. Durch diesen Auftrag ist es in der Regel notwendig, die Bauplattform abzusenken.
Bei einem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils, wird in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl gemäß den erfindungsgemäßen Steuerdaten aufgebaut. Zur Erstellung von Bauteilschichten des Bauteils wird der Energiestrahl dabei gemäß den Steuerdaten über das Baufeld bewegt, also entlang den in den Steuerdaten enthaltenen Scanvektoren und damit in Form der angegebenen Füllmuster.
Eine erfindungsgemäße Steuerdatenerzeugungsvorrichtung dient zur Generierung von erfindungsgemäßen Steuerdaten (gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren) für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl aufgebaut wird.
Die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung umfasst die folgenden Komponenten:
- Eine Datenschnittstelle ausgelegt zum Empfangen von Schichtinformationen umfassend geometrische Parameter von Bauteilschichten und/oder Informationen zu Scanvektoren von Verfestigungsbereichen, welche Bauteilschichten des Bauteils repräsentieren,
- ein Steuermodul ausgelegt zum i) Auswählen oder Generieren eines ersten Füllbereichs für einen ersten Verfestigungsbereich, wobei dieser Füllbereich ein Füllmuster aus zueinander parallelen Scanvektoren mit einem vorgegebenen Vektorabstand aufweist, ii) Erstellen eines zweiten Füllbereichs mit einem Füllmuster aus zueinander parallelen Scanvektoren für einen auf dem ersten Verfestigungsbereich aufliegenden zweiten Verfestigungsbereich, wobei die Scanvektoren des zweiten Füllbereichs im Wesentlichen, vorzugsweise exakt, parallel zu den Scanvektoren des ersten Füllbereichs ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind,
- eine Steuerdaten-Erzeugungseinheit ausgelegt zum Generieren von Steuerdaten derart, dass die Vorrichtung zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten Bauteilschichten entsprechend den Verfestigungsbereichen erzeugen kann.
Eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung dient einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl mittels einer Bestrahlungsvorrichtung aufgebaut wird. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, die Vorrichtung zur additiven Fertigung der Bauteilschichten des Bauteils gemäß erfindungsgemäßen Steuerdaten anzusteuern. Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Steuereinrichtung eine erfindungsgemäße Steuerdatenerzeugungsvorrichtung.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung („Fertigungsvorrichtung“) dient zur additiven Fertigung zumindest eines Bauteils in einem additiven Fertigungsprozess. Sie umfasst zumindest
- eine Zuführvorrichtung zum Aufbringen von Materialschichten von Aufbaumaterial auf ein Baufeld in einem Prozessraum,
- eine Bestrahlungsvorrichtung, um, insbesondere zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten, Aufbaumaterial durch Bestrahlung mit zumindest einem Energiestrahl selektiv zu verfestigen, sowie
- eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mehrere Bestrahlungsvorrichtungen aufweisen kann, die dann wie oben erwähnt entsprechend koordiniert mit den Steuerdaten angesteuert werden. Auch sei noch einmal erwähnt, dass insoweit der Energiestrahl auch aus mehreren überlagerten Energiestrahlen bestehen kann bzw. dass es sich bei dem Energiestrahl sowohl um Teilchenstrahlung als auch um elektromagnetische Strahlung, wie z. B. Licht- bzw. vorzugsweise Laserstrahlung, handeln kann.
Die Erfindung kann insbesondere in Form einer Rechnereinheit, insbesondere in einer Steuereinrichtung, mit geeigneter Software realisiert sein. Damit ist insbesondere die Erstellung der Steuerdaten gemeint, da die Fertigung eines Bauteils mittels weiterer Komponenten erfolgt. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen. Insbesondere kann sie in Form von geeigneten Softwareprogrammteilen in der Rechnereinheit realisiert sein. Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Rechnereinheiten, insbesondere in Steuereinrichtungen, von Fertigungsvorrichtungen, auf einfache Weise durch ein Software- bzw. Firmware-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Rechnereinheit ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens (zumindest diejenigen, die auf die Generierung von Steuerdaten bezogen sind, aber ggf. auch solche die zur Übermittlung der Steuerdaten für einen Fertigungsprozess dienen) auszuführen, wenn das Programm in der Rechnereinheit ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z.B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z. B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen. Zum Transport zur Rechnereinheit und/oder zur Speicherung an oder in der Rechnereinheit kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen und Ausführungsbeispielen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
Ein bevorzugtes Verfahren umfasst nach Schritt c) und vor Schritt d) (also nach der parallelen und versetzten Anordnung von Scanvektoren und vor der Generierung von Steuerdaten) den folgenden Schritt:
- Erstellen eines dritten Füllbereichs aus zueinander parallelen Scanvektoren für einen dritten Verfestigungsbereich, wobei der dritte Füllbereich über dem ersten Füllbereich liegt (insbesondere unmittelbar über dem zweiten Füllbereich liegt) und diesen zumindest teilweise überdeckt, und wobei das Füllmuster des dritten Füllbereichs zum Füllmuster des ersten Füllbereichs (und damit auch zum Füllmuster des zweiten Füllbereichs) verdreht ist, insbesondere um einen Drehwinkel von mehr als 10°, bevorzugt wobei das Füllmuster des dritten Füllbereichs zum Füllmuster des ersten Füllbereichs bis auf die Verdrehung von Scanvektoren (geometrisch) identisch ist. Die globale Ausdehnung der Füllbereiche könnte dabei durchaus unterschiedlich sein, da sich die Geometrie eines Bauteils von Schicht zu Schicht ändern kann. Es sollte beachtet werden, dass der dritte Füllbereich nicht unbedingt auf dem zweiten Füllbereich aufliegen muss, sondern dass sich ggf. weitere Füllbereiche zwischen dem zweiten Füllbereich und dem dritten Füllbereich befinden können, welche eine parallele und versetzte Anordnung von Scanvektoren relativ zum ersten Füllbereich aufweisen. Jedoch muss der dritte Füllbereich über dem ersten Füllbereich liegen, was bedeutet, dass dessen Projektion entlang der Flächennormalen des Verfestigungsbereichs im Wesentlichen (zu mindestens 80%) auf dem ersten Flächenbereich liegt.
Der vorangehende Schritt wird besonders bevorzugt noch von einem Schritt gefolgt, der Schritt c) entspricht:
- Erstellen eines vierten Füllbereichs aus zueinander parallelen Scanvektoren für eine auf dem dritten Verfestigungsbereich aufliegenden vierten Verfestigungsbereich, wobei die Scanvektoren des vierten Füllbereichs im Wesentlichen parallel zu den Scanvektoren des dritten Füllbereichs ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind.
Es ist dabei besonders bevorzugt, dass nach einer Drehung die Anzahl der Schichten, in denen erfindungsgemäß versetzte Füllmuster vorgesehen sind, der Anzahl der darunterliegenden Schichten entspricht, also z.B. immer zwei, drei oder mehr unmittelbar übereinanderliegende Verfestigungsbereiche mit versetzten Füllmustern (mit parallelen Scanvektoren) vorgesehen sind, dann die Füllmuster gedreht werden und wieder zwei, drei oder mehr unmittelbar übereinanderliegende Verfestigungsbereiche mit versetzten Füllmustern (mit zueinander parallelen Scanvektoren) vorgesehen sind.
Es sei hier angemerkt, dass die Bezeichnungen „erste“, „zweite“, „dritte“ und „vierte“ lediglich der besseren Unterscheidung dienen und nicht ausschließen, dass sich noch weitere Bauteilschichten mit erfindungsgemäß versetzten Füllmustern zwischen den Verfestigungsbereichen zwei und drei befinden könnten.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren sind die Scanvektoren des zweiten Füllbereichs in einer Ebene des zweiten Verfestigungsbereichs zu den Scanvektoren des ersten Füllbereichs in einer Querrichtung relativ zu einer Längserstreckung der Scanvektoren des ersten Füllbereichs verschoben. Dies bedeutet, dass sie von oben gesehen in Zwischenräumen zwischen zwei darunterliegenden Scanvektoren liegen. Bevorzugt sind dabei die entsprechenden Vektorabstände der Füllmuster der Füllbereiche jeweils identisch. Es ist dabei bevorzugt, dass eine Verschiebungsdistanz in der Querrichtung geringer ist als der Vektorabstand zwischen zwei Scanvektoren. Bevorzugt liegt diese Verschiebungsdistanz im Bereich zwischen 90% und 10% des Vektorabstands und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 45% und 55% des Vektorabstands. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Verschiebungsdistanz größer ist als 10% des Vektorabstandes, insbesondere größer als 20%, insbesondere größer als 30%, insbesondere größer als 40%. Es ist andererseits insbesondere bevorzugt, dass die Verschiebungsdistanz kleiner ist als 90% des Vektorabstandes, insbesondere kleiner als 80%, insbesondere kleiner als 70%, insbesondere kleiner als 60%. Beispielsweise liegen die Scanvektoren des betreffenden versetzten Füllmusters genau in der Mitte (50% des Vektorabstands) zwischen Scanvektoren des unmittelbar darunterliegenden Füllmusters. Liegen Füllmuster in genau drei unmittelbar übereinanderliegenden Verfestigungsbereichen parallel übereinander, so kann es aber auch bevorzugt sein, dass die Scanvektoren jeweils 1/3 des Vektorabstandes zueinander verschoben sind. In absoluten Maßen gesehen liegt ein Versatz bevorzugt unter 0,2 mm, besonders bevorzugt unter 0,1 mm, zumindest bei herkömmlichen Scanvektoren.
Wie oben gesagt, weist zumindest ein Teil der Füllmuster zueinander parallele Scanvektoren mit einem vorgegebenen Vektorabstand auf. Diesbezüglich wird ein bevorzugtes Füllmuster aus einer Schraffur aus einer Vielzahl zueinander paralleler Scanvektoren gebildet. Alternativ wird ein bevorzugtes Füllmuster aus einer Kontur aus zueinander parallelen Scanvektoren gebildet, wobei damit ein Randbereich des Verfestigungsbereichs gemeint ist, der aus zwei oder mehr Scanvektoren gebildet wird. Alternativ wird ein bevorzugtes Füllmuster aus einer kreisförmigen oder einer spiralförmigen Anordnung aus einer Anzahl von Scanvektoren gebildet. Im Grunde ist lediglich wichtig, dass Scanvektoren parallel zueinander verlaufen, damit ein Versatz bei unmittelbar übereinanderliegenden Füllbereichen erreicht werden kann.
Es ist bevorzugt, dass in übereinanderliegenden Verfestigungsbereichen Füllbereiche einander im Wesentlichen vollflächig überdecken. Dabei überdecken einander bevorzugt Füllbereiche mit einer identischen Form und Größe im Wesentlichen vollflächig. Der Ausdruck „im Wesentlichen“ bedeutet dabei, dass mindestens 80%, insbesondere mindestens 90%, der Flächen einander überdecken. Hier ist zu beachten, dass hier bevorzugt die Füllmuster innerhalb der Füllbereiche zueinander verschoben sind, um den geforderten Versatz der Scanvektoren zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich (ggf. an anderer Stelle der Verfestigungsbereiche) sind Füllbereiche bevorzugt versetzt zueinander angeordnet, bevorzugt wobei Füllbereiche mit einem ähnlichen oder identischen Füllmuster längs der Scanvektoren zueinander um eine vorbestimmte Verschiebungsdistanz verschoben sind.
Alternativ oder zusätzlich (ggf. an anderer Stelle der Verfestigungsbereiche) sind Füllbereiche verdreht zueinander angeordnet, ohne dass ihre Füllmuster mitgedreht worden sind. Dies bedeutet z.B. für rechteckige Füllbereiche, dass die Seiten der Füllbereiche zwar zueinander verdreht sind, die Scanvektoren dieser übereinanderliegenden Füllbereiche jedoch nicht relativ zueinander gedreht sind und immer noch parallel (und versetzt) zueinander verlaufen.
Alternativ oder zusätzlich (ggf. an anderer Stelle der Verfestigungsbereiche) unterscheiden sich Füllmuster von einander überdeckenden Füllbereichen voneinander bezüglich eines Versatzes längs und/oder quer zu ihren Scanvektoren, und/oder bezüglich einer Drehung ihrer Scanvektoren.
Es ist bevorzugt, dass eine Verschiebungsdistanz in der Längsrichtung geringer ist als eine Streifenbreite (Standardlänge oder maximale Länge der betreffenden Scanvektoren) eines Füllbereichs in Form eines Schraffurstreifens. Die Verschiebungsdistanz liegt dabei bevorzugt im Bereich zwischen 90% und 10% der Streifenbreite, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 45% und 55% der Streifenbreite. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Verschiebungsdistanz größer ist als 10% der Streifenbreite, insbesondere größer als 20%, insbesondere größer als 30%, insbesondere größer als 40%. Es ist andererseits insbesondere bevorzugt, dass die Verschiebungsdistanz kleiner ist als 90% der Streifenbreite, insbesondere kleiner als 80%, insbesondere kleiner als 70%, insbesondere kleiner als 60%. Im Unterschied zum oben genauer beschriebenen Quer-Versatz wird hier ein Längs-Versatz beschrieben, der alternativ oder zusätzlich zum Quer-Versatz möglich ist und die Stabilität sowie die Qualität (bezüglich einer Homogenität der Mikrostruktur) eines Bauteils verbessert.
Besonders bevorzugt erfolgt also eine Verschiebung in der Querrichtung und in der Längsrichtung, wobei deren Verschiebungsdistanz insbesondere geringer ist als eine Diagonalerstreckung des ersten Füllbereichs. Die Verschiebungsdistanz liegt bevorzugt im Bereich zwischen 90% und 10% der Diagonalerstreckung, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 45% und 55% der Diagonalerstreckung. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Verschiebungsdistanz größer ist als 10% der Diagonalerstreckung, insbesondere größer als 20%, insbesondere größer als 30%, insbesondere größer als 40%. Es ist andererseits insbesondere bevorzugt, dass die Verschiebungsdistanz kleiner ist als 90% der Diagonalerstreckung, insbesondere kleiner als 80%, insbesondere kleiner als 70%, insbesondere kleiner als 60%.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren werden innerhalb eines Füllbereichs und/oder zwischen zwei unmittelbar übereinanderliegenden Füllbereichen die Werte einer Anzahl von Parametern des Energiestrahls zur Verfestigung eines Aufbaumaterials bei einer Verfestigung entlang der Scanvektoren verändert. Diese Parameter sind insbesondere eine Geschwindigkeit (mit der der Energiestrahl entlang eines Scanvektors über das Aufbaumaterial geführt wird), eine Leistung, ein Pulsmuster und/oder eine Intensitätsverteilung. Dabei ändern sich insbesondere die jeweiligen Werte der Anzahl von Parametern zwischen dem ersten Füllbereich und dem zweiten Füllbereich und/oder dem dritten Füllbereich und dem vierten Füllbereich. Es werden also hier (insbesondere parallele und versetzte) Scanvektoren unmittelbar übereinanderliegender Füllbereiche mit unterschiedlichen Parametern des Energiestrahls für die Steuerdaten versehen.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren werden die Steuerdaten so generiert, dass der Energiestrahl so eingestellt wird, dass er einen Bereich tiefer als die Dicke der jeweils letzten Bauteilschicht beim Verfestigen entlang der Scanvektoren verfestigt. Diese Tiefe der Verfestigung beträgt bevorzugt mindestens das Doppelte, weiter bevorzugt mindestens das Dreifache, besonders bevorzugt mindestens das Vierfache der Dicke der jeweils letzten Bauteilschicht. Besonders bevorzugt hat eine Verfestigung eine Tiefenerstreckung größer als 0,05 mm, insbesondere größer als 100 pm und/oder kleiner als 300 pm.
Bevorzugt erfolgt die Verfestigung in Form eines Tiefschweißprozesses. Als Tiefschweißen wird hier ein Vorgang angesehen, wenn sich eine Dampfkapillare bildet, auch „Keyhole“ genannt. Der auftreffende Energiestrahl erzeugt hierbei einen See aus geschmolzenem Material. Erreicht die Seeoberfläche des Materials dessen Siedetemperatur, drückt die entstehende Dampfblase die Schmelze seitlich und nach unten weg und erzeugt so die Dampfkapillare. Der Durchmesser dieses Keyholes ist kleiner als der des Energiestrahls bzw. Laserstrahls. Die Dampfkapillare entsteht dabei auch in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Energiestrahls, bei einem Laser typisch ab einer Intensität von 2 MW/cm2 bei 1 m/Min. Je tiefer das Keyhole wird, desto größer werden die Kräfte, die es dann kollabieren lassen wollen und desto mehr Leistung des Energiestrahls wurde bereits absorbiert, so dass sich schließlich ein Gleichgewicht bei einer bestimmten, von gewissen Parametern abhängigen Tiefe einstellt. Infolge der Ausbildung der Dampfkapillare an der Oberfläche des Aufbaumaterials dringt das Strahlbündel tiefer unter die Oberfläche der zu verfestigenden Schicht ein. Hierdurch kann es zu einer Mehrfach- reflektion des Strahlbündels kommen, durch welche die Strahlungsabsorption verbessert wird. Bei der Formung von Verfestigungsbahnen wird bevorzugt ein Tiefschweißprozess verwendet. Die Geschwindigkeit dafür sollte so gewählt werden, dass die Schweißnaht stabil ist und kein Humping auftritt.
Wie oben bereits erwähnt, ist ein besonderer Vorteil der Erfindung die Reduktion von Porosität in einem Bauteil. Die Anzahl sowie die Größe von Poren sollte für eine hohe Qualität des Bauteils gering sein. Aus der Größe G und/oder der Anzahl A der Poren lässt sich auch ein bestimmtes Vergleichsmaß V ableiten, z.B. mit den Wichtungsgrößen a, b, c, d gemäß der Formel V = aR+bG+cGR+d. Die Werte für die Größe G und/oder der Anzahl A der Poren können in Form von Parameterwerten angegeben werden, z.B. als Vektor oder Wertefeld (G, A). Es sollte beachtet werden, dass das „Vergleichsmaß“ kein Verhältnis eines Vergleichs angibt, sondern ein Maß für einen Vergleich darstellt. Mittels ihrer jeweiligen Vergleichsmaße können dann zwei Bauteile miteinander verglichen werden und ein „Qualitätsmaß“ als Vergleichswert ermittelt werden, z.B. in Form einer Differenz oder eines Quotienten ihrer Vergleichsmaße. Es kann z.B. ein Standard- Vergleichsmaß verwendet werden, und dieses mit einem Vergleichsmaß eines Testkörpers verglichen werden. Die Abweichung des Vergleichsmaßes vom Standard- Vergleichsmaß (das Qualitätsmaß) ergibt dann die Qualität des Testkörpers.
Die Schichtinformationen, die dem Verfahren initial zur Verfügung gestellt werden, können vorgegebene Vektorabstände der Scanvektoren sowie in der Regel vorgegebene Scangeschwindigkeiten enthalten. Ein Vorwissen über die Qualitätssteigerung der Erfindung könnte vorab in diese Schichtinformationen eingehen und dadurch eine schnellere Fertigung erreicht werden. Jedoch könnte das Verfahren auch vorgegebene Vektorabstände der Scanvektoren oder Scangeschwindigkeiten in bereitgestellten Schichtinformationen modifizieren oder neue (ggf. abgewandelte) Schichtinformationen generieren, um bei gleichbleibender Qualität (verglichen mit einer Fertigung ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens) eine Erhöhung der Prozesseffizienz zu erreichen. Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird ein Qualitätsmaß aus einem Vergleich von Poren von Testkörpern ermittelt. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- Herstellen eines Ziel-Testkörpers mit Steuerdaten, welche mit einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche erstellt worden sind,
- Herstellen eines Referenz-Testkörpers mit Steuerdaten zumindest ohne eine versetzte Anordnung von Scanvektoren gemäß Schritt c) des (erfindungsgemäßen) Verfahrens,
- Ermitteln von Parameterwerten für Parameter von Poren des Ziel-Testkörpers und des Referenz-Testkörpers mit demselben Messverfahren, wobei die Parameterwerte der Poren insbesondere deren Größe und/oder deren Anzahl umfassen,
- Erstellen eines Vergleichsmaßes der ermittelten Parameterwerte des Ziel-Testkörpers und des Referenz-Testkörpers,
- Optional: Herstellen von Versuchs-Testkörpern mit Steuerdaten mit einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schichtinformationen dahingehend modifiziert oder generiert werden, dass ein Vektorabstand von Scanvektoren der Füllbereiche zueinander und/oder eine Scangeschwindigkeit für diese Scanvektoren erhöht wird und
- Optional: Untersuchen von Veränderungen des Vergleichsmaßes durch Vergleich der Versuchs-Testkörper mit dem Referenz-Testkörper im Verhältnis zu den Schichtinformationen, z.B. den Modifikationen der Schichtinformationen und Erstellung eines Vergleichsmaßes, in Abhängigkeit von den Schichtinformationen, z.B. den Modifikationen der Schichtinformationen,
- Erstellen des Qualitätsmaßes basierend auf einer Anzahl erstellter Vergleichsmaße.
Wie gesagt ist das Qualitätsmaß ist ein Maß, welches einen Vergleich der Qualität eines Testkörpers angibt. Der Referenz-Testkörper stellt dabei die Referenz für die Qualität dar (und liefert das oben erwähnte „Standard-Vergleichsmaß“). Die Qualität wird dabei aus den Vergleichsmaßen, also den Poren abgeleitet. Je größer und häufiger Poren sind, desto schlechter die Qualität. Im Grunde kann das Qualitätsmaß direkt aus einem Vergleichsmaß abgeleitet werden bzw. aus einem Vergleich von Poren-Werten, z.B. nach der oben genannte Formel P = aR+bG+cGR+d mit dem Vergleichsmaß des Referenz- Testkörpers.
Der Ziel-Testkörper wird mit erfindungsgemäß versetzten Füllbereichen hergestellt und der Referenz-Testkörper mit sukzessive verdrehten Füllbereichen. Die (optionalen) Versuchs-Testkörper werden entsprechend den Ziel-Testkörpern hergestellt, jedoch mit variierter Scangeschwindigkeit bzw. variiertem Vektorabstand. Im Grunde kann die Scangeschwindigkeit bei unterschiedlichen Versuchs-Testkörpern einfach sukzessive erhöht werden bzw. der Vektorabstand sukzessive vergrößert werden.
Das Vergleichsmaß kann einfach ein Verhältnis oder eine Differenz der Parameterwerte des Ziel-Testkörpers (oder der Referenz-Testkörper) und des Referenz-Testkörpers sein. Es kann aber auch Mischwerte aus G A enthalten.
Im Grunde genügt ein einziger Ziel-Testkörper, zumindest wenn genügend theoretische Erkenntnisse vorliegen, mittels denen sich aus den Messungen an diesem Testkörper ein Qualitätsmaß ableiten lässt. Genauere Ergebnisse erreicht man jedoch mittels der Versuchs-Testkörper, da diese konkret mit anderen Fertigungsparametern gefertigt wurden. Im Grunde genügt es nun zu ermitteln, mit welchen Fertigungsparametern (Scangeschwindigkeit bzw. Vektorabstand) ein Versuchs-Testkörper gefertigt wurde, der die Qualität des Referenz-Testkörpers aufweist (oder eine bessere Qualität).
Bevorzugt werden basierend auf dem Qualitätsmaß die erhaltenen oder generierten Schichtinformationen durch eine Vergrößerung des Vektorabstands von Scanvektoren der Füllbereiche zueinander und/oder durch eine Vergrößerung der Scangeschwindigkeit für diese Scanvektoren modifiziert und die Schritte des Verfahrens basierend auf den modifizierten oder generierten Schichtinformationen durchgeführt. Es wird dabei bevorzugt die Scangeschwindigkeit erhöht oder der Vektorabstand vergrößert. Dadurch verringert sich zwar die Qualität eines gefertigten Bauteils, jedoch kann auf Kosten der Qualität dessen Fertigung beschleunigt werden. Wenn die Qualität des Bauteils gleich der eines herkömmlich gefertigten Bauteils sein soll, kann also dessen Fertigung beschleunigt werden. Es kann aber auch die Fertigung nur ein wenig beschleunigt werden und ein Bauteil besserer Qualität erzeugt werden. Die gewünschte Qualität wird durch das Qualitätsmaß vorgegeben.
Das Qualitätsmaß umfasst insbesondere eine Information über ein Verhältnis zu Modifikationen der Schichtinformationen, also Informationen darüber, inwiefern der Vektorabstand und/oder die Scangeschwindigkeit verändert worden sind.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen: Figur 1 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur additiven Fertigung,
Figur 2 eine Gestaltung von Füllbereichen unterschiedlicher Verfestigungsbereiche mit Füllmustern gemäß dem Stand der Technik,
Figur 3 eine Gestaltung von Füllbereichen unterschiedlicher Verfestigungsbereiche mit Füllmustern gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 4 ein Beispiel für einen Verfestigungsbereich mit verschiedenen Füllbereichen,
Figur 5 ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 6 ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steigerung der Prozessgeschwindigkeit.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung von Bauteilen in Form einer selektiven Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung beschrieben, wobei explizit noch einmal darauf hingewiesen ist, dass die Erfindung nicht auf selektive Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtungen beschränkt ist. Die Vorrichtung wird im Folgenden - ohne eine Beschränkung der Allgemeinheit - daher kurz als „Fertigungsvorrichtung“ 1 bezeichnet.
Eine solche Fertigungsvorrichtung 1 ist schematisch in Figur 1 gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Prozesskammer 3 bzw. einen Prozessraum 3 mit einer Kammerwandung 4 auf, in der im Wesentlichen der Fertigungsprozess abläuft. In der Prozesskammer 3 befindet sich ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6. Die obere Öffnung des Behälters 5 bildet die jeweils aktuelle Arbeitsebene 7. Der innerhalb der Öffnung des Behälters 5 liegende Bereich dieser Arbeitsebene 7 kann zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden und wird daher als Baufeld 8 bezeichnet.
Der Behälter 5 weist eine in einer vertikalen Richtung V bewegliche Grundplatte 11 auf, die auf einem Träger 10 angeordnet ist. Diese Grundplatte 11 schließt den Behälter 5 nach unten ab und bildet damit dessen Boden. Die Grundplatte 11 kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein, sie kann aber auch eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein und an dem Träger 10 befestigt oder auf diesem einfach gelagert sein. Je nach Art des konkreten Aufbaumaterials, also beispielsweise des verwendeten Pulvers, und des Fertigungsprozesses kann auf der Grundplatte 11 eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Grundsätzlich kann das Objekt 2 aber auch auf der Grundplatte 11 selber aufgebaut werden, die dann die Bauunterlage bildet.
Der grundsätzliche Aufbau des Objekts 2 erfolgt, indem eine Schicht Aufbaumaterial 13 zunächst auf die Bauplattform 12 aufgebracht wird, dann - wie später erläutert - mit einem Laserstrahl 22 als Energiestrahl an den Punkten, welche Teile des zu fertigenden Objekts 2 bilden sollen, das Aufbaumaterial 13 selektiv verfestigt wird, dann mit Hilfe des Trägers 10 die Grundplatte 11, somit die Bauplattform 12 abgesenkt wird und eine neue Schicht des Aufbaumaterials 13 aufgetragen und selektiv verfestigt wird usw. In Figur 1 ist das in dem Behälter auf der Bauplattform 12 aufgebaute Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt. Es weist bereits mehrere verfestigte Schichten auf, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13. Als Aufbaumaterial 13 können verschiedene Materialien verwendet werden, vorzugsweise Pulver, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver oder auch pastöse Materialien sowie optional eine Mischung mehrerer Materialien.
Frisches Aufbaumaterial 15 befindet sich in einem Vorratsbehälter 14 der Fertigungsvorrichtung 1. Mit Hilfe eines in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichters 16 kann das Aufbaumaterial in der Arbeitsebene 7 bzw. innerhalb des Baufelds 8 in Form einer dünnen Schicht aufgebracht werden.
Optional befindet sich in der Prozesskammer 3 eine zusätzliche Strahlungsheizung 17. Diese kann zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 13 dienen, so dass die für die selektive Verfestigung genutzte Bestrahlungseinrichtung nicht zu viel Energie einbringen muss. Das heißt, es kann beispielsweise mit Hilfe der Strahlungsheizung 17 schon eine Menge an Grundenergie in das Aufbaumaterial 13 eingebracht werden, welche natürlich noch unterhalb der notwendigen Energie ist, bei der das Aufbaumaterial 13 verschmilzt oder sintert. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler oder VCSEL-Strahler genutzt werden.
Zum selektiven Verfestigen weist die Fertigungsvorrichtung 1 eine Bestrahlungsvorrichtung 20 bzw. konkret Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21 auf. Dieser Laser 21 erzeugt einen Laserstrahl 22, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt wird, um so die gemäß der Belichtungsstrategie vorgesehenen Scanvektoren S in der jeweils selektiv zu verfestigenden Schicht abzufahren und selektiv die Energie einzubringen. Weiter wird dieser Laserstrahl 22 durch eine Fokussiereinrichtung 24 auf die Arbeitsebene 7 in geeigneter Weise fokussiert. Die Bestrahlungsvorrichtung 20 befindet sich hier vorzugsweise außerhalb der Prozesskammer 3 und der Laserstrahl 22 wird über ein an der Oberseite der Prozesskammer 3 in der Kammerwandung 4 angebrachtes Einkoppelfenster 25 in die Prozesskammer 3 geleitet.
Die Bestrahlungsvorrichtung 20 kann beispielsweise nicht nur einen, sondern mehrere Laser umfassen. Vorzugsweise kann es sich hierbei um Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z. B. Laserdioden handeln, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) oder eine Zeile dieser Laser. Ganz besonders bevorzugt können im Rahmen der Erfindung ein oder mehrere unpolarisierte Single-Mode-Laser, z. B. ein 3 kW-Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1070 nm, eingesetzt werden.
Zur Steuerung der Einheiten der Fertigungsvorrichtung 1 dient eine Steuereinrichtung 30 umfassend eine Steuereinheit 29, welche die Komponenten der Bestrahlungsvorrichtung 20, nämlich hier den Laser 21 , die Umlenkvorrichtung 23 und die Fokussiervorrichtung 24, ansteuert und hierzu an diese entsprechend Steuerdaten PS übergibt.
Die Steuereinheit 29 steuert auch mittels geeigneter Heizungssteuerdaten HS die Strahlungsheizung 17 an, mittels Beschichtungssteuerdaten ST den Beschichter 16 und mittels Trägersteuerdaten TS die Bewegung des Trägers 10 und steuert somit die Schichtdicke.
Die Steuereinrichtung 30 ist, hier z. B. über einen Bus 60 oder eine andere Datenverbindung, mit einem Terminal 40 mit einem Display oder dergleichen gekoppelt. Über dieses Terminal 40 kann ein Bediener die Steuereinrichtung 30 und somit die gesamte Lasersintervorrichtung 1 steuern, z. B. durch Übermittlung von Prozesssteuerdaten PS.
Um den Produktionsprozess zu optimieren, werden mittels einer Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 in der erfindungsgemäßen Weise die Steuerdaten PS so generiert bzw. so modifiziert, dass die Ansteuerung der Vorrichtung 1 zumindest zeitweise in einem erfindungsgemäßen Modus erfolgt. Die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 umfasst hier eine Datenschnittstelle 35 zum Empfangen von Schichtinformationen Sl für ein Bauteil 2. Diese Schichtinformationen Sl umfassen z.B. bereits Schichtstrukturen des Bauteils (die Verfestigungsbereiche V1, V2, V3, V4, s. nachfolgende Figuren). Alternativ umfasst die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 eine Schnitteinheit 35 ausgelegt zum Generieren von diesen Schichtinformationen Sl. Flächen der Schichtstrukturen sollen dabei mit einem vorgegebenen Füllmuster F verfestigt werden (s. zu den Funktionen der Komponenten auch die nachfolgenden Figuren).
Die Schichtinformationen Sl enthalten in diesem Beispiel Daten über Verfestigungsbereiche V1, V2, V3, V4, welche Bauteilschichten B des Bauteils 2 repräsentieren, wobei die Verfestigungsbereiche V1 , V2, V3, V4 aus einer Anzahl von Füllbereichen F1 , F2, F3, F4 gebildet werden. Des Weiteren umfassen die Schichtinformationen Sl Daten zu Scanvektoren S, gemäß denen die Füllbereiche F1 , F2, F3, F4 verfestigt werden sollen. Dabei bilden die Scanvektoren S in jedem Füllbereich F1, F2, F3, F4 ein vorgegebenes Füllmuster FM, wobei zumindest ein Teil der Füllmuster FM zueinander parallele Scanvektoren S mit einem vorgegebenen Vektorabstand aufweist. Hier ist darauf zu achten, dass die Schichtinformationen Sl noch keine fertigen Bauteilschichten B darstellen, da letztere ja erst mittels der Schichtinformationen Sl erstellt werden. Die Verfestigungsbereiche V1, V2, V3, V4 sind daher auch keine verfestigten Bereiche, sondern stellen in der Regel eine Vielzahl von Füllbereichen F1, F2, F3, F4 dar, wobei jeder Füllbereich wiederum in der Regel eine Vielzahl von Scanvektoren S umfasst, die in Form eines Füllmusters angeordnet sind (oft in Form von Schraffuren). Wird ein Energiestrahl 22 entlang dieser Scanvektoren S über eine Schicht von Aufbaumaterial 13 geführt wird dort das Aufbaumaterial 13 in Form von Verfestigungsbahnen mit den entsprechenden Füllmustern F1, F2, F3, F4 verfestigt. Daher repräsentieren die Verfestigungsbereiche V1 , V2, V3, V4 die Bauteilschichten B, die Scanvektoren S die Verfestigungsbahnen der Bauteilschichten B und die Füllbereiche F1, F2, F3, F4 einzelne Bereiche der Bauteilschichten B mit einem einheitlichen Füllmuster FM.
Neben der Datenschnittstelle 35 umfasst die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 ein Steuermodul 36. Dieses Steuermodul 36 ist dazu ausgelegt, einen ersten Füllbereich F1 für einen ersten Verfestigungsbereich V1 auszuwählen und dann einen zweiten Füllbereich F2 für einen auf dem ersten Verfestigungsbereich V1 aufliegenden zweiten Verfestigungsbereich V2 zu erstellen. Jeder Füllbereich F1, F2 weist dabei ein Füllmuster FM aus zueinander parallelen Scanvektoren S auf. Das Steuermodul kann aber auch dazu ausgelegt sein, den ersten Füllbereich F1 (und auch weitere Füllbereiche) des ersten Verfestigungsbereichs V1 zu generieren, insbesondere in dem Fall, dass die Schichtinformationen Sl ausschließlich geometrische Daten zu dem Bauteil 2 umfassen.
Wichtig ist dabei, dass die Scanvektoren S des zweiten Füllbereichs F2 im Wesentlichen (vorzugsweise exakt) parallel zu den Scanvektoren S des ersten Füllbereichs F1 ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind. Dies bedeutet, dass später die Verfestigungsbahnen in den resultierenden Bauteilschichten B nicht verdreht zueinander verlaufen, sondern parallel und versetzt zueinander. Erst wenn mindestens zwei Verfestigungsbereiche V1 , V2 solche „unverdrehten“ Füllbereiche F1 , F2 aufweisen, kann eine Drehung von Füllbereichen F3, F4 oder ihren Füllmustern FM erfolgen, wobei auch hier bevorzugt ist, nach einer Drehung und vor der nächsten Drehung wieder mindestens zwei Verfestigungsbereiche V3, V4 mit zueinander „unverdrehten“ Füllbereichen F3, F4 vorzusehen, was sich über die gesamte Bauteilhöhe fortsetzen kann.
Des Weiteren umfasst die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 eine Steuerdaten Erzeugungseinheit 37, welche zum Generieren von Steuerdaten PS ausgelegt ist und zwar derart, dass die Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten PS Bauteilschichten B entsprechend den Verfestigungsbereichen V1 , V2, V3, V4 erzeugen kann.
Bei einer besonders bevorzugten Variante ist die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 auf einer externen Rechnereinheit, beispielsweise dem Terminal 40, realisiert und liefert vorab bereits Prozesssteuerdaten PS mit entsprechend passenden Steuerdaten PS, mit denen die Vorrichtung 1 so angesteuert wird, dass in den gewünschten Bereichen des Bauteils der beabsichtigte Modus erreicht wird. In diesem Fall könnte auf die in der Steuereinrichtung 30 hier vorhandene interne Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 auch verzichtet werden.
Es wird an dieser Stelle auch noch einmal darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Fertigungsvorrichtung 1 beschränkt ist. Sie kann auf andere Verfahren zum generativen bzw. additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials angewendet werden, wobei ein Energiestrahl zum Verfestigen auf das zu verfestigende Aufbaumaterial abgegeben wird. Dementsprechend kann auch die Bestrahlungsvorrichtung nicht nur, wie hier beschrieben, ein Laser sein, sondern es könnte jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie als Wellen- oder Teilchenstrahlung selektiv auf bzw. in das Aufbaumaterial gebracht werden kann. Beispielsweise könnte anstelle eines Lasers eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl etc. verwendet werden.
Auch wenn in Figur 1 nur ein einzelnes Objekt 2 bzw. Bauteil 2 dargestellt wird, ist es möglich und in der Regel auch üblich, mehrere Objekte in der Prozesskammer 3 bzw. im Behälter 5 parallel herzustellen. Dazu wird das Aufbaumaterial schichtweise an Stellen, die den Querschnitten der Objekte in der jeweiligen Schicht entsprechen, durch den Energiestrahl 22 abgetastet.
Figuren 2 und 3 zeigen eine Gestaltung von Füllbereichen F1, F2, F3, F4 unterschiedlicher Verfestigungsbereiche V1, V2, V3, V4 mit Füllmustern FM. Die Verfestigungsbereiche V1, V2, V3, V4 liegen dabei unmittelbar übereinander und würden bei einer Fertigung vier aufeinanderfolgende Bauteilschichten B ergeben. Jedes Füllmuster FM ist eine Schraffur (auch als „Hatching“ bezeichnet) von Scanvektoren S mit jeweils gleichem Vektorabstand. Die Scanvektoren S sind dabei nicht durchgängig, sondern bilden Streifen, die an Streifengrenzen G (punktiert angedeutet) aneinanderstoßen und leicht miteinander überlappen.
Figur 2 zeigt eine Gestaltung gemäß dem Stand der Technik. Von links nach rechts wird ein erster Füllbereich F1 in einem ersten Verfestigungsbereich V1 von einem zweiten Füllbereich F2 in einem zweiten Verfestigungsbereich V2 mit einem gedrehten Füllmuster FM überdeckt. Es folgen ein dritter und vierter Verfestigungsbereich V3, V3 mit weiter gedrehten Füllmustern FM in den entsprechenden Füllbereichen F3, F4. Die Drehung ist in diesem Beispiel 90° und kann in der Praxis im Grunde beliebig große Winkel annehmen.
Figur 3 zeigt eine Gestaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum Stand der Technik erfolgt hier nicht zwischen jedem Verfestigungsbereich V1, V2, V3, V4 eine Drehung, sondern nur nach jedem zweiten. Von links nach rechts wird ein erster Füllbereich F1 in einem ersten Verfestigungsbereich V1 von einem zweiten Füllbereich F2 in einem zweiten Verfestigungsbereich V2 mit einem nicht-gedrehten Füllmuster FM überdeckt. Die Füllmuster FM überdecken einander vielmehr versetzt zueinander, wobei beim zweiten Füllbereich F2 die darunterliegenden Scanvektoren S des ersten Füllbereichs F1 strichpunktiert angedeutet sind. Der Versatz erfolgt in diesem Beispiel sowohl quer zur Längsrichtung der Scanvektoren S als auch in Längsrichtung über Streifengrenzen G hinweg. Nach einer Drehung des Füllmusters im dritten Verfestigungsbereich V4 erfolgt im vierten Verfestigungsbereich V4 wieder eine versetzte Ausrichtung des Füllmusters FM.
Es sollte beachtet werden, dass hier die Füllmuster FM innerhalb von Füllbereichen F1, F2, F3, F4 gedreht worden sind. Es ist genauso möglich, dass die Füllbereiche F1, F2, F3, F4 zusammen mit ihrem Füllmuster FM gedreht werden.
Figur 4 zeigt ein Beispiel für einen Verfestigungsbereich V1 mit verschiedenen Füllbereichen F1, F2, F3, F4. Drei innere Füllbereiche F2, F3, F4, die schachbrettartig mit unterschiedlichen Füllmustern FM angeordnet sind, sind von einem Füllbereich F1 umgeben, der die Kontur bzw. den Rand des Verfestigungsbereichs V1 wiedergibt. Während die Füllmuster FM im Innenbereich Schraffuren sind, verlaufen die Scanvektoren S des Füllmusters FM des äußeren Füllbereichs F1 jeweils parallel zueinander um den Innenbereich herum.
Figur 5 zeigt ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Generierung von Steuerdaten PS für eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines Bauteils 2 in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld 8 das Bauteil 2 in Form von Bauteilschichten B durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial 13, z.B. umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials 13 mit zumindest einem Energiestrahl 22 aufgebaut wird.
In Schritt I werden Schichtinformationen Sl über Verfestigungsbereiche V1, V2, V3, V4 generiert oder erhalten. Die Verfestigungsbereiche V1, V2, V3, V4 repräsentieren dabei Bauteilschichten B des Bauteils 2 und werden hier jeweils aus einer Mehrzahl von Füllbereichen F1, F2, F3, F4 gebildet. Die Schichtinformationen Sl umfassen dabei Daten zu Scanvektoren S, gemäß denen die Füllbereiche F1, F2, F3, F4 verfestigt werden sollen, wobei die Scanvektoren S in jedem Füllbereich F1, F2, F3, F4 ein vorgegebenes Füllmuster FM bilden und zumindest ein Teil der Füllmuster FM zueinander parallele Scanvektoren S mit einem vorgegebenen Vektorabstand aufweist (s. z.B. Figur 2).
Die Schichtinformationen können durchaus Steuerdaten gemäß dem Stand der Technik sein, die durch das Verfahren in erfindungsgemäße Steuerdaten PS modifiziert werden. Sie können aber auch lediglich geometrische Daten des Bauteils 2 bzw. dessen Bauteilschichten umfassen. In Schritt II wird ein erster Füllbereich F1 mit einem Füllmuster FM aus zueinander parallelen Scanvektoren S für einen ersten Verfestigungsbereich V1 ausgewählt oder generiert. Die Auswahl oder Erzeugung kann sich dabei sukzessive auf weitere Füllbereiche F2, F3, F4 erstrecken und theoretisch alle Füllbereiche F1, F2, F3, F4 des Verfestigungsbereichs V1 betreffen, wobei die nachfolgenden Schritte dann auch für die Füllbereiche F1, F2, F3, F4 der darüberliegenden Verfestigungsbereiche V2, V3, V4 erfolgen, entweder getrennt voneinander oder parallel zueinander. Somit können sich die folgenden Ausführungen auch auf weitere Füllbereiche F2, F3, F4 erstrecken, werden aber hier zur besseren Übersicht nur am Beispiel eines Füllbereichs F2 fortgeführt. Dieser Schritt könnte die Auswahl des linken Füllbereichs F1 der Figur 3 betreffen.
In Schritt III wird ein zweiter Füllbereich F2 mit einem Füllmuster FM aus zueinander parallelen Scanvektoren S für einen auf dem ersten Verfestigungsbereich V1 aufliegenden zweiten Verfestigungsbereich V2, wobei die Scanvektoren S des zweiten Füllbereichs F2 im Wesentlichen parallel zu den Scanvektoren S des ersten Füllbereichs F1 ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind. Die Pfeile in dem entsprechenden Kasten deuten an, dass der Versatz quer und/oder längs zur Längsrichtung der Scanvektoren S erfolgen kann. Der Versatz kann z.B. genau die Hälfte eines Vektorabstands von Scanvektoren S sein. Dieser Schritt könnte in dem zweiten Füllbereich F2 von links der Figur 3 resultieren.
In Schritt IV wird ein dritter Füllbereich F3 aus zueinander parallelen Scanvektoren S für einen dritten Verfestigungsbereich V3 erstellt. Dieser dritte Füllbereich F3 liegt dabei über dem ersten Füllbereich F1 und überdeckt diesen. Das Füllmuster FM des dritten Füllbereichs F3 ist dabei zum Füllmuster FM des ersten Füllbereichs V3 verdreht. Dieser Schritt könnte in dem dritten Füllbereich F2 von links der Figur 3 resultieren.
Der zu Schritt III rückgerichtete gestrichelte Pfeil deutet an, dass diese Prozedur (parallele Anordnung, dann drehen) beliebig wiederholt werden kann.
In Schritt V werden dann Steuerdaten PS derart generiert, dass die Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten PS Bauteilschichten B entsprechend den Verfestigungsbereichen V1, V2, V3, V4 erzeugen kann.
Dieses Verfahren liefert Steuerdaten PS, mittels denen Bauteile 2 mit einer sehr geringen Porosität und damit sehr hohen Bauteilqualität erstellt werden können. Es kann jedoch gewünscht sein, dass die Bauteilqualität nicht erhöht werden soll, da sie bereits ausreicht. In diesem Fall kann das Verfahren so modifiziert werden, dass bei der Generierung der Steuerdaten PS die Scangeschwindigkeit und/oder der Vektorabstand der Scanvektoren S erhöht wird und damit die Fertigungszeit herabgesetzt wird. Dadurch verschlechtert sich zwar die Qualität der Bauteile, durch die durch das Verfahren erreichte höhere Qualität liegt sie jedoch im tolerierbaren Bereich bzw. im gewünschten Bereich.
Figur 6 zeigt ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steigerung der Prozessgeschwindigkeit. In diesem Verfahren wird zunächst ein Qualitätsmaß aus einem Vergleich von Poren von Testkörpern ermittelt und dann werden die Steuerdaten PS entsprechend modifiziert.
In Schritt la werden ein Ziel-Testkörper TZ mit Steuerdaten PS aus einem erfindungsgemäßen Verfahren und ein Referenz-Testkörper TR mit herkömmlichen Steuerdaten PS (ohne eine versetzte Anordnung von Scanvektoren S gemäß Schritt III des Verfahrens) gefertigt.
In Schritt lla werden Parameterwerte für Parameter von Poren P des Ziel-Testkörpers TZ und des Referenz-Testkörpers TR mit demselben Messverfahren ermittelt, wobei die Parameterwerte der Poren P insbesondere deren Größe und/oder deren Anzahl umfassen.
In Schritt Illa wird ein Vergleichsmaß VM der ermittelten Parameterwerte des Ziel- Testkörpers TZ und des Referenz-Testkörpers TR erstellt, z.B. ein Verhältnis der Größen oder der Anzahl der Poren P.
Mit gestrichelten Pfeilen sind unten optionale Schritte angedeutet, in denen Versuchs- Testkörper TV mit erfindungsgemäßen Steuerdaten PS hergestellt wurden, bei denen die Schichtinformationen Sl dahingehend modifiziert wurden, dass ein Vektorabstand von Scanvektoren S der Füllbereiche F1, F2, F3, F4 zueinander und/oder eine Scangeschwindigkeit für diese Scanvektoren S erhöht wird. In diesem Beispiel wird von einer Modifikation von Schichtinformationen ausgegangen. Die Schichtinformationen können auch generiert werden, wobei die folgenden Vergleiche mit den ursprünglichen und den generierten Schichtinformationen analog durchgeführt werden. Basierend auf diesen Versuchs-Testkörpern TV wird nun im Vergleich mit dem Referenz- Testkörper TR wieder das Vergleichsmaß VM ermittelt, aber diesmal im Verhältnis zu den Modifikationen der Schichtinformationen Sl.
In Schritt IVa wird dann basierend auf mindestens einem Vergleichsmaß VM das Qualitätsmaß Q ermittelt. Dies kann direkt das Vergleichsmaß aus Schritt Illa sein oder Vergleichsmaße aus den optionalen Schritten.
In Schritt Va werden dann Steuerdaten PS basierend auf dem Qualitätsmaß Q generiert, so dass die Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten PS Bauteilschichten B erzeugen kann. In diesem Beispiel werden dabei Scangeschwindigkeit und/oder der Vektorabstand zwischen zwei Scanvektoren S so bemessen, dass eine vorgegebene Bauteilqualität nicht unterschritten wird, wobei das Qualitätsmaß Q angibt, ob die zu erwartende Bauteilqualität noch in einem tolerierbaren Rahmen liegt oder nicht.
In einem einfachen Fall kann einfach bei den vorgenannten optionalen Schritten anhand des Vergleichsmaßes VM abgeschätzt werden, ob die Qualität eines Versuchs- Testkörpers TV der Qualität des Referenz-Testkörpers TR entspricht und genau die Parameter für die Steuerdaten PS gewählt werden, die bei der Fertigung dieses Versuchs-Testkörpers TV vorlagen.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel könnte eine Verfestigung anstatt mit Laserlicht auch mit anderen Energiestrahlen erfolgen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können. Der Ausdruck "eine Anzahl" ist als "mindestens ein(e)" zu verstehen. Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung zur additiven Fertigung / Fertigungsvorrichtung
2 Bauteil / Objekt
3 Prozessraum / Prozesskammer
4 Kammerwandung
5 Behälter
6 Behälterwandung
7 Arbeitsebene
8 Baufeld
10 Träger
11 Grundplatte
12 Bauplattform
13 Aufbaumaterial (im Behälter 5)
14 Vorratsbehälter
15 Aufbaumaterial (im Vorratsbehälter 14)
16 Beschichter
17 Strahlungsheizung
20 Bestrahlungsvorrichtung / Belichtungsvorrichtung
21 Laser
22 Laserstrahl / Energiestrahl
23 Umlenkvorrichtung / Scanner
24 Fokussiereinrichtung
25 Einkoppelfenster
29 Steuereinheit
30 Steuereinrichtung
31 Bestrahlungssteuerschnittstelle
34 Steuerdatenerzeugungsvorrichtung
35 Datenschnittstelle
36 Steuermodul
37 Steuerdaten-Erzeugungseinheit
40 Terminal
60 Bus
B Bauteilschicht
FM Füllmuster
F1 , F2, F3, F4 Füllbereich G Streifengrenzen
H horizontale Richtung
HS Heizungssteuerdaten
P Pore PS Prozesssteuerdaten / Steuerdaten
Q Qualitätsmaß
S Scanvektor / Hatchlinie
SB Prozessraum-Sensordatensatz / Schichtbild
SDS Prozessraum-Sensordaten Sl Schichtinformationen
ST Beschichtungssteuerdaten
TR Referenz-Testkörper
TS T rägersteuerdaten
TV Versuchs-Testkörper TZ Ziel-Testkörper
V vertikale Richtung
V1, V2, V3, V4 Verfestigungsbereich
VM Vergleichsmaß

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Generierung von Steuerdaten (PS) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) das Bauteil (2) in Form von Bauteilschichten (B) durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) aufgebaut wird, das Verfahren umfassend die Schritte: a) Erhalten oder Generieren von Schichtinformationen (Sl) umfassend geometrische Parameter von Bauteilschichten und/oder Informationen zu Scanvektoren von Verfestigungsbereichen (V1 , V2, V3, V4), welche Bauteilschichten (B) des Bauteils (2) repräsentieren, b) Auswahlen oder Generieren eines ersten Füllbereichs (F1) für einen ersten Verfestigungsbereich (V1), wobei dieser Füllbereich (F1) ein Füllmuster (FM) aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) mit einem vorgegebenen Vektorabstand aufweist, c) Erstellen eines zweiten Füllbereichs (F2) mit einem Füllmuster (FM) aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) für einen auf dem ersten Verfestigungsbereich (V1) aufliegenden zweiten Verfestigungsbereich (V2), wobei die Scanvektoren (S) des zweiten Füllbereichs (F2) im Wesentlichen parallel zu den Scanvektoren (S) des ersten Füllbereichs (F1) ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind, d) Generieren von Steuerdaten (PS) derart, dass die Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten (PS) Bauteilschichten (B) entsprechend den Verfestigungsbereichen (V1 , V2, V3, V4) erzeugen kann.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , umfassend nach Schritt c) und vor Schritt d) die Schritte:
- Erstellen eines dritten Füllbereichs (F3) aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) für einen dritten Verfestigungsbereich (V3), wobei der dritte Füllbereich (F3) über dem ersten Füllbereich (F1) liegt und diesen zumindest teilweise überdeckt, und wobei das Füllmuster (FM) des dritten Füllbereichs (F3) zum Füllmuster (FM) des ersten Füllbereichs (V3) verdreht ist, insbesondere um einen Drehwinkel von mehr als 10°, bevorzugt wobei das Füllmuster (FM) des dritten Füllbereichs (F3) zum Füllmuster (FM) des ersten Füllbereichs (F1) bis auf die Verdrehung identisch ist;
- bevorzugt Erstellen eines vierten Füllbereichs (F4) aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) für eine auf dem dritten Verfestigungsbereich (V3) aufliegenden vierten Verfestigungsbereich (V4), wobei die Scanvektoren (S) des vierten Füllbereichs (F4) im Wesentlichen parallel zu den Scanvektoren (S) des dritten Füllbereichs (F3) ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind.
3. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Scanvektoren (S) des zweiten Füllbereichs (F2) in einer Ebene des zweiten Verfestigungsbereichs (V2) zu den Scanvektoren (S) des ersten Füllbereichs (F1) in einer Querrichtung relativ zu einer Längserstreckung der Scanvektoren (S) des ersten Füllbereichs (F1) verschoben sind, wobei die entsprechenden Vektorabstände der Füllmuster (FM) der Füllbereiche (F1, F2) jeweils identisch sind, bevorzugt wobei eine Verschiebungsdistanz in der Querrichtung geringer als der Vektorabstand zwischen zwei Scanvektoren (S) ist, und bevorzugt im Bereich zwischen 90% und 10% des Vektorabstands liegt, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 45% und 55% des Vektorabstands liegt, und bevorzugt unter 0,1 mm liegt.
4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Füllmuster (FM) aus
- einer Schraffur aus einer Vielzahl zueinander paralleler Scanvektoren (S) oder
- einer Kontur aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) oder
- einer kreisförmigen oder einer spiralförmigen Anordnung aus einer Anzahl von Scanvektoren (S) gebildet wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich in übereinanderliegenden Verfestigungsbereichen (V1 , V2, V3, V4)
- Füllbereiche (F1 , F2, F3, F4) im Wesentlichen vollflächig überdecken, wobei bevorzugt Füllbereiche (F1, F2, F3, F4) mit einer identischen Form und Größe einander im Wesentlichen vollflächig überdecken, und/oder
- Füllbereiche (F1, F2, F3, F4) versetzt zueinander angeordnet sind, bevorzugt wobei Füllbereiche (F1, F2, F3, F4) mit einem ähnlichen oder identischen Füllmuster (FM) längs der Scanvektoren (S) zueinander um eine vorbestimmte Verschiebungsdistanz verschoben sind, und/oder
- Füllbereiche (F1, F2, F3, F4) verdreht zueinander angeordnet sind, ohne dass ihre Füllmuster (FM) mitgedreht worden sind, und/oder - Füllmuster (FM) von einander überdeckenden Füllbereichen (F1, F2, F3, F4) sich bezüglich eines Versatzes längs und/oder quer zu ihren Scanvektoren (S), und/oder bezüglich einer Drehung ihrer Scanvektoren (S) voneinander unterscheiden, bevorzugt wobei eine Verschiebungsdistanz in der Längsrichtung geringer als eine Streifenbreite eines Füllbereichs (F1, F2, F3, F4) in Form eines Schraffurstreifens ist, und bevorzugt im Bereich zwischen 90% und 10% der Streifenbreite liegt, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 45% und 55% der Streifenbreite liegt, und/oder bevorzugt wobei eine Verschiebung in der Querrichtung, insbesondere gemäß Anspruch 2, und in der Längsrichtung erfolgt, deren Verschiebungsdistanz geringer als eine Diagonalerstreckung des ersten Füllbereichs (F1) ist und bevorzugt im Bereich zwischen 90% und 10% der Diagonalerstreckung liegt, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 45% und 55% der Diagonalerstreckung liegt.
6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei innerhalb eines Füllbereichs (F1, F2, F3, F4) und/oder zwischen zwei unmittelbar übereinanderliegenden Füllbereichen (F1 , F2, F3, F4) die Werte einer Anzahl von Parametern, insbesondere eine Geschwindigkeit, eine Leistung, ein Pulsmuster und/oder eine Intensitätsverteilung, des Energiestrahls (22) zur Verfestigung eines Aufbaumaterials bei einer Verfestigung entlang der Scanvektoren (S) verändert werden, wobei sich insbesondere die jeweiligen Werte der Anzahl von Parametern zwischen dem ersten Füllbereich (F1) und dem zweiten Füllbereich (F2) und/oder dem dritten Füllbereich (F3) und dem vierten Füllbereich (F4) ändern.
7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerdaten (PS) so generiert werden, dass der Energiestrahl (22) so eingestellt wird, dass er einen Bereich tiefer als die Dicke der jeweils letzten Bauteilschicht (B) beim Verfestigen entlang der Scanvektoren (S) verfestigt, bevorzugt mindestens das Doppelte, weiter bevorzugt mindestens das Dreifache, besonders bevorzugt mindestens das Vierfache dieser Dicke, und insbesondere eine Verfestigung eine Tiefenerstreckung größer als 0,05 mm hat, bevorzugt wobei die Verfestigung in Form eines Tiefschweißprozesses erfolgt.
8. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Qualitätsmaß aus einem Vergleich von Poren von Testkörpern ermittelt wird, umfassend die Schritte:
- Herstellen eines Ziel-Testkörpers (TZ) mit Steuerdaten (PS), welche mit einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche erstellt worden sind, - Herstellen eines Referenz-Testkörpers (TR) mit Steuerdaten (PS) zumindest ohne eine versetzte Anordnung von Scanvektoren (S) gemäß Schritt c) des Verfahrens,
- Ermitteln von Parameterwerten für Parameter von Poren (P) des Ziel-Testkörpers (TZ) und des Referenz-Testkörpers (TR) mit demselben Messverfahren, wobei die Parameterwerte der Poren (P) insbesondere deren Größe und/oder deren Anzahl umfassen,
- Erstellen eines Vergleichsmaßes (VM) der ermittelten Parameterwerte des Ziel- Testkörpers (TZ) und des Referenz-Testkörpers (TR),
- Optional: Herstellen von Versuchs-Testkörpern (TV) mit Steuerdaten (PS) mit einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Schichtinformationen (Sl) dahingehend generiert oder modifiziert werden, dass ein Vektorabstand von Scanvektoren (S) der Füllbereiche (F1, F2, F3, F4) zueinander und/oder eine Scangeschwindigkeit für diese Scanvektoren (S) erhöht wird und
- Optional: Untersuchen von Veränderungen des Vergleichsmaßes (VM) durch Vergleich der Versuchs-Testkörper (TV) mit dem Referenz-Testkörper (TR) im Verhältnis zu den Schichtinformationen (Sl) und Erstellung eines Vergleichsmaßes (VM), in Abhängigkeit von den Schichtinformationen (Sl),
- Erstellen des Qualitätsmaßes (Q) basierend auf einer Anzahl erstellter Vergleichsmaße (VM).
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei basierend auf dem Qualitätsmaß (Q), welches insbesondere eine Information über ein Verhältnis zu Schichtinformationen (Sl) umfasst, die erhaltenen oder generierten Schichtinformationen (Sl) durch eine Vergrößerung des Vektorabstands von Scanvektoren (S) der Füllbereiche (F1, F2, F3, F4) zueinander und/oder durch eine Vergrößerung der Scangeschwindigkeit für diese Scanvektoren (S) modifiziert werden, und die Schritte des Verfahrens basierend auf den modifizierten oder generierten Schichtinformationen (Sl) durchgeführt werden.
10. Steuerdaten (PS) zur Steuerung einer Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung, welche nach einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche generiert worden sind.
11. Fertigungsverfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (2), wobei in einem Baufeld (8) das Bauteil (2) in Form von Bauteilschichten (B) schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) gemäß den Steuerdaten (PS) nach Anspruch 10 aufgebaut wird, wobei zur Erstellung von Bauteilschichten (B) des Bauteils (2) der Energiestrahl (22) gemäß den Steuerdaten (PS) über das Baufeld (8) bewegt wird.
12. Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (34) zur Generierung von Steuerdaten (PS) nach Anspruch 10 für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) das Bauteil (2) in Form von Bauteilschichten (B) durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) aufgebaut wird, die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (34) umfassend:
- eine Datenschnittstelle (35) ausgelegt zum Empfangen von Schichtinformationen (Sl) umfassend geometrische Parameter von Bauteilschichten und/oder Informationen zu Scanvektoren von Verfestigungsbereichen (V1, V2, V3, V4), welche Bauteilschichten (B) des Bauteils (2) repräsentieren,
- ein Steuermodul (36) ausgelegt zum i) Auswählen oder Generieren eines ersten Füllbereichs (F1) für einen ersten Verfestigungsbereich (V1), wobei dieser Füllbereich (F1) ein Füllmuster (FM) aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) mit einem vorgegebenen Vektorabstand aufweist, ii) Erstellen eines zweiten Füllbereichs (F2) mit einem Füllmuster (FM) aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) für einen auf dem ersten Verfestigungsbereich (V1) aufliegenden zweiten Verfestigungsbereich (V2), wobei die Scanvektoren (S) des zweiten Füllbereichs (F2) im Wesentlichen, vorzugsweise exakt, parallel zu den Scanvektoren (S) des ersten Füllbereichs (F1) ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind,
- eine Steuerdaten-Erzeugungseinheit (37) ausgelegt zum Generieren von Steuerdaten (PS) derart, dass die Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten (PS) Bauteilschichten (B) entsprechend den Verfestigungsbereichen (V1 , V2, V3, V4) erzeugen kann.
13. Steuereinrichtung (30) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) das Bauteil (2) in Form von Bauteilschichten (B) schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) mittels einer Bestrahlungsvorrichtung (20) aufgebaut wird, wobei die Steuereinrichtung (30) ausgebildet ist, die Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung der Bauteilschichten (B) des Bauteils (2) gemäß Steuerdaten (PS) nach Anspruch 10 anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung (30) vorzugsweise eine Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (34) nach Anspruch 12 umfasst.
14. Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung zumindest eines Bauteils (2) in einem additiven Fertigungsprozess mit zumindest
- einer Zuführvorrichtung zum Aufbringen von Materialschichten von Aufbaumaterial (13) auf ein Baufeld in einem Prozessraum (3),
- einer Bestrahlungsvorrichtung (20), um, insbesondere zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten, Aufbaumaterial (13) durch Bestrahlung mit zumindest einem Energiestrahl (22) selektiv zu verfestigen, sowie
- einer Steuereinrichtung (30) nach Anspruch 13.
15. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder 11 auszuführen.
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