DE102017205051A1

DE102017205051A1 - Überlappoptimierung

Info

Publication number: DE102017205051A1
Application number: DE102017205051.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Schade
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2018-09-27
Also published as: WO2018172079A1

Abstract

Bei einem computergestützten Verfahren zur Generierung eines Steuerdatensatzes für eine generative Schichtbauvorrichtung ist in dieser eine Eintragseinrichtung (20) dazu ausgebildet, eine Mehrzahl von Strahlbündeln (22) auf unterschiedliche Regionen einer aufgetragenen Schicht zu richten. In einem ersten Schritt (S1) wird auf mindestens zwei Schichtdatensätze zugegriffen, die Datenmodelle einer entsprechenden Anzahl von während der Herstellung selektiv zu verfestigenden Aufbaumaterialschichten aufweisen. In einem zweiten Schritt (S2) werden in einem Schichtdatensatz mehrere aneinandergrenzende Teilquerschnitte (31, 32, 41, 42 festgelegt. Die Teilquerschnitte (31, 32, 41, 42) werden so festgelegt, dass ein Grenzbereich (35, 45) in seiner Gestalt und/oder Lage in der Schichtebene gegenüber der Gestalt und/oder Lage eines Grenzbereichs (35, 45) in einem der unmittelbar vorangegangenen oder der unmittelbar darauffolgenden Schicht zugeordneten Schichtdatensatz unterschiedlich ist. In einem dritten Schritt (S3) wird der im zweiten Schritt (S2) abgeänderte Schichtdatensatz als Steuerdatensatz für die generative Schichtbauvorrichtung bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein computergestütztes Verfahren zur Generierung eines Steuerdatensatzes für eine generative Schichtbauvorrichtung sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Generative Schichtbauvorrichtungen und zugehörige Verfahren sind allgemein dadurch charakterisiert, dass in ihnen Objekte durch Verfestigen eines formlosen Aufbaumaterials Schicht für Schicht hergestellt werden. Die Verfestigung kann beispielsweise herbeigeführt werden mittels Zufuhr von Wärmeenergie zum Aufbaumaterial durch Bestrahlen desselben mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung (z. B. Lasersintern (SLS) oder Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen) oder aber durch Herbeiführen einer Vernetzungsreaktion im Aufbaumaterial (z. B. Stereolithographie). Die ursprünglich im Prototypenbau eingesetzten Vorrichtungen und Verfahren werden zunehmend für die Serienfertigung eingesetzt, wofür sich der Begriff „Additive Manufacturing“ eingebürgert hat.
Insbesondere beim Additive Manufacturing ist es wichtig, die Objekte nicht nur mit hoher Präzision herzustellen, sondern ebenfalls innerhalb einer geringen Fertigungszeit. Die Fertigungszeit lässt sich verringern, wenn zur Verfestigung der einem oder mehreren Objektquerschnitten in einer Schicht entsprechenden Stellen mehrere energetische Strahlen, z. B. Laserstrahlen, zeitgleich eingesetzt werden.
WO 2016/110440 A1 beschreibt eine entsprechende Vorrichtung, bei der unterschiedlichen Bereichen einer Schicht unterschiedliche Laserstrahlen zugeordnet sind, wobei es Bereiche gibt, in denen mehrere Strahlen auf das Aufbaumaterial einwirken können, d. h. Bereiche, auf die nicht nur ein Laserstrahl, sondern mehrere Laserstrahlen gerichtet werden können.
11 veranschaulicht dieses Vorgehen anhand eines Baufeldes, auf welches vier Laserstrahlen gleichzeitig einwirken können. In dem Baufeld 8 in 11 sind jene Bereiche, in denen lediglich einer der vier Laserstrahlen bei der Verfestigung zum Einsatz gelangen kann, mit A1 bis A4 gekennzeichnet. Bereiche, in denen zwei Laserstrahlen gemeinsam zum Verfestigen verwendet werden können, sind mit dem Buchstaben „B“ gekennzeichnet, wobei die auf den Buchstaben folgenden Zahlen kennzeichnen, welcher der vier Laserstrahlen (mit 1 bis 4 durchnummeriert) zum Einsatz gelangt. Schließlich gibt es noch einen Zentralbereich C1234, indem alle vier Laserstrahlen gemeinsam für die Verfestigung eines oder mehrerer Querschnitte in diesem Bereich zum Einsatz kommen können.
WO 2016/110440 A1 beschäftigt sich mit dem Problem, dass koordiniert werden muss, welcher der Laserstrahlen, die in einem gemeinsamen Bereich zum Einsatz kommen können, auf eine bestimmte Stelle in diesem Bereich gerichtet wird. Die Koordination kann insbesondere so erfolgen, dass ein Laserstrahl, in dessen Teilregion nur wenige Stellen innerhalb einer Schicht zu verfestigen sind, in einer benachbarten Teilregion eingesetzt werden kann, in der viele Stellen verfestigt werden müssen.
Die Erfinder haben festgestellt, dass im Grenzbereich der Einwirkzonen verschiedener Laserstrahlen, also beispielsweise in der Region B12 in 11, an der Grenzlinie G zwischen dem Bereich B121, der vom Laserstrahl 1 verfestigt wird, und dem Bereich B122 der vom Laserstrahl 2 verfestigt wird, das Aufschmelzverhalten bzw. Verfestigungsverhalten des Aufbaumaterials geringfügig anders ist als in anderen Bereichen. Insbesondere konnten die Erfinder feststellen, dass an der Grenzlinie geringfügige Inhomogenitäten auftreten, die insbesondere bei einer Kumulierung über ein größeres Volumen zu mechanischen Schwachstellen führen können. Obwohl durch den Einsatz mehrerer Laser also die Fertigungszeit deutlich verringert werden kann, muss man unter Umständen Einbußen in der Qualität der hergestellten Objekte in Kauf nehmen.
Angesichts der soeben dargestellten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels derer Objekte mittels eines generativen Schichtbauverfahrens, insbesondere eines Additive Manufacturing-Verfahrens, in kurzer Zeit mit hoher Qualität hergestellt werden können.
Die Aufgabe wird gelöst, durch ein computergestütztes Verfahren nach Anspruch 1, ein generatives Schichtbauverfahren nach Anspruch 13, eine Vorrichtung zur computergestützten Generierung eines Steuerdatensatzes nach Anspruch 14 und ein Computerprogramm nach Anspruch 15. Weiterbildungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht. Insbesondere kann ein erfindungsgemäßes Verfahren auch durch untenstehende beziehungsweise in den abhängigen Ansprüchen ausgeführte Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtungen weitergebildet sein und umgekehrt. Ferner können die im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschriebenen Merkmale auch zur Weiterbildung einer anderen erfindungsgemäßen Vorrichtung benutzt werden, selbst wenn dies nicht explizit angegeben wird.
Ein erfindungsgemäßes computergestütztes Verfahren zur Generierung eines Steuerdatensatzes für eine generative Schichtbauvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels derselben, wobei die Herstellung die Schritte aufweist:

Aufbau des Objekts Schicht auf Schicht, und
gesteuertes Richten von Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle durch eine Eintragseinrichtung auf einem Objektquerschnitt entsprechende Bereiche einer Schicht eines Aufbaumaterials,
wobei die Eintragseinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Mehrzahl von Strahlbündeln auf unterschiedliche Regionen einer aufgetragenen Schicht zu richten, wobei jedes der Strahlbündel dort, wo es auf die Schicht auftrifft, auf das Aufbaumaterial einwirkt, insbesondere so, dass dieses verfestigt wird,

einen ersten Schritt des Zugriffs auf mindestens zwei Schichtdatensätze, die Datenmodelle einer entsprechenden Anzahl von während der Herstellung selektiv zu verfestigenden und unmittelbar übereinanderliegenden Aufbaumaterialschichten aufweisen, wobei in einem Datenmodell einem Objektquerschnitt entsprechende Stellen gekennzeichnet sind, an denen eine Verfestigung des Aufbaumaterials stattfinden soll,
wobei in einem Datenmodell gekennzeichnet ist, welches der Mehrzahl von Strahlbündeln das Aufbaumaterial an welchen der dem jeweiligen Objektquerschnitt entsprechenden Stellen verfestigen soll,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Schritt in einem Schichtdatensatz mehrere aneinandergrenzende Teilquerschnitte, also zu verfestigende Teilregionen eines Objektquerschnitts, festgelegt werden, wobei für jeden der Teilquerschnitte festgelegt wird, mit welchem Strahlbündel die Stellen in diesem Teilquerschnitt zu verfestigen sind,
wobei die Teilquerschnitte so festgelegt werden, dass ein Grenzbereich, also ein an der Grenze zwischen verschiedenen Teilquerschnitten liegender Bereich, in seiner Gestalt und/oder Lage in der Schichtebene gegenüber der Gestalt und/oder Lage eines Grenzbereichs in einem der unmittelbar vorangegangenen oder der unmittelbar darauffolgenden Schicht zugeordneten Schichtdatensatz unterschiedlich ist und
in einem dritten Schritt der im zweiten Schritt abgeänderte Schichtdatensatz als Steuerdatensatz für die generative Schichtbauvorrichtung bereitgestellt wird.

Hierbei kann die Strahlungsquelle beispielsweise ein Laser oder eine Elektronenstrahlquelle sein, denkbar wäre aber auch an eine Einrichtung beim 3D-Drucken, die einen Bindemittelstrahl erzeugt oder eine UV-Lichtquelle in der Stereolithographie. Der Begriff „Strahlbündel“ soll zum Ausdruck bringen, dass nicht nur Strahlen gemeint sind, die beim Auftreffen auf das Aufbaumaterial einen runden Querschnitt aufweisen, sondern ebenfalls Strahlen, die z. B. einen linienförmigen Querschnitt aufweisen oder gar Strahlung, die gleichzeitig in einen größeren Bereich des Aufbaumaterials (also flächig) eingetragen wird.
Als Schichtdatensatz wird hierbei ein Datensatz angesehen, der ein Datenmodell einer während des Herstellungsverfahrens an den Stellen eines Objektquerschnitts zu verfestigenden Aufbaumaterialschicht enthält. Insbesondere weist solch ein Datenmodell eine zweidimensionale Repräsentation des in einer Schicht mittels eines oder mehrerer Strahlen zu verfestigenden Objektquerschnitts auf. Darüber hinaus ist spezifiziert, welches der Mehrzahl von Strahlbündeln auf eine Stelle des Objektquerschnitts zu richten ist. Dabei werden normalerweise unterschiedliche Stellen in einem Objektquerschnitt von unterschiedlichen Strahlbündeln verfestigt. Daneben ist es natürlich auch möglich, dass eine bestimmte Stelle des Objektquerschnitts durch das Richten von mehreren Strahlbündeln auf diese Stelle verfestigt wird. In dem Schichtdatensatz können, müssen aber nicht, noch weitere Informationen hinsichtlich der Herstellung des Objektquerschnitts enthalten sein, z. B. die Schichtdicke, der Durchmesser eines auf das Aufbaumaterial auftreffenden Strahles, etc.
Wenn von einem Zugriff auf mindestens zwei Schichtdatensätze die Rede ist, dann ist damit gemeint, dass ein Schichtdatensatz aus einem Speicher ausgelesen wird oder aber die dem Schichtdatensatz entsprechenden Daten über ein Netzwerk entgegengenommen werden. Dabei müssen die beiden Schichtdatensätze nicht zwangsläufig gemeinsam (also gleichzeitig) eingelesen werden. Es ist auch möglich, dass es einen größeren zeitlichen Abstand zwischen den Zugriffvorgängen auf die beiden Schichtdatensätze gibt, beispielsweise einer der beiden Schichtdatensätze zu einem früheren Zeitpunkt eingelesen wurde.
Die Zerlegung in Teilquerschnitte geschieht dabei dergestalt, dass alle Stellen innerhalb eines Teilquerschnitts mit demselben Strahlbündel zu verfestigen sind.
Mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen kann beispielsweise verhindert werden, dass in einem hergestellten Objekt in größeren zusammenhängenden Bereichen Inhomogenitäten beim Verfestigen des Aufbaumaterials, die an den Grenzen zwischen den Einwirkbereichen unterschiedlicher Verfestigungsstrahlbündel auftreten können, vorhanden sind. Dadurch können die mechanischen Parameter (z. B. die Reißdehnung) des hergestellten Objekts verbessert werden. Auch kann beispielsweise eine Wulstbildung an der Objektoberfläche, wie sie durch Grenzen zwischen den Einwirkbereichen, die in mehreren Schichten übereinander liegen, auftreten kann, vermieden werden. Die Grenze zwischen den Einwirkbereichen wird dabei als „Grenzbereich“ bezeichnet. Normalerweise ist davon auszugehen, dass die Grenze zwischen zwei Bereichen eine Grenzlinie ist. Je nach verwendetem Aufbaumaterial und gewünschten Eigenschaften des herzustellenden Objekts kann es aber angezeigt sein, die beiden Einwirkbereiche, dort wo sie aneinander grenzen, beim Verfestigen überlappen zu lassen oder aber einen Abstand zwischen beiden Einwirkbereichen zu lassen. Aus diesem Grunde wurde in der vorliegenden Anmeldung der Begriff „Grenzbereich“ gewählt. Darüber hinaus kann bei genügend starker Vergrößerung jede reale Linie als Bereich angesehen werden.
Bevorzugt wird das Verfahren so durchgeführt, dass die Grenzbereiche in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Schichten einander nicht vollständig, also nicht zu 100%, überdecken, noch weiter bevorzugt einander zu 0%, also überhaupt nicht, überdecken. Hierdurch können beispielsweise Objekte mit besonders guten Oberflächen oder Eigenschaften hergestellt werden, obwohl durch den Einsatz einer Mehrzahl von Strahlen zum Verfestigen die Fertigungszeit gering ist. Die Prozentangaben für eine Überdeckung beziehen sich auf eine Überdeckung eines Prozentsatzes der Fläche eines der Grenzbereiche durch den anderen. Die einander überdeckenden Bereiche müssen dabei selbst bei vollständiger Überdeckung nicht in Gestalt und/oder Größe übereinstimmen. Nimmt man beispielsweise an, dass in einer Schicht ein Grenzbereich eine linienförmige Gestalt aufweist, insbesondere die Gestalt einer geraden Linie aufweist, so sollten, falls in der darüber liegenden Schicht ebenfalls ein linienförmiger Grenzbereich gleicher Gestalt und Linienausrichtung vorhanden ist, beide Grenzbereiche um mindestens 50%, bevorzugt um 100%, noch bevorzugter um 120% der Linienbreite in einer Richtung senkrecht zur linienförmigen Gestalt gegeneinander verschoben sein.
Weiter bevorzugt wird das Verfahren so durchgeführt, dass die Gestalt und/oder Lage des Grenzbereichs in der Schichtebene so festgelegt werden, dass sie sich beim Herstellvorgang frühestens nach n Schichten, wobei n eine natürliche Zahl größer als Eins ist, wiederholen. Durch solch ein Vorgehen kann beispielsweise das Auftreten von mechanischen Schwachstellen im Objekt effektiv begrenzt werden.
Noch weiter bevorzugt werden die Gestalt und/oder Lage des Grenzbereichs in der Schichtebene so festgelegt, dass sie sich beim Herstellvorgang spätestens nach m Schichten, wobei m eine natürliche Zahl größer oder gleich n ist, wiederholen. Dadurch kann beispielsweise die Festlegung der Gestalt oder Lage eines Grenzbereichs vereinfacht werden, da diese nicht in allen Schichten unterschiedlich sein müssen.
Insbesondere können die Gestalt und/oder Lage des Grenzbereichs in der Schichtebene so festgelegt werden, dass sie sich beim Herstellvorgang in Aufbaurichtung gemäß einer ersten periodischen Funktion, insbesondere einer Sinusfunktion, Dreiecksfunktion oder Rechteckfunktion ändern. Damit ist insbesondere gemeint, dass die Gestalt und/oder Lage über mehrere Schichten hinweg solchermaßen unterschiedlich sind, dass sich die Veränderungen mittels einer periodischen Funktion in Abhängigkeit von der Schichtnummer beschreiben lassen, wobei im Herstellvorgang später zu verfestigenden Schichten höhere Schichtnummern zugeordnet sind als im Herstellvorgang früher zu verfestigenden Schichten. Würde beispielsweise die Lage eines Grenzbereichs, dessen Gestalt sich nicht ändert, sich beim Herstellvorgang in Aufbaurichtung gemäß einer Sinusfunktion ändern, so würde man bei einem Schnitt durch den Schichtstapel an geeigneter Stelle die Lageorte des Grenzbereichs in den Schichtebenen durch eine Sinusfunktion beschreiben oder (bei diskreten Lageorten) zumindest approximieren können.
Durch die beschriebene periodische Variation der Lage und/oder Gestalt eines Grenzbereichs kann die mechanische Festigkeit eines hergestellten Objekts besonders hoch sein. Der Grund ist, dass (z. B. bei einer Dreiecksfunktion) eine Verzahnung der mit unterschiedlichen Strahlbündeln verfestigten Teilquerschnitte in unterschiedlichen Schichten auftritt.
Insbesondere können die Gestalt und/oder Lage des Grenzbereichs in der Schichtebene so festgelegt werden, dass sie sich beim Herstellvorgang in Aufbaurichtung zusätzlich gemäß einer zweiten periodischen Funktion ändern, die der ersten periodischen Funktion überlagert ist und bevorzugt eine kürzere Periode als die erste periodische Funktion aufweist. Dadurch kann trotz des soeben geschilderten Verzahnungseffekts dafür gesorgt werden, dass eine zu starke Kumulierung von Grenzbereichen (insbesondere im Hinblick auf Wülste an der Objektoberfläche) vermieden werden kann.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dieses auch auf Grenzbereiche angewendet, die in der Kontur eines Objektquerschnitts liegen und dort zwei Abschnitte des Konturbereichs gegeneinander abgrenzen, die durch unterschiedliche Verfestigungsstrahlbündel verfestigt werden. Die Abschnitte des Konturbereichs werden hierbei ebenfalls als Teilquerschnitte eines Objektquerschnitts angesehen, was zulässig ist, da normalerweise der Konturbereich mit einem Strahl endlichen Durchmessers zum Verfestigen überfahren wird und damit als zweidimensionaler Bereich angesehen werden kann. Entsprechendes gilt für die Stelle, an der die beiden Abschnitte aneinander grenzen, die entsprechend ebenfalls als flächiger Bereich angesehen werden kann und als Grenzbereich bezeichnet wird. Da gerade an der Objektoberfläche Inhomogenitäten in der Objektbeschaffenheit leicht wahrgenommen werden können, bietet sich die Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere für Objekte an, bei denen es auf optisch exakte Oberflächen ankommt, beispielsweise Objekte von ästhetischem Wert.
Weiterhin können die Gestalt und/oder Lage des Grenzbereichs in der Schichtebene so festgelegt werden, dass in mindestens einer Schicht die Lage des Grenzbereichs bezogen auf eine auf den Schichtebenen senkrecht stehende Drehachse im Vergleich zu einer anderen Schicht verdreht ist, bevorzugt um einen Winkel, der größer oder gleich 5° ist, weiter bevorzugt um einen Winkel, der größer oder gleich 10° ist, noch weiter bevorzugt um einen Winkel, der größer oder gleich 20° ist, sofern die Gestalt des Grenzbereichs in den beiden Schichten im Wesentlichen gleich ist. Mit solch einem Vorgehen kann auf besonders effektive und einfache Weise die Lage und/oder Gestalt eines Grenzbereichs variiert werden, da durch Drehungen eine (vollständige) Überdeckung auf besonders effektive Weise vermieden wird. Insbesondere kann die Drehung gemäß der bereits erwähnten zweiten periodischen Funktion über eine Mehrzahl von Schichten hinweg stattfinden.
Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Gestalt und/oder Lage des Grenzbereichs in der Schichtebene so festgelegt werden, dass sie sich in den Schichten in Aufbaurichtung gemäß einer Zufallsfunktion ändern. Durch solch eine zufällige Variation der Gestalt und/oder Lage des Grenzbereichs in der Schichtebene kann auf besonders gründliche Weise eine Kumulierung der Grenzbereiche in unterschiedlichen Schichten vermieden werden.
Insbesondere können auch die Gestalt und/oder Lage des Grenzbereichs in der Schichtebene so festgelegt werden, dass sie sich entsprechend einer Funktion ändern, die sich aus einer Überlagerung der ersten und/oder zweiten periodischen Funktion mit einer Zufallsfunktion ergibt. Mit „Überlagerung mit einer Zufallsfunktion“ ist hierbei gemeint, dass die Werte der ersten oder zweiten periodischen Funktion zufällig abgeändert werden, ähnlich z. B. einer Sinusfunktion, die nicht eine exakte Sinusfunktion ist, sondern „verrauscht“ ist.
Anstelle der Verwendung einer Zufallsfunktion kann auch eine Funktion verwendet werden, die zwar nicht zu einer durch den Zufall bestimmten Lage und/oder Gestalt von Grenzbereichen führt, wohl aber dazu, dass sich Lage und/oder Gestalt von Grenzbereichen in einem Muster wiederholen, dass bei Betrachtung nicht ohne Weiteres erkennbar ist. Solch ein Vorgehen bietet sich gerade in Zusammenhang mit an der Oberfläche (bzw. in der Kontur) von Objekten vorhandenen Grenzbereichen an.
Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Änderung der Gestalt und/oder Lage des Grenzbereichs von Schicht zu Schicht abhängig davon erfolgen, ob sich ein Grenzbereich in einem im Vorhinein festgelegten Teilabschnitt eines herzustellenden Objekts befindet. Damit kann man beispielsweise unterschiedlichen Anforderungen an unterschiedliche Teilabschnitte eines herzustellenden Objekts begegnen. Beispielsweise kann man in einem nahe der Oberfläche liegenden Teilabschnitt des Objekts die Lage und/oder Gestalt eines Grenzbereichs von Schicht zu Schicht stärker variieren lassen als in einem Teilabschnitt fern der Oberfläche, um dadurch den hohen Anforderungen an die optische Qualität der Oberfläche zu begegnen. Insbesondere kann man das Verfahren nur für einen oder mehrere bestimmte im Vorhinein festgelegte Teilabschnitte eines herzustellenden Objekts durchführen.
Bei einer vorteilhaften Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im zweiten Schritt für zumindest einen Abschnitt zumindest eines Objektquerschnitts in Abhängigkeit von Vorgaben für eine Qualität des Abschnitts und/oder eine Fertigungszeit des Objekts festgelegt, mit welcher Anzahl von Strahlbündeln das Aufbaumaterial innerhalb dieses Abschnitts zu verfestigen ist. Damit kann über die Anzahl der zum Verfestigen eingesetzten Strahlbündel die Herstellung des Objekts zusätzlich bezüglich Fertigungszeit und Qualität optimiert werden.
Ein erfindungsgemäßes generatives Schichtbauverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels einer generativen Schichtbauvorrichtung, wobei die Herstellung die Schritte aufweist:

Aufbau des Objekts Schicht auf Schicht,
gesteuertes Richten von Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle durch eine Eintragseinrichtung auf einem Objektquerschnitt entsprechende Bereiche einer Schicht eines Aufbaumaterials,
wobei die Eintragseinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Mehrzahl von Strahlbündeln gleichzeitig auf unterschiedliche Regionen der aufgetragenen Schicht zu richten, wobei jedes der Strahlbündel dort, wo es auf die Schicht auftrifft, auf das Aufbaumaterial einwirkt, insbesondere so, dass dieses verfestigt wird,

Eine erfindungsgemäße generative Schichtbauvorrichtung weist eine Steuervorrichtung auf, welche einen Herstellvorgang eines Objekts unter Verwendung eines durch ein erfindungsgemäßes Verfahren generierten Steuerdatensatzes steuert.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur computergestützten Generierung eines Steuerdatensatzes für eine generative Schichtbauvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels derselben, wobei die Herstellung die Schritte aufweist:

eine Zugriffseinheit, die geeignet ist, auf mindestens zwei Schichtdatensätze zuzugreifen, die Datenmodelle einer entsprechenden Anzahl von während der Herstellung selektiv zu verfestigenden und unmittelbar übereinanderliegenden Aufbaumaterialschichten aufweisen,
wobei in einem Datenmodell gekennzeichnet ist, mittels welches Strahlbündels das Aufbaumaterial an den dem jeweiligen Objektquerschnitt entsprechenden Stellen zu verfestigen ist,
gekennzeichnet durch eine Festlegungseinheit, die geeignet ist, in einem Schichtdatensatz mehrere aneinandergrenzende Teilquerschnitte, also zu verfestigende Teilregionen eines Objektquerschnitts, festzulegen, wobei für jeden der Teilquerschnitte festgelegt wird, mit welchem Strahlbündel die Stellen in diesem Teilquerschnitt zu verfestigen sind,
wobei die Teilquerschnitte so festgelegt werden, dass ein Grenzbereich, also ein an der Grenze zwischen verschiedenen Teilquerschnitten liegender Bereich, in seiner Gestalt und/oder Lage in der Schichtebene gegenüber der Gestalt und/oder Lage eines Grenzbereichs in einem der unmittelbar vorangegangenen oder der unmittelbar darauffolgenden Schicht zugeordneten Schichtdatensatz unterschiedlich ist, und
eine Bereitstellungseinheit, die geeignet ist, den durch die Festlegungseinheit abgeänderten Schichtdatensatz als Steuerdatensatz für die generative Schichtbauvorrichtung bereitzustellen.

Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung irgendeiner der Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Generierung eines Steuerdatensatzes geeignet. Bei der erwähnten Zugriffseinheit kann es sich um eine Eingangsschnittstelle handeln, welche Daten von einem mobilen Datenträger einlesen kann oder Daten über ein Netzwerk entgegennimmt oder aber Daten direkt aus einem Speicher ausliest. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere nicht nur als separate Einheit implementiert werden, sondern kann Bestandteil eines umfassenderen EDV-Systems sein (beispielsweise eines CAD-Entwurfsystems) oder aber in eine generative Schichtbauvorrichtung integriert sein. In den letztgenannten beiden Fällen handelt es sich bei der Zugriffseinheit dann bevorzugt um eine Software-Schnittstelle, die mit anderen Systemkomponenten kommuniziert. Insbesondere muss die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht zwangsweise Bestandteil einer generativen Schichtbauvorrichtung sein. Dies ist deshalb von Vorteil, weil unter Umständen Schichtdatensätze für ein zu bearbeitendes Objekt nicht am Ort der generativen Schichtbauvorrichtung vorliegen, sondern dort, wo das zu bearbeitende Objekt entworfen wurde. Darüber hinaus kann von der Zugriffseinheit auch auf Schichtdatensätze zugegriffen werden, die in einem in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorhandenen Speicher abgelegt sind.
Auf der anderen Seite ist eine enge Koppelung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Generierung eines Steuerdatensatzes an eine generative Schichtbauvorrichtung, für die der Steuerdatensatz erzeugt wird, von Vorteil, da dann rasch auf durch die generative Schichtbauvorrichtung vorgegebene technische Randbedingungen (z. B. sich ändernde Prozessparameter, wie die Bauraumtemperatur, etc.) reagiert werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm umfasst Programmcodemittel, um alle Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Generierung eines Steuerdatensatzes oder eines erfindungsgemäßen generativen Schichtbauverfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Datenprozessor, insbesondere einem mit einer generativen Schichtbauvorrichtung zusammenwirkenden Datenprozessor, ausgeführt wird. „Zusammenwirken“ heißt dabei, dass der Datenprozessor entweder in die generative Schichtbauvorrichtung integriert ist oder mit ihr Daten austauschen kann.
Die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Generierung eines Steuerdatensatzes sowie der zugehörigen Vorrichtung mittels Software ermöglicht eine einfache Installierbarkeit auf verschiedenen EDV-Systemen an verschiedenen Orten (beispielsweise beim Ersteller des Designs des zu bearbeitenden Objekts oder aber beim Betreiber der generativen Schichtbauvorrichtung).
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.

1 zeigt eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2 und 3 zeigen jeweils eine schematische Draufsicht auf einen Teilbereich des Baufelds einer generativen Schichtbauvorrichtung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Vorgehens,
4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Generierung eines Steuerdatensatzes für eine generative Schichtbauvorrichtung,
5 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Generierung eines Steuerdatensatzes gemäß der vorliegenden Erfindung,
6 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Teilbereich des Baufelds einer generativen Schichtbauvorrichtung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Vorgehens,
7 und 8 zeigen jeweils einen schematischen Schnitt durch einen Schichtstapel bei der Herstellung eines Objekts zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Vorgehens,
9 zeigt, wie der gegenseitige Abstand d zweier Grenzbereiche in übereinanderliegenden Schichten bestimmt werden kann,
10 veranschaulicht eine Variante der Erfindung, bei der diese auf den Konturbereich eines Objektquerschnitts angewandt wird, und
11 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Baufeld einer generativen Schichtbauvorrichtung zur Erläuterung des Vorgehens beim Vorhandensein mehrerer Verfestigungsstrahlen.

Für eine Beschreibung der Erfindung soll zunächst nachfolgend am Beispiel einer Lasersinter- oder -schmelzvorrichtung eine erfindungsgemäße generative Schichtbauvorrichtung unter Bezugnahme auf Fig, 1 beschrieben werden. Es sei an dieser Stelle vermerkt, dass in der vorliegenden Anmeldung der Begriff „Anzahl“ stets im Sinne von „ein oder mehrere“ zu verstehen ist. Ferner sei bemerkt, dass mittels einer erfindungsgemäßen generativen Schichtbauvorrichtung nicht nur ein Objekt, sondern auch mehrere Objekte gleichzeitig hergestellt werden können, auch in solchen Fällen, in denen nur von einem Objekt die Rede ist.
Zum Aufbauen eines Objekts 2 enthält die Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 eine Prozesskammer oder Baukammer 3 mit einer Kammerwandung 4.
In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Baubehälter 5 mit einer Behälterwandung 6 angeordnet. Durch die obere Öffnung des Baubehälters 5 ist eine Arbeitsebene 7 definiert, wobei der innerhalb der Öffnung liegende Bereich der Arbeitsebene 7, der zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden kann, als Baufeld 8 bezeichnet wird.
In dem Baubehälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 10 angeordnet, an dem eine Grundplatte 11 angebracht ist, die den Behälter 5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte 11 kann eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein, die an dem Träger 10 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 10 ausgebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grundplatte 11 noch eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Das Objekt 2 kann aber auch auf der Grundplatte 11 selber aufgebaut werden, die dann als Bauunterlage dient. In 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bauplattform 12 zu bildende Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13.
Die Lasersinter- oder -schmelzvorrichtung 1 enthält weiterhin einen Vorratsbehälter 14 für ein Aufbaumaterial 15, in diesem Beispiel ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares Pulver, und einen in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter 16 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 15 innerhalb des Baufelds 8. Optional kann in der Prozesskammer 3 eine Strahlungsheizung 17 angeordnet sein, die zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 15 dient. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler vorgesehen sein.
Die beispielhafte Lasersintervorrichtung 1 enthält ferner eine Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21, der einen Laserstrahl 22 erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt wird und durch eine Fokussiervorrichtung 24 über ein Einkoppelfenster 25, das an der Oberseite der Prozesskammer 3 in der Kammerwandung 4 angebracht ist, auf die Arbeitsebene 7 fokussiert wird.
Weiter enthält die Lasersintervorrichtung 1 eine Steuereinrichtung 29, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung 1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Alternativ kann die Steuereinrichtung auch teilweise oder ganz außerhalb der Vorrichtung angebracht sein. Die Steuereinrichtung kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann getrennt von der Vorrichtung auf einem Speichermedium gespeichert sein, von dem aus es in die Vorrichtung, insbesondere in die Steuereinrichtung geladen werden kann.
Im Betrieb wird durch die Steuereinrichtung 29 der Träger 10 Schicht für Schicht abgesenkt, der Beschichter 16 zum Auftrag einer neuen Pulverschicht angesteuert und die Umlenkvorrichtung 23 und gegebenenfalls auch der Laser 21 und/oder die Fokussiervorrichtung 24 angesteuert zum Verfestigen der jeweiligen Schicht an den dem jeweiligen Objekt entsprechenden Stellen mittels des Lasers durch Abtasten dieser Stellen mit dem Laser.
Beim Lasersintern oder Laserschmelzen kann eine Belichtungsvorrichtung beispielsweise einen oder mehrere Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z.B. Laserdioden, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser), oder eine Zeile dieser Laser umfassen. Allgemein kann an Stelle eines Lasers jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie als elektromagnetische Strahlung oder Teilchenstrahlung selektiv auf eine Schicht des Aufbaumaterials aufgebracht werden kann. Anstelle eines Lasers können beispielsweise eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl oder jede andere Energie- bzw. Strahlenquelle verwendet werden, die geeignet ist, das Aufbaumaterial zu verfestigen. Der in 1 gezeigte spezifische Aufbau einer Lasersinter- oder -schmelzvorrichtung ist daher nur beispielhaft und kann natürlich auch abgewandelt werden, insbesondere bei Verwendung einer anderen Belichtungsvorrichtung als der gezeigten.
Auch wenn in 1 als Beispiel einer generativen Schichtbauvorrichtung eine Lasersinter- bzw. Laserschmelzvorrichtung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf das Lasersintern oder Laserschmelzen eingeschränkt. Sie kann auch im Zusammenhang mit anderen Verfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials angewendet werden. Hier seien lediglich beispielhaft das Laserschmelzen, FLM (Aufbringen eines thermoplastischen Materials aus einer Düse), 3D-Drucken, Maskensinterverfahren und stereolithografische Verfahren genannt. Wenn es sich nicht um ein Lasersinter- bzw. Laserschmelzverfahren handelt, dann ist die Belichtungsvorrichtung 20 in Abhängigkeit vom Verfahren durch eine andere Eintragseinrichtung ersetzt, im Falle eines 3D-Druckverfahrens durch eine Vorrichtung, welche einen oder mehrere Bindemittelstrahlen auf das Aufbaumaterial spritzt, im Falle eines Stereolithographieverfahrens durch eine UV-Lichtquelle. In allen Fällen enthält die Eintragsvorrichtung irgendeine Art von Strahlenquelle, ausgehend von der mindestens ein auf das Aufbaumaterial treffender Strahl gerichtet wird. Dabei kann die vorliegende Erfindungsidee am Vorteilhaftesten in Zusammenhang mit einer generativen Schichtbauvorrichtung realisiert werden, bei der eine Eintragseinrichtung so eingerichtet ist, dass sie eine Mehrzahl von Strahlen bzw. Strahlbündeln auf einen Bereich einer Aufbaumaterialschicht richten kann.
Auch wenn im weiteren Verlauf zur Beschreibung der Erfindung auf eine Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung Bezug genommen wird, so geschieht dies nur beispielhaft und die Ausführungen gelten entsprechend auch für anders geartete generative Schichtbauvorrichtungen, wie sie gerade skizziert wurden.
Als Aufbaumaterial in einem generativen Schichtbauverfahren können verschiedene Materialien verwendet werden, vorzugsweise Pulver oder Pasten bzw. Gele, insbesondere Metallpulver, aber auch Kunststoffpulver, Keramikpulver oder Sand, wobei auch die Verwendung von gefüllten oder gemischten Pulvern möglich ist. Insbesondere in der Stereolithographie kommen (flüssige) Photopolymere zum Einsatz.
In der soeben beispielhaft beschriebenen generativen Schichtbauvorrichtung geht ein Herstellvorgang so vonstatten, dass die Steuereinheit 29 einen Steuerbefehlssatz abarbeitet, bei dem es sich um Anweisungen handelt, Schichten des Aufbaumaterials nacheinander aufzutragen und Bereiche der jeweiligen Schichten, die dem Querschnitt eines herzustellenden Objektes entsprechen, selektiv mit der Laserstrahlung zu bestrahlen, um das Aufbaumaterial zu verfestigen. In dem Steuerbefehlssatz sind also Informationen über die innerhalb einer Schicht zu verfestigenden Stellen sowie die Art der Zerlegung des herzustellenden Objektes in Schichten enthalten.
Im Detail basiert der Steuerbefehlssatz auf einem computerbasierten Modell des oder der herzustellenden Objekte, bevorzugt einem CAD-Volumenmodell. Des Weiteren fließen in den Steuerbefehlssatz auch herstellungsspezifische Informationen ein, beispielsweise die Lage und Orientierung der Objekte im Behälter 5 oder ein Strahldurchmesser beim Auftreffen eines Laserstrahls auf das Aufbaumaterial. Schließlich ist in dem Steuerbefehlssatz auch die Schichtinformation enthalten, d.h. in welcher Weise das oder die herzustellenden Objekte in Schichten unterteilt sind, die den Aufbaumaterialschichten während der schichtweisen generativen Herstellung entsprechen. Der Steuerbefehlssatz legt für jede Aufbaumaterialschicht während der Herstellung insbesondere die Dicke des Schichtauftrags und die Stellen, an denen durch Strahlungszufuhr eine Verfestigung des Aufbaumaterials bewirkt werden soll, fest. Der Steuerbefehlssatz kann somit als Gesamtheit aller für die Steuerung des Herstellungsvorgangs in einer generativen Schichtbauvorrichtung vorgegebenen Steuerdaten angesehen werden. Die auf eine einzelne Schicht bezogenen Steuerdaten werden dabei auch als Schichtdatensatz bezeichnet. Insbesondere enthält der Steuerbefehlssatz auch alle zur Steuerung der Belichtungsvorrichtung erforderlichen Daten, wodurch u.a. die Energiedichte der von der Belichtungsvorrichtung emittierten Strahlung und gegebenenfalls die Verfahrgeschwindigkeit des Strahls über das Baufeld 8 festgelegt werden.
Das erfindungsgemäße Vorgehen wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 beschrieben.
Wie in 5 gezeigt, enthält eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zur Generierung eines Steuerdatensatzes für eine bestimmte generative Schichtbauvorrichtung eine Zugriffseinheit 101, eine Festlegungseinheit 102 und eine Bereitstellungseinheit 103. Die Funktionsweise der Vorrichtung 100 zur Generierung eines Steuerdatensatzes wird unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. 2 und 3 dienen dabei der weiteren Veranschaulichung.
Hierbei zeigt 2 eine Draufsicht auf einen Teilbereich des Baufelds 8 einer generativen Schichtbauvorrichtung, in welchem die Arbeitsbereiche zweier Verfestigungsstrahlen bzw. Strahlbündel, d.h. die Orte im Baufeld, auf die die beiden Verfestigungsstrahlen bzw. Strahlbündel jeweils gerichtet werden können, dargestellt sind. Analog zu 11 bezeichnen A1 und A2 jene Bereiche, in denen lediglich der erste bzw. zweite Verfestigungsstrahl, z. B. ein Laserstrahl, bei der Verfestigung zum Einsatz gelangen kann. Der Bereich, innerhalb dessen beide Verfestigungsstrahlen gemeinsam zum Verfestigen verwendet werden können, ist mit B12 gekennzeichnet.
In 2 ist beispielhaft ein parallelogrammförmiger Objektquerschnitt 55 eines herzustellenden Objekts dargestellt, der während des Herstellungsvorgangs in einer Schicht k des Aufbaumaterials zu verfestigen ist. 2 zeigt so gesehen eine Draufsicht auf die Schicht k des Aufbaumaterials. Insbesondere erkennt man einen Teilquerschnitt 31, der mittels des ersten Verfestigungsstrahls zu verfestigen ist, und einen Teilquerschnitt 32, der mittels des zweiten Verfestigungsstrahls zu verfestigen ist. Ein Grenzbereich 35 trennt dabei beide Teilquerschnitte voneinander. Im Grunde handelt es sich bei dem Grenzbereich 35 um eine Grenzlinie. Je nach verwendetem Aufbaumaterial und gewünschten Eigenschaften des herzustellenden Objekts kann es aber angezeigt sein, die beiden Teilquerschnitte 31 und 32, dort wo sie aneinander grenzen, beim Verfestigen überlappen zu lassen oder aber einen Abstand zwischen beiden Teilquerschnitten zu lassen. Aus diesem Grunde wurde in der vorliegenden Anmeldung der Begriff „Grenzbereich“ gewählt. Darüber hinaus kann bei genügend starker Vergrößerung jede reale Linie als Bereich angesehen werden.
In einer in 5 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Generierung eines Steuerdatensatzes für eine generative Schichtbauvorrichtung wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen computergestützten Verfahrens in einem ersten Schritt von einer Zugriffseinheit 101 auf mindestens zwei Schichtdatensätze des herzustellenden Objekts zugegriffen. In dem in 4 gezeigten Verfahrensablauf ist dies der Schritt S1.
Mit dem Begriff Zugreifen ist dabei gemeint, dass die Zugriffseinheit einen Schichtdatensatz aus einem Speicher ausliest oder aber die dem Schichtdatensatz entsprechenden Daten über ein Netzwerk entgegennimmt. Dabei müssen die beiden Schichtdatensätze nicht zwangsläufig gemeinsam (also gleichzeitig) eingelesen werden. Es ist auch möglich, dass es einen größeren zeitlichen Abstand zwischen den Zugriffsvorgängen auf die beiden Schichtdatensätze gibt, beispielsweise einer der beiden Schichtdatensätze zu einem früheren Zeitpunkt eingelesen wurde. Ebenso kann die Zugriffseinheit auch auf einen Speicher in der Vorrichtung 100 zugreifen, in dem die Schichtdatensätze vorliegen.
Ein Schichtdatensatz muss zunächst für die zugehörige Aufbaumaterialschicht nur Informationen darüber enthalten, an welchen Stellen der Aufbaumaterialschicht während der Herstellung des Objekts eine Verfestigung des Aufbaumaterials durch Richten von Strahlbündeln auf die Aufbaumaterialschicht bewirkt werden soll. Es können natürlich auch bereits weitere Prozessinformationen (z. B. Schichtdicke oder Strahldurchmesser, etc.) enthalten sein. Insbesondere kann in dem Schichtdatensatz auch bereits spezifiziert sein, mittels welches Strahlbündels das Aufbaumaterial an einer Stelle zu verfestigen ist. Sollte die letztere Information noch nicht im Schichtdatensatz vorliegen, so legt die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 fest, mit welchem Strahlbündel das Aufbaumaterial an einer Stelle der Aufbaumaterialschicht zu verfestigen ist.
In einem in 4 gezeigten Schritt S2 wird durch die Festlegungseinheit 102 ein Schichtdatensatz dergestalt abgeändert, dass ein Objektquerschnitt in mehrere aneinandergrenzende Teilquerschnitte zerlegt wird, wobei die Zerlegung dergestalt ist, dass alle Stellen innerhalb eines Teilquerschnitts mit demselben Strahlbündel zu verfestigen sind. Des Weiteren legt die Festlegungseinheit 102 die Teilquerschnitte dergestalt fest, dass die Lage und/oder Gestalt der Grenzbereiche (in 2 ist beispielhaft lediglich ein Grenzbereich 35 gezeigt) in unmittelbar übereinanderliegenden Schichten unterschiedlich zueinander sind. Dies wird aus einem Vergleich der 2 und 3 deutlich:
3 zeigt eine Draufsicht auf den gleichen Teilbereich des Baufelds wie 2. 3 zeigt einen Objektquerschnitt 65 eines herzustellenden Objekts, der in der Schicht k+1 des Aufbaumaterials zu verfestigen ist, welche während des Herstellungsvorgangs unmittelbar der Schicht k von 2 folgt. Wiederum erkennt man zwei unterschiedlichen Strahlbündeln zugeordnete Teilquerschnitte 41 und 42, die durch einen Grenzbereich 45 voneinander getrennt sind. Insbesondere wird aus einem Vergleich von 2 und 3 deutlich, dass die Grenzbereiche 35 und 45 an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Baufelds liegen und insbesondere sich an keiner Stelle überdecken. Dies liegt daran, dass zum Einen die Position (Lage) der Grenzbereiche innerhalb des Baufelds unterschiedlich ist und zum Anderen die Gestalt der Grenzbereiche unterschiedlich ist: Selbst wenn beide die gleiche Lage hätten, wäre eine vollständige Überdeckung nicht möglich.
In einem in 4 gezeigten Schritt S3 wird schließlich durch die Bereitstellungseinheit 103 der im Schritt S2 abgeänderte Schichtdatensatz einer generativen Schichtbauvorrichtung als Steuerdatensatzes bereitgestellt. Wie bereits weiter oben erwähnt, kann ein Steuerdatensatz als Teilmenge eines Steuerbefehlssatzes einer generativen Schichtbauvorrichtung angesehen werden. Natürlich kann ein von der Bereitstellungseinheit 103 bereitgestellter Steuerdatensatz auch durch die Bereitstellungseinheit 103 selbst in einen Steuerbefehlssatz integriert werden. Bereitstellen umfasst abgesehen davon auch ein Weiterleiten des Steuerdatensatzes an eine Datenverarbeitungsvorrichtung, welche den Steuerdatensatz in einen Steuerbefehlssatz integriert, oder ein direktes Weiterleiten an eine generative Schichtbauvorrichtung. Insbesondere ist es möglich, während eines Herstellvorgangs in der generativen Schichtbauvorrichtung dieser dynamisch Steuerdaten für noch herzustellende Objektquerschnitte zur Verfügung zu stellen.
Weiterhin müssen erfindungsgemäß abgeänderte Schichtdatensätze nicht einzeln für einen generativen Schichtbauvorgang bereitgestellt werden. Vielmehr können auch mehrere abgeänderte Schichtdatensätze zunächst gesammelt und anschließend in ihrer Gesamtheit als Steuerdatensatz bereitgestellt werden.
Für die Art und Weise der Variation von Lage und/oder Gestalt der Grenzbereiche in übereinanderliegenden Schichten hat man viele Möglichkeiten um die angestrebten Vorteile, insbesondere gute mechanische Parameter im Objekt oder gleichmäßige Oberflächen, zu erzielen. Je nach verwendetem Aufbaumaterial und Randbedingungen bei der Verfestigung bzw. Gestalt des herzustellenden Objekts, Lage des Objekts im Bauraum, etc. kann man sogar eine teilweise Überdeckung von Grenzbereichen zulassen.
Ebenso kann man eine Überdeckung durch einen Grenzbereich in der n-ten Schicht nach der aktuellen Schicht zulassen. Mit n =2 würde also eine Überdeckung in der übernächsten Schicht zugelassen. Natürlich kann man auch höhere Werte für n spezifizieren, beispielsweise n=3, n=5 oder n=17 oder n=101. Bevorzugt wird dabei eine Primzahl als Wert für n gewählt.
Im Hinblick auf eine gute mechanische Stabilität der hergestellten Objekte kann es sogar von Vorteil sein, wenn sich die Lage und/oder Gestalt eines Grenzbereichs nach spätestens m Schichten wiederholt (m > n). Insbesondere eine regelmäßige (periodische) Wiederholung kann hier von Vorteil sein. Solch ein Vorgehen soll anhand der 7 und 8 veranschaulicht werden:
7 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Schichtstapel bei der Herstellung eines Objekts. Die gezeigten horizontalen Linien sollen dabei jeweils eine Schicht in dem Datenmodell repräsentieren, die einer Aufbaumaterialschicht bei der Herstellung des Objekts entspricht. Schichtdicken sind in dem Schema (ebenso wie in 8) vernachlässigt. Der Einfachheit halber wird ferner angenommen dass in dem in 7 gezeigten Ausschnitt des Schichtstapels die Objektquerschnitte jeweils die gesamte Breite des Ausschnitts einnehmen und jeweils in Teilquerschnitte 701 und 702 aufgeteilt sind. Referenznummern sind der Einfachheit halber nur den obersten drei Schichten in 7 zugewiesen). Man erkennt in dem Schnitt in jeder Schicht einen Grenzbereich 705 (die Referenznummer ist wiederum nur für zwei Schichten gezeigt), der nach fünf Schichten wieder die gleiche Lage einnimmt. Obwohl sich die Grenzbereiche in unmittelbar übereinanderliegenden Schichten an keiner Stelle überdecken, verteilen sich die Grenzbereiche in der Schichtebene (also horizontal in der 7) lediglich über ein Gebiet begrenzter Ausdehnung. Je nach Anwendungsfall kann es sich anbieten, die Ausdehnung des Gebiets innerhalb des Baufelds zu begrenzen, z. B. auf eine Breite von 500 µm oder 200 µm oder aber 100 µm. Ebenfalls ist es möglich, Mindestwerte für die Verschiebung der Lage des Grenzbereichs von Schicht zu Schicht vorzugeben, z. B. 5 µm, 20 µm oder aber gar 50 µm. 9 zeigt hier, wie der gegenseitige Abstand d zweier Grenzbereiche in übereinanderliegenden Schichten bestimmt werden kann.
Bei Betrachtung der 7 erkennt man ebenfalls, dass sich die horizontalen Lagen des Grenzbereichs in den Schichten mittels einer periodischen Funktion in Abhängigkeit von der Schichtnummer beschreiben lassen (unter der Annahme, dass im Herstellvorgang später zu verfestigenden Schichten höhere Schichtnummern zugeordnet sind als im Herstellvorgang früher zu verfestigenden Schichten). Im Beispiel der Figur 7 könnte man die Veränderung der Lagen der Grenzbereiche in Aufbaurichtung (also von Schicht zu Schicht) durch eine Sägezahnfunktion approximieren.
8 zeigt ein ähnliches Beispiel mit Teilquerschnitten 801 und 802 und Grenzbereichen 805, welche in jeder zweiten Schicht die gleiche Lage innerhalb der Schichtebene einnehmen. Wiederum lassen sich die Lageorte durch eine Sägezahnfunktion approximieren. Insbesondere veranschaulicht 8, wie durch die periodische Änderung der Lage der Grenzbereiche eine Verzahnung von Teilquerschnitten stattfindet, indem z. B. ein Teilquerschnitt 802 dort, wo er sich an den Grenzbereich 805 anschließt, in den Schichten unmittelbar ober- und unterhalb von Teilquerschnitten 801 flankiert ist.
In gleicher Weise könnte man die Lagen und/oder Gestalten der Grenzbereiche in den einzelnen Schichten auch so abändern, dass sie sich nur durch kompliziertere Funktionen approximieren lassen. Beispielsweise könnte einer einfachen periodischen Funktion, wie einer Rechteck-, Sägezahn- oder Sinusfunktion, eine weitere periodische Funktion mit kleinerer Amplitude überlagert sein (ähnlich einer Oberwelle).
Für eine besonders gründliche Variation der Lagen und/oder Gestalten der Grenzbereiche bietet es sich an, ein Zufallselement einzuführen, beispielsweise indem die Lageorte in 7 oder 8 in zufälliger Weise in geringem Maße verschoben werden, die approximierte Sägezahnfunktion also sozusagen „verrauscht“ wird. Alternativ kann man die Lagen und/oder Gestalten der Grenzbereiche in den Schichten allein durch eine Zufallsfunktion vorgeben.
Auch wenn bislang in den Figuren in erster Linie Variationen der Lagen der Grenzbereiche in der Schichtebene gezeigt wurden, heißt dies nicht, dass die Gestalten der Grenzbereiche nicht ebenfalls in der beschriebenen Weise variiert werden können. 6 zeigt beispielsweise eine im Vergleich zu 2 und 3 alternative Gestalt des Grenzbereichs. Man erkennt in 6 das Fehlen von „Ecken“ in der Gestalt des Grenzbereichs. Die Gestalt des Grenzbereichs in 2 und 3 trägt demgegenüber dem Umstand Rechnung, dass zu verfestigende Bereiche in einer Schicht üblicherweise streifenweise mit einem Strahl abgetastet werden. Dies bedeutet, innerhalb eines rechteckigen oder quadratischen Bereichs (einem Streifen) fährt der Verfestigungsstrahl in zueinander parallelen Spuren über das Aufbaumaterial. Der eckige Verlauf des jeweiligen Grenzbereichs in den 2 und 3 resultiert daher, dass die Teilquerschnitte so gewählt wurden, dass beim Grenzbereich zu verfestigende Streifen in den jeweiligen Teilquerschnitten aneinander grenzen. Man erkennt in 2 und 3, dass der Grenzbereich in 2 dadurch in seiner Lage und Gestalt abgeändert wurde, dass gerade Abschnitte der linienförmigen Gestalt des Grenzbereichs in der Schichtebene parallel verschoben wurden.
Bei einer Variation der Lage der Grenzbereiche ist es ebenfalls möglich, die Lage eines Grenzbereichs in einer nachfolgenden Schicht dadurch zu gewinnen, dass die Lage des Grenzbereichs in der darunterliegenden Schicht um eine auf den Schichten senkrecht stehende Drehachse verdreht wird.
10 veranschaulicht eine Variante des erfindungsgemäßen Vorgehens, bei der dieses auch auf Grenzbereiche angewendet wird, die in der Kontur eines Objektquerschnitts liegen und dort zwei Abschnitte des Konturbereichs gegeneinander abgrenzen, die durch unterschiedliche Verfestigungsstrahlbündel verfestigt werden. Entsprechend erkennt man in 10 einen Objektquerschnitt 95, dessen Konturbereich (Rand) zwei Abschnitte 91 und 92 aufweist, die mittels unterschiedlicher Verfestigungsstrahlen bzw. Verfestigungsstrahlbündel verfestigt werden.
Üblicherweise wird ein Konturbereich so verfestigt, dass der verwendete Verfestigungsstrahl, der dort wo er auf das Aufbaumaterial trifft, einen bestimmten Durchmesser aufweist, die Kontur abfährt. Daher ist es zulässig, Abschnitte der Kontur eines Objektquerschnitts als zweidimensionale Bereiche zu bezeichnen. Entsprechendes gilt für die Stelle, an der zwei Abschnitte des Konturbereichs aneinandergrenzen. Wie im Innern eines Objektquerschnitts, wo zwei Teilquerschnitte aneinandergrenzen, gilt auch im Konturbereich, dass zwei Abschnitte in der Regel nicht exakt aneinandergrenzen werden, sondern es an der Grenze einen geringfügigen Spalt oder eine geringfügige Überlappung geben wird. Daher werden auch die beiden Grenzstellen 9192 und 9291 in 10 als Grenzbereiche bezeichnet. Zur Differenzierung der beiden Grenzbereiche voneinander sind mittels Pfeilen die Richtungen angegeben, in denen die Verfestigungsstrahlen ausgehend von den Grenzbereichen bewegt werden. Der Grenzbereich 9192 ist also jener, von dem ausgehend der Teilquerschnitt (Konturabschnitt) 92 verfestigt wird und der Grenzbereich 9291 ist jener, von dem ausgehend der Teilquerschnitt (Konturabschnitt) 91 verfestigt wird.
Auch im Konturbereich wird erfindungsgemäß die Lage des Grenzbereichs von Schicht zu Schicht in gleicher Weise variiert, wie es oben für im Inneren eines Objektquerschnitts liegende Grenzbereiche beschrieben wurde.
Eine Veränderung der Lage eines Grenzbereichs in der Kontur ist insbesondere für Oberflächenbereiche sinnvoll, die optisch gut wahrnehmbar sind bzw. möglichst gleichmäßig gestaltet werden müssen. In unzugänglichen Oberflächenbereichen können demgegenüber eventuell Wülste oder Eindellungen an der Objektoberfläche tolerierbar sein. Entsprechend bietet es sich an, erfindungsgemäß unterschiedlich in unterschiedlichen Teilabschnitten des herzustellenden Objekts vorzugehen. Insbesondere können Lage und/oder Gestalt der Grenzbereiche in unterschiedlichen Teilabschnitten des Objekts nicht nur unterschiedlich variiert werden, sondern das erfindungsgemäße Vorgehen kann vielmehr generell nur auf einen oder mehrere im Vorhinein festgelegte Teilabschnitte des Objekts begrenzt werden.
Abschließend sei noch erwähnt, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zur Generierung eines Steuerdatensatzes einer generativen Schichtbauvorrichtung nicht nur allein durch Softwarekomponenten, sondern auch allein durch Hardware-Komponenten oder Mischungen aus Hard- und Software realisiert sein kann. In der vorliegenden Anmeldung erwähnte Schnittstellen müssen insbesondere nicht zwangsläufig als Hardware-Komponenten ausgebildet sein, sondern können auch als Softwaremodule realisiert sein, beispielsweise, wenn die darüber eingespeisten bzw. ausgegebenen Daten von bereits auf dem gleichen Gerät realisierten anderen Komponenten übernommen werden können oder an eine andere Komponente nur softwaremäßig übergeben werden müssen. Ebenso könnten die Schnittstellen aus Hardware- und Software-Komponenten bestehen, wie zum Beispiel einer Standard-Hardware-Schnittstelle, die durch Software für den konkreten Einsatzzweck speziell konfiguriert wird. Außerdem können mehrere Schnittstellen auch in einer gemeinsamen Schnittstelle, beispielsweise einer Input-Output-Schnittstelle, zusammengefasst sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016/110440 A1 [0004, 0006]

Claims

Computergestütztes Verfahren zur Generierung eines Steuerdatensatzes für eine generative Schichtbauvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels derselben, wobei die Herstellung die Schritte aufweist: Aufbau des Objekts Schicht auf Schicht, und gesteuertes Richten von Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle (21) durch eine Eintragseinrichtung (20) auf einem Objektquerschnitt entsprechende Bereiche einer Schicht eines Aufbaumaterials (15), wobei die Eintragseinrichtung (20) dazu ausgebildet ist, eine Mehrzahl von Strahlbündeln (22) auf unterschiedliche Regionen einer aufgetragenen Schicht zu richten, wobei jedes der Strahlbündel (22) dort, wo es auf die Schicht auftrifft, auf das Aufbaumaterial (15) einwirkt, insbesondere so, dass dieses verfestigt wird, wobei das Verfahren zur Generierung eines Steuerdatensatzes aufweist: einen ersten Schritt (S1) des Zugriffs auf mindestens zwei Schichtdatensätze, die Datenmodelle einer entsprechenden Anzahl von während der Herstellung selektiv zu verfestigenden und unmittelbar übereinanderliegenden Aufbaumaterialschichten aufweisen, wobei in einem Datenmodell einem Objektquerschnitt entsprechende Stellen gekennzeichnet sind, an denen eine Verfestigung des Aufbaumaterials (15) stattfinden soll, wobei in einem Datenmodell gekennzeichnet ist, welches der Mehrzahl von Strahlbündeln (22) das Aufbaumaterial (15) an welchen der dem jeweiligen Objektquerschnitt entsprechenden Stellen verfestigen soll, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Schritt (S2) in einem Schichtdatensatz mehrere aneinandergrenzende Teilquerschnitte (31, 32, 41, 42), also zu verfestigende Teilregionen eines Objektquerschnitts, festgelegt werden, wobei für jeden der Teilquerschnitte (31, 32, 41, 42) festgelegt wird, mit welchem Strahlbündel (22) die Stellen in diesem Teilquerschnitt zu verfestigen sind, wobei die Teilquerschnitte (31, 32, 41, 42) so festgelegt werden, dass ein Grenzbereich (35, 45), also ein an der Grenze zwischen verschiedenen Teilquerschnitten (31, 32, 41, 42) liegender Bereich, in seiner Gestalt und/oder Lage in der Schichtebene gegenüber der Gestalt und/oder Lage eines Grenzbereichs (35, 45) in einem der unmittelbar vorangegangenen oder der unmittelbar darauffolgenden Schicht zugeordneten Schichtdatensatz unterschiedlich ist und in einem dritten Schritt (S3) der im zweiten Schritt (S2) abgeänderte Schichtdatensatz als Steuerdatensatz für die generative Schichtbauvorrichtung bereitgestellt wird.
Computergestütztes Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Grenzbereiche (35, 45) in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Schichten einander nicht vollständig überdecken, bevorzugt zu 0% überdecken.
Computergestütztes Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gestalt und/oder Lage des Grenzbereichs (35, 45) in der Schichtebene so festgelegt werden, dass sie sich beim Herstellvorgang frühestens nach n Schichten, wobei n eine natürliche Zahl größer als Eins ist, wiederholen.
Computergestütztes Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Gestalt und/oder Lage des Grenzbereichs (35, 45) in der Schichtebene so festgelegt werden, dass sie sich beim Herstellvorgang spätestens nach m Schichten, wobei m eine natürliche Zahl größer oder gleich n ist, wiederholen.
Computergestütztes Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gestalt und/oder Lage des Grenzbereichs (35, 45) in den Schichten sich in Aufbaurichtung gemäß einer ersten periodischen Funktion, insbesondere einer Sinusfunktion, Dreiecksfunktion oder Rechteckfunktion ändert/ändern.
Computergestütztes Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Gestalt und/oder Lage des Grenzbereichs (35, 45) in den Schichten sich in Aufbaurichtung zusätzlich gemäß einer zweiten periodischen Funktion ändert/ändern, die der ersten periodischen Funktion überlagert ist und bevorzugt eine kürzere Periode als die erste periodische Funktion aufweist.
Computergestütztes Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Grenzbereich (9192, 9291) zwei Abschnitte (91, 92) eines Konturbereichs eines Objektquerschnitts gegeneinander abgrenzt.
Computergestütztes Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in mindestens einer Schicht die Lage des Grenzbereichs (35, 45) im Vergleich zu einer anderen Schicht verdreht ist, bevorzugt um einen Winkel, der größer oder gleich 5° ist, weiter bevorzugt um einen Winkel, der größer oder gleich 10° ist, noch weiter bevorzugt um einen Winkel, der größer oder gleich 20° ist, sofern die Gestalt des Grenzbereichs in den beiden Schichten im Wesentlichen gleich ist.
Computergestütztes Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gestalt und/oder Lage des Grenzbereichs (35, 45) in den Schichten sich in Aufbaurichtung gemäß einer Zufallsfunktion ändern.
Computergestütztes Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei die Gestalt und/oder Lage des Grenzbereichs (35, 45) in den Schichten sich in Aufbaurichtung gemäß einer Funktion ändert, die sich aus einer Überlagerung der ersten und/oder zweiten periodischen Funktion mit einer Zufallsfunktion ergibt.
Computergestütztes Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Änderung der Gestalt und/oder Lage des Grenzbereichs (35, 45) von Schicht zu Schicht abhängig davon erfolgt, ob sich der Grenzbereich in einem im Vorhinein festgelegten Teilabschnitt eines herzustellenden Objekts befindet.
Computergestütztes Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem im zweiten Schritt für zumindest einen Abschnitt zumindest eines Objektquerschnitts in Abhängigkeit von Vorgaben für eine Qualität des Abschnitts und/oder eine Fertigungszeit des Objekts festgelegt wird, mit welcher Anzahl von Strahlbündeln (22) das Aufbaumaterial innerhalb dieses Abschnitts zu verfestigen ist.
Generatives Schichtbauverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels einer generativen Schichtbauvorrichtung, wobei die Herstellung die Schritte aufweist: Aufbau des Objekts Schicht auf Schicht, gesteuertes Richten von Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle (21) durch eine Eintragseinrichtung (20) auf einem Objektquerschnitt entsprechende Bereiche einer Schicht eines Aufbaumaterials (15), wobei die Eintragseinrichtung (20) dazu ausgebildet ist, eine Mehrzahl von Strahlbündeln (22) gleichzeitig auf unterschiedliche Regionen der aufgetragenen Schicht zu richten, wobei jedes der Strahlbündel dort, wo es auf die Schicht auftrifft, auf das Aufbaumaterial (15) einwirkt, insbesondere so, dass dieses verfestigt wird, wobei das generative Schichtbauverfahren für die Herstellung einen durch ein Verfahren zur Generierung eines Steuerdatensatzes nach einem der vorangehenden Ansprüche generierten Steuerdatensatz verwendet.
Vorrichtung zur computergestützten Generierung eines Steuerdatensatzes für eine generative Schichtbauvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels derselben, wobei die Herstellung die Schritte aufweist: Aufbau des Objekts Schicht auf Schicht, gesteuertes Richten von Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle (21) durch eine Eintragseinrichtung (20) auf einem Objektquerschnitt entsprechende Bereiche einer Schicht eines Aufbaumaterials (15), wobei die Eintragseinrichtung (20) dazu ausgebildet ist, eine Mehrzahl von Strahlbündeln (22) gleichzeitig auf unterschiedliche Regionen der aufgetragenen Schicht zu richten, wobei jedes der Strahlbündel (22) dort, wo es auf die Schicht auftrifft, auf das Aufbaumaterial (15) einwirkt, insbesondere so, dass dieses verfestigt wird, wobei die Vorrichtung zur computergestützten Generierung eines Steuerdatensatzes aufweist: eine Zugriffseinheit (101), die geeignet ist, auf mindestens zwei Schichtdatensätze zuzugreifen, die Datenmodelle einer entsprechenden Anzahl von während der Herstellung selektiv zu verfestigenden und unmittelbar übereinanderliegenden Aufbaumaterialschichten aufweisen, wobei in einem Datenmodell gekennzeichnet ist, mittels welches Strahlbündels (22) das Aufbaumaterial an den dem jeweiligen Objektquerschnitt entsprechenden Stellen zu verfestigen ist, gekennzeichnet durch eine Festlegungseinheit (102), die geeignet ist, in einem Schichtdatensatz mehrere aneinandergrenzende Teilquerschnitte (31, 32, 41, 42), also zu verfestigende Teilregionen eines Objektquerschnitts, festzulegen, wobei für jeden der Teilquerschnitte festgelegt wird, mit welchem Strahlbündel (22) die Stellen in diesem Teilquerschnitt zu verfestigen sind, wobei die Teilquerschnitte so festgelegt werden, dass ein Grenzbereich (35, 45), also ein an der Grenze zwischen verschiedenen Teilquerschnitten liegender Bereich, in seiner Gestalt und/oder Lage in der Schichtebene gegenüber der Gestalt und/oder Lage eines Grenzbereichs (35, 45) in einem der unmittelbar vorangegangenen oder der unmittelbar darauffolgenden Schicht zugeordneten Schichtdatensatz unterschiedlich ist, und eine Bereitstellungseinheit (103), die geeignet ist, den durch die Festlegungseinheit (102) abgeänderten Schichtdatensatz als Steuerdatensatz für die generative Schichtbauvorrichtung bereitzustellen.
Computerprogramm, umfassend Programmcodemittel, um alle Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Datenprozessor, insbesondere einem mit einer generativen Schichtbauvorrichtung zusammenwirkenden Datenprozessor, ausgeführt wird.