DE10208150B4 - Method and device for producing a shaped body - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (8), bei dem man ein pulverförmiges Rohmaterial (4) in aufeinander folgend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit wenigstens einem Strahl entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers (8) zu zusammenhängenden Bereichen durch Verschmelzen verfestigt,
wobei man zur Bildung eines Streifens (K) zusammenhängend verfestigten Materials des Formkörpers in einer betreffenden Schicht den Auftreffpunkt des Strahles auf der Schicht längs einer jeweiligen longitudinalen Streifenbildungsspur bewegt,
dadurch gekennzeichnet,
dass man bei der Streifenbildung den Strahl (16) relativ zu der Schicht so führt, dass sein Auftreffpunkt (30) auf der Schicht in longitudinaler Streifenbildungsrichtung (X) oszillierend vor- und zurückläuft oder vorläuft und zurückspringt oder vorspringt und zurückläuft und einen resultierenden Vorschub in Streifenbildungsrichtung (X) erfährt, wobei er Stellen innerhalb der jeweiligen Streifenbildungsspur auf der betreffenden Schicht wiederholt überstreicht.A method for producing a shaped body (8), in which a powdery raw material (4) in successively prepared layers by fusion with at least one beam corresponding to a respective cross-sectional pattern of the shaped body (8) solidified into contiguous areas by fusion,
wherein, to form a strip (K) of coherently solidified material of the shaped body in a respective layer, the point of impingement of the beam on the layer is moved along a respective longitudinal streaking track,
characterized,
in that the banding causes the beam (16) relative to the layer so that its point of incidence (30) on the layer in the longitudinal banding direction (X) oscillates backwards and forwards and backwards or protrudes and runs back and a resulting advance in Stripe direction (X), repeatedly sweeping locations within the respective banding track on the particular layer.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 8.The The invention relates to a method for producing a shaped body with the features of the preamble of claim 1 and a device for Production of a molded article with the features of the preamble of claim 8.

Unter den Begriffen selektives Pulverschmelzen, selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern u. dgl., sind in jüngerer Zeit leistungsfähige Methoden zur Herstellung von Formkörpern auch komplizierterer Geometrie bekannt geworden, wobei diese häufig unter dem Begriff ”Rapid Prototyping” oder ”Rapid Tooling” oder ”Rapid Manufacturing” zusammengefassten Methoden im Wesentlichen auf folgendem Prinzip basieren:
Der Formkörper, also irgendein herzustellender Gegenstand, wird nach Maßgabe von CAD-Daten bzw. von davon abgeleiteten geometrischen Beschreibungsdaten schichtweise aus einem zunächst fluiden oder feinkörnigen bzw. pulvrigen Rohmaterial aufgebaut, indem das Rohmaterial entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers durch selektives Bestrahlen verfestigt bzw. verschmolzen wird. Üblicherweise erfolgt das Bestrahlen mittels wenigstens einem gesteuert ablenkbaren Laserstrahl. Dabei erfolgt die Steuerung einer den Strahl ablenkenden Strahlablenkeinrichtung mittels einer Steuereinrichtung auf der Basis geometrischer Beschreibungsdaten des herzustellenden Formkörpers, welche üblicherweise von einem Mikrocomputer nach Maßgabe eines entsprechenden Programms aus CAD-Daten abgeleitet und bereitgestellt werden.Under the terms selective powder melting, selective laser melting, selective laser sintering, and the like. Like., More recently, powerful methods for the production of moldings of more complicated geometry have become known, these often being combined under the term "rapid prototyping" or "rapid tooling" or "rapid manufacturing" methods essentially based on the following principle:
The molded article, that is, any article to be produced, is built up in layers from a first fluid or fine-grained or powdery raw material according to CAD data or geometric description data derived therefrom by selective irradiation of the raw material according to a cross-sectional pattern of the molded article associated with each layer is solidified or fused. Usually, the irradiation takes place by means of at least one controlled deflectable laser beam. The control of a beam deflecting the beam deflection device by means of a control device based on geometric description data of the molded body to be produced, which are usually derived from a microcomputer in accordance with a corresponding program from CAD data and provided.

Der Laserstrahl zeichnet auf der zuletzt präparierten Rohmaterialschicht das dieser Schicht zugeordnete Querschnittsmuster des Formkörpers, um das Rohmaterial dem Querschnittsmuster entsprechend selektiv zu verfestigen bzw. zu verschmelzen. Nach einem solchen Bestrahlungsschritt erfolgt dann die Präparation der nächsten Rohmaterialschicht auf der zuletzt durch Bestrahlen selektiv und bereichsweise verfestigten bzw. verschmolzenen Schicht. Nach Ausbildung einer an ihrer Oberfläche hinreichend glatten Rohmaterialschicht erfolgt dann wieder ein Belichtungsschritt in der vorstehend erläuterten Weise. Der Formkörper entsteht somit Schicht für Schicht, wobei die aufeinander folgend hergestellten Querschnittsschichten des Formkörpers so miteinander verschmolzen sind, dass sie aneinander haften. Beim selektiven Verschmelzen von Metallpulvern, wie es beispielsweise in der DE 199 05 067 A1 oder in der WO 98/24574 A1 beschrieben ist, erfolgt das Präparieren der Schichten normalerweise durch Hinzugabe von Pulvermaterial auf der zuletzt verfestigten Schicht nach jedem Bestrahlungsschritt. Nach Glättung der Pulverschicht und Einstellen des Schichtniveaus relativ zur Strahlungsquelle bzw. zur Strahlablenkeinrichtung erfolgt dann der nächste Bestrahlungsschritt in der oben beschriebenen Weise. Die jeweilige Einstellung des Schichtniveaus erfolgt normalerweise durch entsprechendes Absenken einer Plattform, welche einen Träger bildet, auf der der Formkörper schichtweise aufgebaut wird.The laser beam records on the last prepared raw material layer the cross-sectional pattern of the shaped body assigned to this layer in order to selectively solidify or fuse the raw material according to the cross-sectional pattern. After such an irradiation step, the preparation of the next raw material layer then takes place on the layer which has been finally or selectively solidified or blended by irradiation. After the formation of a raw material layer which is sufficiently smooth on its surface, an exposure step is then carried out again in the manner explained above. The shaped body thus arises layer by layer, wherein the successively produced cross-sectional layers of the shaped body are fused together so that they adhere to one another. In the selective fusion of metal powders, as for example in the DE 199 05 067 A1 or in the WO 98/24574 A1 The preparation of the layers is normally done by adding powder material on the last solidified layer after each irradiation step. After smoothing the powder layer and adjusting the layer level relative to the radiation source or to the beam deflecting device, the next irradiation step then takes place in the manner described above. The respective adjustment of the layer level is normally carried out by corresponding lowering of a platform, which forms a carrier on which the shaped body is built up in layers.

Bei der Methode nach dem Prinzip des selektiven Lasersinterns verwendet man als Rohmaterialien Metallpulver mit niedrig schmelzenden Bindemitteln.at The method according to the principle of selective laser sintering used as raw materials metal powder with low-melting binders.

Bei den bisher bekannten Rapid-Prototyping-Herstellungsmethoden erfolgt die Herstellung von – in der Draufsicht auf die betreffende Schicht – zusammenhängenden Flächenbereichen des der betreffenden Schicht zugeordneten Querschnittsmusters im Allgemeinen dadurch, dass ein Laserstrahl die Randkontur des Flächenbereichs abtastet bzw. beschreibt und dann innerhalb dieser Randkontur nach Art von eng benachbarten geradlinigen Schraffurlinien eine zeilenweise Abtastung bzw. Rasterung des Flächenbereichs vornimmt, um die Schicht in den bestrahlten Bereichen umzuschmelzen. Dabei erfolgt die Steuerung der Strahlablenkeinrichtung normalerweise auf der Basis von Schraffurdaten, die mit einem CAD-Programm erzeugt wurden.at the previously known rapid prototyping production methods takes place the production of - in the plan view of the relevant stratum - contiguous areas of that stratum Layer associated cross-sectional pattern in general by a laser beam scans or describes the edge contour of the surface area and then within that edge contour in the manner of closely adjacent ones rectilinear hatching lines a line by line scanning of the surface area to remelt the layer in the irradiated areas. The control of the beam deflector is usually done based on hatch data generated with a CAD program were.

Gemäß einer anderen Bestrahlungsstrategie wird ein zusammenhängender Bereich des Formkörper-Querschnittsmusters in einer betreffenden Schicht dadurch gebildet, dass man den Strahl in der Weise ablenkt oder/und die zu bestrahlende Schicht relativ zu dem Strahl in der Weise bewegt, dass der Strahl – beginnend mit einer Startkonturlinie (Randlinie) – mehrere, einander benachbarte, insbesondere zwiebelringartig ineinander verschachtelte Konturen auf der Schicht beschreibt. Beispiele hierzu sind in der DE 101 12 591 A1 offenbart, auf die verwiesen wird.According to another irradiation strategy, a contiguous region of the shaped body cross-sectional pattern is formed in a respective layer by deflecting the beam in such a way and / or moving the layer to be irradiated relative to the beam in such a way that the beam begins with a beam Start contour line (edge line) - describes several adjacent, in particular onion-like nested contours on the layer. Examples of this are in the DE 101 12 591 A1 disclosed to which reference is directed.

Die Druckschrift JP 62101408 A beschreibt ein Fotopolymer-Sterolithographieverfahren zur Herstellung von Formmodellen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Dabei wird ein durch Bestrahlen mit Laserlicht chemisch aushärtbares, flüssiges Fotopolymer oder Harz als Rohmaterial eingesetzt und schichtweise bestrahlt, um das Formmodell aus Kunststoff aufzubauen. Das Aushärten ist in diesem Fall ein chemischer Prozess, kein Verschmelzen, so dass Effekte aufgrund eines Verdampfens des Rohmaterials hier keine Rolle spielen. Bei dem Verfahren der JP 62101408 A wird ein Spiegel im Strahlengang des Lasers in eine Rotationsbewegung um eine Achse versetzt, so dass der Auftreffpunkt des Lasers auf der Oberfläche des flüssigen Rohmaterials eine Kreisbewegung ausführt, der dann eine Translationsbewegung des Rohmaterial-Behälters überlagert wird, um einen Bereich auszuhärten, der breiter ist als die Dimensionen des Auftreffpunktes.The publication JP 62101408 A describes a photopolymer stereolithography process for the production of mold models and an apparatus for carrying out this process. In this case, a chemically curable by irradiation with laser light, liquid photopolymer or resin is used as a raw material and irradiated in layers to build the mold model made of plastic. Curing in this case is a chemical process, not fusing, so that effects due to evaporation of the raw material do not matter here. In the process of JP 62101408 A For example, a mirror in the optical path of the laser is rotated about an axis such that the point of incidence of the laser on the surface of the liquid raw material makes a circular motion, which is then superimposed on a translational motion of the raw material container to cure a region which is wider as the dimensions of the up meeting place.

Die Patentschrift US 5,929,892 A beschreibt die Strahlführung in einem Laserdrucker, bei der zu Erzeugung eines zweidimensionalen Bildes ein Laserstrahl entlang einer periodischen, zweidimensionalen Trajektorie über eine photoleitende Oberfläche geführt wird. Insbesondere werden in der US 5,929,892 A1 Trajektorien beschrieben, die sich aus der Überlagerung einer Bewegung entlang einer Lissajous-Figur und einer Translationsbewegung ergeben.The patent US 5,929,892 A describes the beam guidance in a laser printer, in which a laser beam is guided over a photoconductive surface along a periodic, two-dimensional trajectory to produce a two-dimensional image. In particular, in the US 5,929,892 A1 Trajectories resulting from the superposition of a movement along a Lissajous figure and a translational movement described.

Bei der Herstellung von Formkörpern nach den hier betrachteten Methoden des ”Rapid Prototyping” oder ”Rapid Manufacturing” ist man im Allgemeinen bestrebt, eine hohe Oberflächengüte des Formkörpers zu erreichen, so dass die Oberfläche des fertiggestellten Formkörpers möglichst keine grobe Körnung oder Riffelung aufgrund des Herstellungsprozesses aufweist. Derartige unerwünschte Oberflächenrauigkeiten können entstehen, wenn die entsprechend der Schichtenfolge aufeinander folgend verfestigten Randkonturlinien nicht gleichmäßig ineinander übergehen und/oder wenn bei der Bildung einzelner Randkonturlinien keine gleichmäßige Schmelzspur oder Schmelzraupe gebildet wird. Es sind zahlreiche Versuche zur Ermittlung optimaler Prozessparameter im Hinblick auf die Erzielung möglichst homogener Oberflächengestaltungen der Formkörper bei der Anwendung des selektiven Laserschmelzens durchgeführt worden. Dabei hat man das Rohmaterialpulver in einer betreffenden Schicht spurweise mit einem auf die Schicht fokussierten Laserstrahl bestrahlt und versuchsweise folgende Parameter systematisch verändert:

  • – die Energiedichte der Laserstrahlung am Auftreffpunkt
  • – die Ausdehnung des Auftreffpunkts (Fokusdurchmesser) des Laserstrahls auf der Schicht,
  • – die Vorschubgeschwindigkeit des Auftreffpunkts der Laserstrahlung in Streifenbildungsrichtung.
In the production of moldings according to the methods of "rapid prototyping" or "rapid manufacturing" considered here, it is generally desirable to achieve a high surface quality of the molding, so that the surface of the finished molding as possible no coarse grain or corrugation due to the manufacturing process having. Such undesirable surface roughness can occur if the edge contour lines successively solidified in accordance with the layer sequence do not merge uniformly into one another and / or if no uniform melting trace or melt bead is formed in the formation of individual edge contour lines. Numerous attempts have been made to determine optimal process parameters with regard to achieving the most homogeneous possible surface designs of the moldings in the application of selective laser melting. In this case, the raw material powder was irradiated in a respective layer by trace with a laser beam focused on the layer and experimentally the following parameters were changed systematically:
  • - The energy density of the laser radiation at the point of impact
  • The extension of the point of impact (focus diameter) of the laser beam on the layer,
  • - The feed rate of the point of impact of the laser radiation in the banding direction.

Die Versuche wurden überdies mit verschiedenen Rohmaterialpulvern durchgeführt.The Attempts were also made performed with different raw material powders.

Insgesamt ergaben sich folgende Tendenzen:

  • – Bei Streifenbildung mit geringem Energieeintrag des Laserstrahls und sehr kleiner Vorschubgeschwindigkeit des Auftreffpunktes des Strahls auf der Schicht neigt insbesondere Stahlpulver dazu, zu kugelartigen Clustern zu verschmelzen, die mehr oder weniger gleichmäßig ineinander übergehen. Die zusammenhängend verfestigten Bereiche sind teils löchrig und inhomogen. Die Oberflächenqualität eines auf der Basis solcher Spuren hergestellten Formkörpers ist nicht sehr gut.
  • – Bei Streifenbildung mit großem Energieeintrag der Strahlung in das pulverförmige Rohmaterial treten Effekte wie starke unkontrollierte Verdampfung des Materials und das Entstehen von Materialspannungen auf. Die Oberflächenqualität eines Formkörpers, dessen Randkontur mit Schmelzspuren gebildet wurde, welche mit sehr großem Energieeintrag und vergleichsweise geringer Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls erzeugt wurden, ist ebenfalls gering. Durch Vergrößerung der Vorschubgeschwindigkeit bei unverändert hoher Laserleistung konnten bessere Ergebnisse hinsichtlich der Homogenität des zusammenhängend verfestigten Materials und hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit des fertiggestellten Formkörpers erzielt werden.
Overall, the following trends emerged:
  • - When banding with low energy input of the laser beam and very low feed rate of the impact point of the beam on the layer in particular steel powder tends to merge into spherical clusters that merge more or less evenly. The contiguous solidified areas are partly holey and inhomogeneous. The surface quality of a molded article produced on the basis of such traces is not very good.
  • - When banding with high energy input of the radiation in the powdery raw material occur effects such as strong uncontrolled evaporation of the material and the emergence of material stresses. The surface quality of a shaped body whose edge contour was formed with melting traces, which were produced with very high energy input and comparatively low feed rate of the laser beam, is also low. By increasing the feed rate with unchanged high laser power better results could be achieved in terms of the homogeneity of the coherently bonded material and with regard to the surface finish of the finished molded article.

Die Ergebnisse der vorstehend angesprochenen Versuche zur Erzeugung von Schmelzspuren bzw. Schmelzstreifen zum Zwecke der Herstellung von Formkörpern aus pulverförmigem Rohmaterial haben nahegelegt, dass es zur Erzeugung gleichmäßiger Schmelzstreifen günstig ist, mit relativ großer Laserleistung und mit einer Mindestvorschubgeschwindigkeit des Auftreffpunktes des Strahls auf der betreffenden Pulverschicht zu bestrahlen. Der Energieeintrag durch die Strahlung sollte daher jeweils groß genug sein, dass das Material lokal so stark erhitzt wird, dass seine Temperatur sicher die Schmelztemperatur überschreitet. Die Vorschubgeschwindigkeit des Auftreffpunkts des Strahls sollte so gewählt werden, dass unerwünschte Verdampfungseffekte des Materials möglichst gering bleiben. Aber selbst unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse ist es schwierig, die Parameter bei der Prozessführung so festzulegen, dass zufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich der Materialhomogenität bzw. der Oberflächenqualität erzielt werden.The Results of the above-mentioned experiments for the production of melting traces or fusion strips for the purpose of producing moldings from powdered Raw material has suggested that it produces uniform enamel strips Cheap is, with relatively high laser power and with a minimum feed rate of the impact point of the beam on the powder layer in question. Of the Energy input by the radiation should therefore be large enough be that the material is locally heated so much that his Temperature safely exceeds the melting temperature. The feed speed of the point of impact of the jet should be chosen so that undesirable evaporation effects of the Materials as possible stay low. But even taking into account these results it is difficult to define the parameters in the process control so that satisfactory results in terms of material homogeneity or the Surface quality achieved become.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bereitzustellen, welches eine gleichmäßige und homogene Ausbildung von zusammenhängend verfestigten Bereichen und insbesondere von gleichmäßigen und homogenen Randkonturstreifen ermöglicht.Of the Invention is based on the object, a method of the preamble of claim 1, which provide a uniform and homogeneous formation of contiguous consolidated areas and in particular of uniform and allows homogeneous edge contour strip.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen.to solution This object is achieved according to a method with the features proposed by claim 1.

Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Art der Strahlführung die Erzeugung von sehr gleichmäßigen Schweißraupen oder Schmelzstreifen ermöglicht, wobei es nicht erforderlich und auch nicht empfehlenswert ist, dass man das Rohmaterial im Bereich des Auftreffpunktes des Strahls wesentlich über das Erreichen der Schmelztemperatur hinaus erhitzt. Durch ein wiederholtes Bestrahlen des jeweiligen in Streifenbildungsrichtung vorderen Bereichs der Streifenbildungsspur kommt es zu einer effizienten Durchschmelzung des Bereichs und zu einer gleichmäßigen Verschmelzung mit einer etwaigen unteren Nachbarspur, wobei jedoch unerwünschte Materialverdampfungseffekte dadurch unterbunden werden können, dass man die Laserleistung entsprechend einstellt, so dass in dem jeweils bestrahlten Bereich die Schmelztemperatur zwar erreicht, aber nicht wesentlich überschritten wird. Man erreicht auf diese Weise nicht nur eine sehr gleichmäßige Ausbildung der Randkontur des Formkörpers in einer betreffenden Schicht, sondern auch eine sehr gleichmäßige Verschmelzung der die Außenoberfläche des Formkörpers bildenden Verfestigungsspuren untereinander, so dass der Formkörper nach Fertigstellung eine geringe Oberflächenrauigkeit aufweist.It has been found that the type of beam guidance proposed according to the invention makes it possible to produce very uniform weld beads or strips, wherein it is not necessary or even recommended that the raw material be heated substantially beyond reaching the melting temperature in the region of the impact point of the beam , Repeatedly irradiating the respective banding direction front region of the banding track results in efficient melting of the band However, undesirable material evaporation effects can be prevented by adjusting the laser power accordingly, so that the melting temperature is indeed reached in the irradiated area, but not significantly exceeded. In this way, not only a very uniform formation of the edge contour of the molding in a respective layer, but also a very uniform fusion of the outer surface of the molding forming solidification tracks with each other, so that the molding after completion has a low surface roughness.

Wenngleich eine Strahlführung mit in longitudinaler Streifenbildungsrichtung jeweils nur vor- und zurücklaufendem Strahlauftreffpunkt, insbesondere bei der Randkonturbildung bevorzugt wird, kann es im Rahmen der Erfindung mit Vorteilen insbesondere Im Hinblick auf eine einfache Möglichkeit der Streifenbreiteneinstellung bzw. wahlweisen Streifenbreitenvariierung vorgesehen sein, dass man bei der Streifenbildung den Strahl relativ zu der Schicht so führt, dass der in Streifenlängsrichtung vor und zurücklaufenden Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes zumindest abschnittsweise eine quer zur Streifenlängsrichtung hin- und herlaufende transversale Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes innerhalb der Streifenbildungsspur überlagert ist.Although a beam guide with in the longitudinal banding direction only and returning Strahlauftreffpunkt, especially in the edge contouring preferred It can, in the context of the invention with advantages in particular Im Regard to an easy way the strip width adjustment or optional strip width variation be provided that in the banding the beam relative So leads to the layer that in strip longitudinal direction forward and backward Movement component of the Strahlauftreffpunktes at least partially one transverse to the strip longitudinal direction reciprocating transverse component of the beam impact point is superimposed within the banding track.

Das Konzept des Mehrfachbestrahlens einer Kontur mit in der betreffenden Konturspur bleibendem Auftreffpunkt des Strahls lässt sich steuerungstechnisch bzw. softwaretechnisch ohne nennenswerten Mehraufwand im Vergleich mit konventionellen Verfahren der gattungsgemäßen Art realisieren. Dabei können jeweils die ohnehin zur Beschreibung der Randkontur erforderlichen Geometriebeschreibungsdaten genutzt werden, indem diese zum Zwecke einer wiederholten Bestrahlung eines Spurbereichs jeweils erneut aufgerufen werden, um die Strahlablenkeinrichtung zur Führung des Strahls entsprechend zu steuern.The Concept of multiple exposure of a contour with in the relevant Contour track remaining impact point of the beam can be control technology or software without significant additional effort in comparison with conventional methods of the generic type realize. It can each required anyway for the description of the edge contour Geometry description data are used by these for the purpose a repeated irradiation of a track area each again be called to the beam deflector to guide the Jet accordingly.

Es ist im Rahmen der Erfindung gleichbedeutend, ob man zur Erzielung des gewünschten Erfolgs den Strahl relativ zu der zu bestrahlenden Schicht bewegt oder ob man bei festgehaltenem Strahl die Schicht entsprechend bewegt, um eine überlappend wiederholte Bestrahlung in Streifenbildungsrichtung aufeinander folgender Spurbereiche zu erzielen.It is synonymous in the context of the invention, whether to achieve of the desired Success moves the beam relative to the layer to be irradiated or if the layer is moved accordingly while the beam is held, around an overlapping repeated irradiation in banding direction to each other following track areas to achieve.

Das erfindungsgemäße Konzept der spurweisen Bestrahlung der Schicht mit in Streifenbildungsrichtung vor- und zurückbewegtem Strahlauftreffpunkt ist nicht nur bei der Randkonturbildung anwendbar, sondern ganz allgemein auch bei der Verfestigung innerer Bereiche des Formkörpers.The inventive concept the track-wise irradiation of the layer in the banding direction moved back and forth Beam impact point is not only applicable to edge contouring, but in general also in the solidification of internal regions of the molding.

Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens führt man den Strahl bei der Randspurbildung so, dass der Auftreffpunkt bei den jeweiligen Rückwärtsbewegungsschritten wenigstens die halbe Strecke der unmittelbar vorausgegangenen Vorwärtsbewegungsschritte zurücklegt. Auf diese Weise wird erreicht, dass im Wesentlichen jeder Bereich der Spur wenigstens zweimal bestrahlt wird.According to one Variant of the method according to the invention you lead the beam at the edge track formation so that the impact point at the respective backward movement steps at least half the distance of the immediately preceding Vorwärtsbewegungsschritte travels. In this way it is achieved that essentially every area the track is irradiated at least twice.

Es besteht die Möglichkeit, dass man die Schicht bei den Rückwärtsbewegungsschritten mit anderer Strahlungsenergie pro Zeiteinheit und Flächeneinheit bestrahlt als bei den Vorwärtsbewegungsschritten. So kann man beispielsweise bei den Rückwärtsbewegungsschritten mit anderen Bewegungsgeschwindigkeiten des Auftreffpunktes und/oder mit geänderter Ausdehnung des Auftreffpunktes und/oder mit geänderter Ausgangsleistung der Strahlungsquelle bestrahlen als bei den Vorwärtsbewegungsschritten.It it is possible, that one the layer at the backward movement steps with different radiant energy per unit time and area unit irradiated as in the forward motion steps. So you can, for example, in the backward movement steps with others Movement speeds of the impact point and / or with changed Extension of the impact point and / or with changed output power of Radiation source irradiate as in the forward movement steps.

Die Breite der nach dem erfindungsgemäßen Bestrahlungskonzept erzeugten Verfestigungsspur kann in bestimmten Grenzen durch die Wahl der Leistung der Strahlungsquelle, der Ausdehnung des Auftreffpunktes des Strahls auf der Schicht, der Bewegungsgeschwindigkeit des Auftreffpunktes auf der Schicht oder/und der Häufigkeit des Überstreichens der betreffenden Spur mit dem Auftreffpunkt moduliert werden. Versuche haben gezeigt, dass es ohne weiteres möglich ist, mit einem 60 W-Infrarotlaser etwa bis hin zu 1 mm breite, in sich homogen und dicht ausgebildete Verfestigungsstreifen bzw. Schweißraupen in Edelstahlpulver zu erzeugen. Baut man derartige Befestigungsstreifen Schicht für Schicht in vertikaler Richtung aufeinander auf, so lassen sich nach der vorliegenden Erfindung bedarfsweise sehr dünne (in der Draufsichtsprojektion einspurige oder ggf. mehrspurige) Wände erzeugen, die gute Oberflächenqualität aufweisen und dicht sind. Das Herstellen solcher filigraner Wandstrukturen aus Metallen oder ggf. aus Keramik war bisher nur mit erheblich größerem Aufwand möglich.The Width of the generated according to the irradiation concept according to the invention Solidification track can be limited in certain limits by the choice of power the radiation source, the extent of the impact point of the beam on the layer, the speed of movement of the impact point on the layer or / and the frequency the sweeping of the relevant track are modulated with the impact point. tries have shown that it is easily possible with a 60 W infrared laser about up to 1 mm wide, in itself homogeneous and densely formed solidification strip or weld beads to produce in stainless steel powder. Build such attachment strips layer by layer in a vertical direction to each other, so can be after the present invention, if necessary, very thin (in plan view projection one-lane or possibly multi-lane) walls that have good surface quality and are tight. The production of such filigree wall structures made of metals or possibly ceramic was so far only with considerable greater effort possible.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Merkmalen von Anspruch 8.object The invention also relates to an apparatus for carrying out the inventive method with the features of claim 8.

Dabei ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Strahlablenkeinrichtung zwecks Bildung des Streifens so zu steuern, dass der Auftreffpunkt Stellen innerhalb der jeweiligen Streifenbildungsspur auf der betreffenden Schicht wiederholt überstreicht.there the control device is adapted to the beam deflection device so as to control the formation of the strip so that the point of impact within the respective banding track on the subject Repeatedly repaint layer.

Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Strahlablenkeinrichtung zwecks Bildung des Streifens so zu steuern, dass der in Streifenlängsrichtung vor und zurücklaufenden Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes zumindest abschnittsweise eine quer zur Streifenlängsrichtung hin- und herlaufende Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes innerhalb der Streifenbildungsspur überlagert ist. Dabei kann die Strahlführung z. B. so organisiert sein, dass der Auftreffpunkt bei den jeweiligen longitudinalen Rückwärtsbewegungsschritten wenigstens die halbe Strecke der unmittelbar vorausgegangenen Vorwärtsbewegungsschritte zurücklegt.According to one embodiment of the device according to the invention, the control device is adapted to the beam deflection device to control the formation of the strip so that the motion component of the beam impingement point moving forward and backward in the strip longitudinal direction is superimposed, at least in sections, on a component of the beam impingement point that travels transversely to the strip longitudinal direction within the strip formation track. In this case, the beam guide z. B. be organized so that the impact point in the respective longitudinal backward movement steps covers at least half the distance of the immediately preceding Vorwärtsbewegungsschritte.

Die Schrittlängen und das Schrittlängenverhältnis zwischen Vorwärtsschritt und Rückwärtsschritt können wahlweise eingestellt und verändert werden. Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.The step lengths and the step length ratio between Next step and backward step can optionally set and changed. The invention will be described below with reference to the figures explained in more detail.

1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung auf der Basis der Methode des selektiven Laserschmelzens. 1 shows in a highly schematic representation of an apparatus for carrying out the method according to the invention on the basis of the method of selective laser melting.

2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Beispiel eines Formkörpers. 2 shows a perspective view of an example of a shaped body.

3 zeigt eine Draufsicht auf eine Pulverschicht, die entsprechend dem Querschnitt des Formkörpes gemäß 2 bereichsweise durch Bestrahlung befestigt worden ist. 3 shows a plan view of a powder layer, which corresponds to the cross section of the molding according to 2 partially fixed by irradiation.

4 zeigt in Momentaufnahmen eine Sequenz der Bildung einer Schmelzspur durch Bestrahlen einer präparierten Pulverschicht. 4 shows in snapshots a sequence of formation of a melting trace by irradiation of a prepared powder layer.

5 zeigt in einem Diagramm das Orts-/Zeitverhalten des Auftreffpunkts des Strahls bei Bestrahlung entsprechend der Sequenz in 4. 5 shows in a diagram the location / time behavior of the point of impact of the beam when irradiated according to the sequence in FIG 4 ,

6 zeigt schematisch einen vergrößert dargestellten Streifen aktuell umgeschmolzenen Materials mit eingezeichneter Bewegungslinie des Strahlauftreffpunktes. 6 schematically shows an enlarged illustrated strip currently molten material with marked line of movement of the Strahlauftreffpunktes.

7 zeigt eine Bewegungslinie des Strahlauftreffpunktes in einer Darstellung ähnlich der der 6. 7 shows a line of movement of the beam impact point in a representation similar to that of 6 ,

1 zeigt in einer stark vereinfachten schematisierten Darstellung ein Beispiel einer Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen von einem einkomponentigen oder mehrkomponentigen Pulver, vorzugsweise Metallpulver. Eine detailliertere Darstellung eines Beispiels einer solchen Vorrichtung ist in der DE 199 05 067 A1 zu finden. 1 shows in a highly simplified schematic representation of an example of an apparatus for selective laser melting of a one-component or multi-component powder, preferably metal powder. A more detailed illustration of an example of such a device is in the DE 199 05 067 A1 to find.

Gemäß 1 umfasst die Vorrichtung einen Trägerbehälter 2, der sich in einer (nicht gezeigten) Prozessraumkammer befindet, welche mit Schutzgaszuführ- und -abführmitteln für die kontinuierliche Durchspülung der Prozessraumkammer mit Schutzgas ausgestattet ist. Es können ferner steuerbare Mittel zum Vorheizen oder/und zum Kühlen des Trägerbehälterinhaltes vorhanden sein.According to 1 the device comprises a carrier container 2 which is located in a process chamber (not shown) equipped with inert gas supply and discharge means for the continuous flushing of the process chamber with inert gas. There may also be controllable means for preheating and / or cooling the carrier container contents.

Der Trägerbehälter 2 ist vertikal verstellbar, wobei die Verstellung mittels eines Vertikalverschiebungsantriebs 12 erfolgen kann, der von einem Steuerrechner 10 nach Maßnahme eines Programms gesteuert wird. Der Steuerrrechner 10 dient darüber hinaus zur Steuerung der Strahlungsquelle 18, des Strahlablenksystems 20 und ggf. der Fokussieroptik 21. In dem Trägerbehälter 2 befindet sich im Beispielsfall das Rohmaterialpulver 4 und der bereits fertiggestellte Teil des herzustellenden Formkörpers 8.The carrier container 2 is vertically adjustable, wherein the adjustment by means of a vertical displacement drive 12 can be done by a control computer 10 is controlled by the action of a program. The tax calculator 10 also serves to control the radiation source 18 , the beam deflecting system 20 and optionally the focusing optics 21 , In the carrier container 2 In the example, the raw material powder is located 4 and the already completed part of the molded article to be produced 8th ,

Die Herstellung des Formkörpers 8 erfolgt schichtweise dadurch, dass man zunächst eine erste Pulverschicht in dem Trägerbehälter 2 präpariert, wobei der Trägerbehälter 2 von dem Vertikalverschiebungsantrieb 12 so weit nach oben hin verfahren worden ist, dass die mittels der schematisch angedeuteten Schichtenpräparatorbaugruppe 22 geglättete erste Schicht mit ihrer Oberfläche in Höhe der Ebene T liegt, in der der ablenkbare Strahl 16 normalerweise fokussiert ist. Nach Maßgabe der Steuerung durch den Steuerungsrechner 10 erfolgt dann die Bestrahlung des pulverförmigen Rohmaterials 4 entsprechend einem der ersten Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers. Die Bestrahlung erfolgt mit dem fokussierten Laserstrahl 16 des Lasers 18. Zur gezielten Ablenkung des Laserstrahls 16 dient die XY-Scannereinrichtung 20 mit zwei relativ zueinander bewegbaren Ablenkspiegeln. Die Scannereinrichtung wird vom Steuerrechner 10 nach Maßgabe von Daten gesteuert, welche auf CAD-Beschreibungsdaten des zu erstellenden Formkörpers 8 zurückgehen.The production of the molding 8th takes place layer by layer by first a first powder layer in the carrier container 2 prepared, wherein the carrier container 2 from the vertical displacement drive 12 has been moved so far towards the top, that by means of the schematically indicated Schichtpräparatorbaugruppe 22 smoothed first layer lies with its surface at the level of the plane T, in which the deflectable beam 16 is usually focused. In accordance with the control by the control computer 10 then the irradiation of the powdery raw material takes place 4 corresponding to one of the first layer associated cross-sectional pattern of the shaped body. The irradiation takes place with the focused laser beam 16 the laser 18 , For targeted deflection of the laser beam 16 serves the XY scanner device 20 with two relatively movable deflecting mirrors. The scanner device is the control computer 10 controlled in accordance with data based on CAD description data of the molded article to be created 8th decline.

Es sei darauf hingewiesen, dass gemeinsam mit einem Formkörper ggf. auch eine Stützkonstruktion für etwaige überhängende Bereiche hergestellt werden kann. Im Beispielsfall hat der Formkörper 8 keine überhängenden Bereiche.It should be noted that together with a molded body, if necessary, a support structure for any overhanging areas can be made. In the example, the molding has 8th no overhanging areas.

Nachdem eine erste Formkörperschicht durch entsprechendes Verschmelzen des Rohmaterialpulvers 4 gebildet wurde, steuert der Steuerrechner 10 den Verschiebeantrieb 12 an, so dass dieser den Behälter 2 um das Maß der Dicke der nachfolgend zu präparierenden Schicht absenkt. Über der bereits bestrahlten Schicht wird dann unter Verwendung der Schichtenpräparatorbaugruppe 22 die nächste Schicht präpariert. Danach kann der nächste Belichtungsschritt erfolgen. Die genannten Schritte werden insoweit wechselweise wiederholt, bis der Formkörper 8 fertiggestellt ist.After a first molded body layer by appropriately fusing the raw material powder 4 was formed controls the control computer 10 the displacement drive 12 so that this the container 2 lowered by the amount of thickness of the subsequently to be prepared layer. Over the already irradiated layer is then made using the layer-maker assembly 22 prepared the next layer. Thereafter, the next exposure step can take place. The said steps are repeated in this respect alternately until the molding 8th is completed.

Grundsätzlich lassen sich Formkörper unterschiedlichster Formgestaltungen unter Nutzung des hier betrachteten Verfahrens nach der Erfindung herstellen. Ein relativ einfach gestalteter Formkörper 8 ist in 2 perspektivisch dargestellt. Üblicherweise ist man daran interessiert, die Formkörper 8 ganz allgemein mit geringer Oberflächenrauigkeit und möglichst ohne Riffelung der Oberflächenstruktur herzustellen. Eine Riffelungsstruktur entsteht, wenn die aufeinander folgend verfestigten Schichten des Formkörpers 8 in den Randkonturabschnitten ungleichmäßig ineinander übergehen. Überdies ist es normalerweise erwünscht, dass die zusammenhängend verfestigten Bereiche eines Formkörpers 8 insgesamt homogen ausgebildet sind.In principle, moldings can be accommodated produce various mold designs using the method according to the invention considered here. A relatively simple shaped body 8th is in 2 shown in perspective. Usually one is interested in the moldings 8th to produce in general with little surface roughness and, if possible, without corrugation of the surface structure. A corrugation structure arises when the successively solidified layers of the shaped body 8th in the edge contour sections unevenly merge into each other. Moreover, it is normally desirable that the contiguous solidified regions of a molded article 8th are formed homogeneously.

Wie bereits oben erläutert, war es bisher schwierig, diese unerwünschten Effekte der Oberflächenrauigkeit bei der Herstellung von Formkörpern nach der Methode des selektiven Laserschmelzens oder nach der Methode des selektiven Lasersinterns zu vermeiden. Die vorliegende Erfindung bietet diesbezüglich wesentliche Verbesserungen.As already explained above, It has been difficult to date these undesirable effects of surface roughness in the production of moldings the method of selective laser melting or by the method of selective laser sintering. The present invention offers in this regard significant improvements.

Zur weiteren Erläuterung wird auf 3 verwiesen, in der ausschnittsweise eine Draufsicht auf eine betreffende Pulverschicht in dem Behälter 2 gemäß 1 dargestellt ist. Zu erkennen ist auch ein bereits durch Bestrahlen dieser Schicht zusammenhängend verfestigter Bereich mit der Form des Querschnitts des Formkörpers 8 aus 2. In nicht maßstäblicher Darstellung sind in 3 Spuren K1...Kn eingezeichnet, längs denen der Auftreffpunkt des Laserstrahls 16 (1) jeweils durch Ablenken des Strahls geführt wurde, um den zusammenhängend verfestigten Bereich in der betreffenden Schicht zu bilden.For further explanation is on 3 in the form of a plan view of a respective powder layer in the container 2 according to 1 is shown. It is also possible to discern a region already solidified by irradiation of this layer with the shape of the cross section of the shaped body 8th out 2 , In not to scale representation are in 3 Traces K1 ... Kn are drawn along which the point of impact of the laser beam 16 ( 1 ) was guided by deflecting the beam respectively to form the contiguous solidified region in the respective layer.

Die Spur K1 ist eine Randkonturspur, die in der betreffenden Schicht die äußere Randkontur des Formkörpers 8 definiert. Die Oberflächenqualität des herzustellenden Formkörpers 8 hängt wesentlich von der gleichmäßigen Verschmelzung und Ausprägung der die Außenoberflächen bildenden Randkonturspuren ab. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Randspuren K1 bzw. Kn in Form von zusammenhängend verfestigten Schmelzstreifen oder Schweißraupen gleichmäßiger Ausprägung zu erzeugen und insbesondere die oben beschriebenen Effekte der Schmelzkugelbildung bzw. der weitgehend unkontrollierten Materialverdampfung, wie sie bei Laserschmelzverfahren nach dem Stand der Technik auftreten, zu unterdrücken.The track K1 is an edge contour track, which in the relevant layer, the outer edge contour of the molding 8th Are defined. The surface quality of the molded article to be produced 8th depends essentially on the uniform fusion and expression of the outer surface forming edge contour traces. According to the method of the present invention, it is possible to produce edge marks K1 and Kn, respectively, in the form of contiguous solidified melt strips or weld beads of uniform shape and, in particular, the above-described effects of melt ball formation or largely uncontrolled material evaporation, as used in laser melting processes according to the prior art Technique occur to suppress.

Zur Erläuterung einer bevorzugten Vorgehensweise bei der Bestrahlung des Rohmaterialpulvers 4 zur Erzeugung von Randkonturen K1 oder Kn wird nachstehend auf die 4 und 5 Bezug genommen. 4 zeigt in idealisierter Darstellung eine Sequenz von Momentaufnahmen bei der Bildung eines Streifens bzw. einer Spur K zusammenhängend verfestigten Materials durch selektives Bestrahlen des Rohmaterialpulvers 4 mit einer Vorrichtung, wie sie schematisch in 1 gezeigt ist. 5 zeigt ein Weg(X)-Zeit(t)-Diagramm des Auftreffpunktes 30 des Laserstrahls 16. X bezeichnet den Ort des Auftreffpunkts 30 auf der zu bildenden Spur. In der Situation A gemäß 4 ist der Auftreffpunkt 30 um einen Vorwärtsbewegungsschritt V in Spurbildungsrichtung X bewegt worden. Die Situation A in 4 korrespondiert mit dem Zeitpunkt t1 in 5. In einem in 4 beispielhaft angegebenen Umgebungsbereich U des Auftreffpunktes 30 liegt die Temperatur des Materials 4 oberhalb der Schmelztemperatur, so dass eine Verschmelzung des Pulvermaterials 4 unter Bildung eines weiteren Abschnittes des Streifens K stattfindet. Die Laserleistung wird vorzugsweise so gewählt, dass das Material 4 aufgrund der Strahlungsabsorption in dem Umgebungsbereich U nicht erheblich über die Schmelztemperatur hinaus erhitzt wird. Abdampfeffekte können so weitgehend unterdrückt werden. Zu dem Zeitpunkt t1 in 5 entsprechend der Situation A in 4 befindet sich der Auftreffpunkt 30 des Laserstrahls 16 an einem Umkehrpunkt seiner Bewegung. Der Laserstrahl wird dann so geführt, dass der Auftreffpunkt 30 längs der Spur K einen Rückwärtsschritt R ausführt, wie dies in der Situation B in 4 angedeutet ist. Der Rückwärtsschritt R ist nur halb so groß wie der vorausgegangene Vorwärtsschritt V gemäß Situation A in 4. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass der wiederholt durch Bestrahlung erhitzte Bereich der Spur K eine gleichmäßige Durchschmelzung in sich erfährt und ferner eine gute Verschmelzung der Schmelzspur K mit einer etwaig darunterliegenden, in einem vorherigen Belichtungsschritt erzeugten Schmelzspur stattfindet. Die Situation B in 4 korrespondiert mit dem Zeitpunkt t2 in 5. Der Auftreffpunkt 30 befindet sich somit wieder an einem Umkehrpunkt seiner Bewegung. Ausgehend von diesem Umkehrpunkt wird der Laserstrahl 16 nun in Spurbildungsrichtung X so geführt, dass sein Auftreffpunkt 30 gemäß Situation C in 4 einen Vorwärtsschritt V macht. Die Situation C in 4 korrespondiert mit dem Zeitpunkt t3 in 5. Der Auftreffpunkt 30 des Laserstrahls 16 befindet sich somit wieder an einem Umkehrpunkt seiner Bewegung, von dem aus er wiederum einen Rückwärtsschritt R längs der Schmelzspur K macht, wie dies in der Situation D in 4 angedeutet ist. Der Rückwärtsschritt R ist wiederum nur halb so groß wie der vorausgegangene Vorwärtsschritt V. Ausgehend von der Situation D folgt dann wieder ein Vorwärtsschritt V des Auftreffpunktes 30 in Spurbildungsrichtung X, wie dies in Situation E gezeigt ist. Dem Vorwärtsschritt gemäß Situation E folgt dann zum Zeitpunkt t5 wieder ein halb so großer Rückwärtsbewegungsschritt. Da die Vorwärtsbewegungsschritte V größer sind als die Rückwärtsbewegungsschritte R, kommt es zu einer resultierenden Vorschubbewegung des ”behutsam” aufgeschmolzenen Bereichs U und des Auftreffpunktes 30 in Spurbildungsrichtung X.To explain a preferred procedure for the irradiation of the raw material powder 4 for generating edge contours K1 or Kn will be described below 4 and 5 Referenced. 4 shows in idealized representation a sequence of snapshots in the formation of a strip K of coherently solidified material by selectively irradiating the raw material powder 4 with a device as shown schematically in 1 is shown. 5 shows a path (X) time (t) diagram of the impact point 30 of the laser beam 16 , X denotes the location of the impact point 30 on the track to be formed. In situation A according to 4 is the point of impact 30 has been moved by a forward movement step V in the tracking direction X. The situation A in 4 corresponds to the time t 1 in 5 , In an in 4 exemplified surrounding area U of the impact point 30 is the temperature of the material 4 above the melting temperature, allowing a fusion of the powder material 4 forming a further portion of the strip K takes place. The laser power is preferably chosen so that the material 4 due to the radiation absorption in the surrounding area U is not heated significantly above the melting temperature. Steam exhaust effects can be suppressed as much as possible. At the time t 1 in 5 according to the situation A in 4 is the impact point 30 of the laser beam 16 at a turning point in his movement. The laser beam is then guided so that the impact point 30 along the track K performs a backward step R, as in situation B in FIG 4 is indicated. The backward step R is only half the size of the previous forward step V according to situation A in FIG 4 , By this measure, it is ensured that the repeatedly heated by irradiation region of the track K undergoes a uniform melting in itself and also takes place a good fusion of the melting trace K with a possibly underlying, produced in a previous exposure step melting trace. The situation B in 4 corresponds to the time t 2 in 5 , The impact point 30 is thus again at a reversal point of his movement. Starting from this reversal point, the laser beam 16 now guided in track formation direction X so that its impact point 30 according to situation C in 4 makes a forward step V. The situation C in 4 corresponds to the time t 3 in 5 , The impact point 30 of the laser beam 16 is thus again at a reversal point of its movement, from which it in turn makes a backward step R along the melting trace K, as in situation D in FIG 4 is indicated. The backward step R is in turn only half as large as the preceding forward step V. Starting from the situation D, then again follows a forward step V of the impact point 30 in the tracking direction X, as shown in situation E. The forward step according to situation E is then followed at time t 5 again by half as large a backward movement step. Since the Vorwärtsbewegungsschritte V are greater than the Rückwärtsbewegungsschritte R, there is a resulting advancing movement of the "gently" melted area U and the point of impact 30 in Spurbil direction X.

Es wurde beobachtet, dass gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn man die Laserleistung und die Ablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls bei einem gegebenen Rohmaterial 4 so einstellt, dass die Breite Wb des Schmelzstreifens K mindestens das 1,5-fache des in paralleler Richtung dazu gemessenen Durchmessers Sp des Auftreffpunktes 30 beträgt.It has been observed that good results can be obtained by taking the laser power and the deflection speed of the laser beam at a given raw material 4 set so that the width Wb of the fusion strip K is at least 1.5 times the diameter Sp of the impact point measured in the direction parallel thereto 30 is.

Sehr gute Ergebnisse wurden mit einem 40 Watt-Laser erzielt, dessen Strahl so fokussiert wurde, dass sein Auftreffpunkt 30 auf der Schicht eine Ausdehnung von etwa 150 μm hatte, wobei eine Schmelzspur mit einer Breite Wb von etwa 400 μm erzeugt wurde.Very good results were achieved with a 40 watt laser, whose beam was focused so that its impact point 30 on the layer had an extension of about 150 microns, wherein a melting trace having a width Wb of about 400 microns was generated.

Ebenso gute Ergebnisse wurden mit einem 60 Watt-Laser erreicht, dessen Strahl so fokussiert wurde, dass sein Auftreffpunkt 30 auf der betreffenden Pulverschicht eine Ausdehnung von etwa 200 μm hatte, wobei eine Schmelzspurbreite Wb von etwa 500 μm erzeugt wurde. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Strahlauftreffpunktes 30 während eines Schrittes V bzw. R lag in den Beispielsfällen bei etwa 0,1 bis 0,15 m/s. Es wurde ein IR-Laser mit einer Emissionswellenlänge von 1064 nm verwendet. Das eingesetzte Rohmaterial war Edelstahlpulver mit einer Pulverkörnung von etwa 10 μm–50 μm. Die präparierten Rohmaterialschichten hatten eine Schichtdicke von ca. 50 μm.Equally good results were achieved with a 60 watt laser whose beam was focused so that its impact point 30 had on the relevant powder layer has an extent of about 200 microns, wherein a melting track width Wb of about 500 microns was generated. The speed of movement of the beam impact point 30 during a step V or R was in the example cases at about 0.1 to 0.15 m / s. An IR laser with an emission wavelength of 1064 nm was used. The raw material used was stainless steel powder with a powder grain size of about 10 μm-50 μm. The prepared raw material layers had a layer thickness of about 50 μm.

Bisher wurde davon ausgegangen, dass der Auftreffpunkt 30 des Laserstrahls bei seinen Schritten V und R eine kontinuierliche Bewegung auf der zu bestrahlenden Schicht erfährt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Schritte V und R jedoch in diskrete ”mikroskopische” Teilschritte unterteilt sein können. Bei einem Ausführungsbeispiel einer nach dem Prinzip gemäß 1 funktionierenden Vorrichtung nach der Erfindung wird die Strahlablenkeinrichtung 20 so gesteuert, dass sie bei den Schritten V und R den Laserstrahl in kleinen aufeinander folgenden Teilschritten mit einer Schrittweite von etwa 100 μm (bei einem Spot-Durchmesser Sp von 200 μm) bewegt. Die Verweildauer des Auftreffpunktes 30 nach jedem Schritt beträgt etwa 1 ms. ”Makroskopisch” wirkt diese Art der teilschrittweisen Weiterbewegung des Auftreffpunktes 30 wie eine kontinuierliche Weiterbewegung des Auftreffpunktes 30. Mit den Begriffen Vorwärtsbewegungsschritt V bzw. Rückwärtsbewegungsschritt R sind die jeweiligen Gesamtbewegungsphasen des Strahlauftreffpunktes 30 zwischen zwei Umkehrpunkten gemeint.So far it was assumed that the impact point 30 the laser beam in its steps V and R undergoes a continuous movement on the layer to be irradiated. It should be noted, however, that steps V and R may be subdivided into discrete "microscopic" substeps. In an embodiment of the invention according to the principle 1 functioning device according to the invention, the beam deflecting device 20 controlled so that it moves in steps V and R, the laser beam in small successive steps with a pitch of about 100 microns (at a spot diameter Sp of 200 microns). The residence time of the impact point 30 after each step is about 1 ms. "Macroscopic" affects this type of partial stepwise movement of the impact point 30 like a continuous movement of the impact point 30 , With the terms forward movement step V and Rückwärtsbewegungsschritt R are the respective total movement phases of the beam impact point 30 meant between two reversal points.

Es sei darauf hingewiesen, dass das hier vorgestellte Bestrahlungskonzept nicht nur zur Erzeugung von gleichmäßigen Randkonturen K1 bzw. Kn (vgl. 3) verwendbar ist, sondern mit Vorteilen im Hinblick auf Strukturhomogenität auch bei der Erzeugung von Schmelzspuren Ki, die später im Inneren des zu erstellenden Formkörpers 8 liegen. Der Verlauf der Streifen K bzw. Spuren K kann abweichend von den gezeigten Beispielen Krümmungen etc. aufweisen, je nach der gewünschten Kontur. Die Schmelzspurbreite Wb ist ganz allgemein bevorzugt größer als der Spotdurchmesser Sp. Bei Erzeugung einer Verfestigungsspur, die einer bereits vorhandenen Verfestigungsspur seitlich unmittelbar parallel benachbart liegt, ist es dann nicht erforderlich, dass der Laserstrahl die vorhandene Spur mit Überlapp bestrahlt, um die Spuren miteinander zu verschmelzen. Der Strahlauftreffpunkt kann im Abstand zur vorhandenen Spur bewegt werden, um die neue Spur zu bilden und mit der vorhandenen Spur zu verschmelzen. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer entsprechend programmierten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens hergestellten Formkörper weisen sehr gute Oberflächeneigenschaften auf.It should be pointed out that the radiation concept presented here is not only used to produce uniform edge contours K1 or Kn (cf. 3 ), but with advantages in terms of structural homogeneity even in the production of traces of melting Ki, later in the interior of the molded body to be created 8th lie. The course of the strips K or tracks K may deviate from the examples shown curvatures, etc., depending on the desired contour. In general, the fusion track width Wb is preferably larger than the spot diameter Sp. When generating a solidification track adjacent to an existing solidification track laterally in parallel, it is not necessary for the laser beam to overlap the existing track to overlap the tracks merge. The beam impact point can be moved away from the existing track to form the new track and merge with the existing track. The molded articles produced by the process according to the invention with a correspondingly programmed device for carrying out the process have very good surface properties.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass während des Herstellungsprozesses eines Formkörpers unerwünschte Materialverdampfungseffekte weitgehend unterdrückt werden können. Dies erleichtert die Prozessführung, da kaum Niederschlag von verdampftem Rohmaterial 4 auf optischen und/oder feinmechanischen Komponenten stattfindet.Another advantage of the method is that undesired material evaporation effects can be largely suppressed during the manufacturing process of a molded article. This facilitates the process, since hardly any precipitation of evaporated raw material 4 takes place on optical and / or fine mechanical components.

In 6 ist schematisch und idealisiert ein vergrößert dargestellter Streifen K aktuell umgeschmolzenen Materials gezeigt. Mit eingezeichnet ist die Bewegungslinie B des Strahlauftreffpunktes 30. Im Unterschied zu der Situation nach 4 weist die Bewegungslinie B des Strahlauftreffpunktes in 6 nicht nur eine longitudinale Komponente mit Vorwärtsbewegungsschritten V und Rückwärtsbewegungsschritten R auf, sondern auch eine transversale Komponente T. Durch Änderung der Auslenkung bzw. Größe der Transversalkomponente T kann die Streifenbreite Wb auf einfache Weise variiert werden. In 6 ist nur ein Beispiel einer Bewegungslinie B des Strahlauftreffpunktes gezeigt. Je nach Steuerung der Strahlablenkung können auch andere Bewegungslinienverläufe mit dem Bestrahlungskonzept nach der Erfindung realisiert werden. Die Bewegungslinien können z. B. die Form von verzerrten (oder intermittierend vorbewegten unverzerrten), in Streifenbildungsrichtung wandernden Lissajousschen Figuren mit einander überlagerten longitudinalen und transversalen Bewegungskomponenten haben. Die Bezeichnung longitudinal bedeutet hier längs der Streifenbildungsrichtung X, also in Streifenlängsrichtung verlaufend. Die Bezeichnung transversal bedeutet hier quer zur Streifenlängsrichtung X verlaufend. In den 4 und 6 sind die Streifen K und dementsprechend die Streifenlängsrichtung X der Einfachheit halber geradlinig gezeichnet worden. Selbstverständlich können betreffende Streifen K bedarfsweise auch einen gekrümmten Verlauf haben. Die Streifenbildungsrichtung X folgt dann einem entsprechenden Krümmungsverlauf.In 6 Fig. 3 is a schematic and idealized illustration of an enlarged strip K of currently remelted material. The movement line B of the beam impingement point is also marked 30 , Unlike the situation after 4 indicates the movement line B of the beam impingement point 6 not only a longitudinal component with forward movement steps V and rearward movement steps R on, but also a transverse component T. By changing the displacement or magnitude of the transverse component T, the stripe width Wb can be easily varied. In 6 only one example of a movement line B of the beam impact point is shown. Depending on the control of the beam deflection, other lines of motion can be realized with the irradiation concept according to the invention. The movement lines can z. B. have the form of distorted (or intermittently advanced undistorted), migrating in banding direction Lissajousschen figures with superimposed longitudinal and transverse motion components. The term longitudinal means here along the banding direction X, ie extending in the strip longitudinal direction. The term transversal here means transverse to the strip longitudinal direction X running. In the 4 and 6 the strips K and, accordingly, the strip longitudinal direction X have been drawn in a straight line for the sake of simplicity. Of course, strips K in question may also have a curved course if required. The banding direction X then follows a corresponding curve course.

7 zeigt in einer Darstellung ähnlich der der 6 ein Beispiel für die Bewegungslinie B des Strahlauftreffpunktes 30, wenn dieser bei den Rückwärtsbewegungen springt (also der Strahl während solcher „makroskopischer” Sprünge r ausgeschaltet bzw. abgeblendet ist). 7 shows in a representation similar to that of 6 an example of the movement line B of the beam impact point 30 if it jumps during the backward movements (ie the beam is switched off or dimmed during such "macroscopic" jumps r).

Es werden unter einem Aspekt der Erfindung zusammenfassend ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers nach der Methode des selektiven Laserschmelzens vorgestellt, bei dem man ein Rohmaterialpulver in aufeinander folgend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers zu zusammenhängenden Bereichen verschmelzt, wobei man zur Bildung eines Randabschnittsstreifens des Formkörpers in einer betreffenden Schicht eine spurweise Bestrahlung entsprechend der Kontur des Randabschnitts durchführt, wobei man den Strahl relativ zu der Schicht so führt, dass sein Auftreffpunkt auf der Schicht die Randkontur in longitudinaler Streifenbildungsrichtung zumindest abschnittsweise wiederholt überstreicht.It In one aspect of the invention, a method is summarized and an apparatus for producing a shaped article according to the method of Selective laser melting, which involves a raw material powder prepared in succession Layers by irradiation with a laser beam according to a the respective layer associated cross-sectional pattern of the shaped body related Areas merges, leading to the formation of a marginal strip of the molding in a respective layer a track-wise irradiation accordingly performs the contour of the edge portion, wherein the beam relative So leads to the layer that its point of impact on the layer is the edge contour in longitudinal Striping direction at least partially repeatedly sweeps.

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (8), bei dem man ein pulverförmiges Rohmaterial (4) in aufeinander folgend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit wenigstens einem Strahl entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers (8) zu zusammenhängenden Bereichen durch Verschmelzen verfestigt, wobei man zur Bildung eines Streifens (K) zusammenhängend verfestigten Materials des Formkörpers in einer betreffenden Schicht den Auftreffpunkt des Strahles auf der Schicht längs einer jeweiligen longitudinalen Streifenbildungsspur bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass man bei der Streifenbildung den Strahl (16) relativ zu der Schicht so führt, dass sein Auftreffpunkt (30) auf der Schicht in longitudinaler Streifenbildungsrichtung (X) oszillierend vor- und zurückläuft oder vorläuft und zurückspringt oder vorspringt und zurückläuft und einen resultierenden Vorschub in Streifenbildungsrichtung (X) erfährt, wobei er Stellen innerhalb der jeweiligen Streifenbildungsspur auf der betreffenden Schicht wiederholt überstreicht.Process for producing a shaped article ( 8th ), in which a powdery raw material ( 4 ) in successively prepared layers by irradiation with at least one beam corresponding to a respective cross-sectional pattern of the shaped body ( 8th solidified into contiguous regions by fusion, wherein to form a strip (K) of contiguous solidified material of the shaped article in a respective layer, the point of impingement of the beam on the layer is moved along a respective longitudinal banding trace, characterized in that the beam is formed in the banding ( 16 ) relative to the layer so that its impact point ( 30 ) oscillates back and forth on the layer in the longitudinal streaking direction (X), and recoils or protrudes and travels backward and undergoes a resultant advancement in the streaking direction (X), repeatedly repeating locations within the respective streaking track on the respective layer. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (16) gesteuert ablenkbar ist.Method according to claim 1, characterized in that the jet ( 16 ) controlled distractable. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (16) ein Laserstrahl ist.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the beam ( 16 ) is a laser beam. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Streifen (K) ein Randabschnitt (K1) des Formkörpers (8) in der betreffenden Schicht ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the strip (K) has an edge portion (K1) of the shaped body ( 8th ) in the relevant layer. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man bei der Streifenbildung den Strahl (16) so führt, dass der Auftreffpunkt (30) bei den jeweiligen Rückwärtsbewegungsschritten (R) wenigstens die halbe Strecke der unmittelbar vorausgegangenen Vorwärtsbewegungsschritte (V) zurücklegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the band formation the beam ( 16 ) so that the impact point ( 30 ) at the respective backward movement steps (R) at least half the distance of the immediately preceding Vorwärtsbewegungsschritte (V) covers. Verfahren nach nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Schicht bei den Rückwärtsbewegungsschritten (R) des Strahlauftreffpunktes (30) mit anderer Strahlungsenergie pro Zeiteinheit und Flächeneinheit bestrahlt als bei den Vorwärtsbewegungsschritten (V).Method according to one of the preceding claims, characterized in that the layer in the Rückwärtsbewegungsschritten (R) of the Strahlauftreffpunktes ( 30 ) are irradiated with different radiant energy per unit time and unit area than in the advancing steps (V). Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man bei den Rückwärtsbewegungsschritten eine andere Bewegungsgeschwindigkeit des Auftreffpunktes (30) wählt als bei den Vorwärtsbewegungsschritten (V).A method according to claim 6, characterized in that in the Rückwärtsbewegungsschritten another movement speed of the impact point ( 30 ) selects as in the advancing steps (V). Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–7, umfassend eine Trägervorrichtung (2) für den zu erstellenden Formkörper (8), Mittel zur Präparierung einer jeweiligen, nächstfolgend zumindest bereichsweise zu verfestigenden Rohmaterial-Pulverschicht auf der Trägervorrichtung (2) oder auf einer vorausgehend präparierten und bestrahlten Schicht, eine Strahlungsquelle (18) zur Bereitstellung eines gebündelten Strahls (16) zur Verschmelzung des Rohmaterials in einer betreffenden Schicht, eine Strahlablenkeinrichtung (20) zur gesteuerten Ablenkung des Strahls (16) und eine programmierbare Steuereinrichtung (10) zur Steuerung der Strahlablenkeinrichtung (20), wobei die Steuereinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, die Strahlablenkeinrichtung (20) auf der Basis von Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers (8) zwecks Bildung eines Streifens (K) zusammenhängend verfestigten Materials des Formkörpers (8) in einer betreffenden Schicht so zu steuern, dass der Auftreffpunkt (30) des gesteuert abgelenkten Strahls (16) auf der Schicht in longitudinaler Streifenbildungsrichtung (X) oszillierend vor- und zurückläuft oder vorläuft und zurückspringt oder vorspringt und zurückläuft und dabei einen resultierenden Vorschub in Streifenbildungsrichtung (X) erfährt, sowie Stellen innerhalb der jeweiligen Streifenbildungsspur auf der betreffenden Schicht wiederholt überstreicht.Apparatus for carrying out the method according to one of claims 1-7, comprising a carrier device ( 2 ) for the shaped body to be produced ( 8th ), Means for preparing a respective, next at least partially solidified, raw material powder layer on the carrier device ( 2 ) or on a previously prepared and irradiated layer, a radiation source ( 18 ) for providing a collimated beam ( 16 ) for fusing the raw material in a respective layer, a beam deflector ( 20 ) for the controlled deflection of the jet ( 16 ) and a programmable controller ( 10 ) for controlling the beam deflecting device ( 20 ), wherein the control device ( 10 ) is adapted to the beam deflection device ( 20 ) based on geometry description data of the molded article ( 8th ) in order to form a strip (K) of coherently solidified material of the shaped article ( 8th ) in a relevant layer so that the impact point ( 30 ) of the controlled deflected beam ( 16 ) oscillates back and forth on the layer in the longitudinal streaking direction (X), and recoils or protrudes and travels, thereby experiencing a resultant advancement in the streaking direction (X), and repeatedly sweeps over locations within the respective streaking track on the respective layer. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (18) eine Laser-Strahlungsquelle ist.Apparatus according to claim 8, characterized ge indicates that the radiation source ( 18 ) is a laser radiation source. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Streifen (K) ein Randabschnitt (K1) des Formkörpers (8) in der betreffenden Schicht ist.Device according to one of claims 8 or 9, characterized in that the strip (K) has an edge portion (K1) of the shaped body ( 8th ) in the relevant layer.
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