DE10050280A1

DE10050280A1 - Verfahren zum selektiven Lasersintern

Info

Publication number: DE10050280A1
Application number: DE10050280A
Authority: DE
Inventors: Karsten Manetsberger; Juergen Steinberger
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2002-04-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Lasersintern, wobei man einen pulverförmigen, in aufeinanderfolgenden Schichten aufgeschütteten Werkstoff mittels Laserstrahlung schichtweise verfestigt und wobei man DOLLAR A a) eine gewünschte Eindringtiefe der Laserstrahlung in dem pulverförmigen Werkstoff vorgibt, b) irgendeine Korngrößenverteilung des pulverförmigen Werkstoffes annimt, c) die Eindringtiefe der Laserstrahlung in einer Schüttung aus diesem Werkstoff durch Streutheorie und Monte-Carlo-Simulation ermittelt, d) die angenommene Korngrößenverteilung auf irgendeine Weise verändert, e) die Verfahrensschritte c) und d) wiederholt, bis sich die gewünschte Eindringtiefe ergibt, und f) das selektive Lasersintern an einem Werkstoff durchführt, dessen Korngrößenverteilung die gewünschte Eindringtiefe liefert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Lasersintern, bei dem man einen pulverförmigen, in aufeinanderfolgenden Schichten aufgeschütteten Werkstoff mittels Laserstrahlung schichtweise verfestigt.

Selektives Lasersintern (SLS, Selective Laser Sintering) ist ein Rapid-Prototyping- Verfahren, bei dem eine absenkbare Plattform eine Pulverschicht trägt, die durch einen Laserstrahl in ausgewählten Bereichen erhitzt wird, so dass die Pulverpartikel zu einer ersten Schicht verschmelzen. Anschließend wird die Plattform um etwa 50 bis 100 µm (je nach Partikelgröße und -art) nach unten gesenkt und eine neue Pulverschicht aufgebracht. Der Laserstrahl zeichnet wieder seine Bahn und verschmilzt die Pulverpar tikel der zweiten Schicht miteinander sowie die zweite mit der ersten Schicht. Auf diese Weise entsteht nach und nach ein Bauteil, zum Beispiel eine Spritzgussform.

Die Energie der Laserstrahlung sollte so gewählt werden, dass die aufgeschüttete Pulverschicht in dem zu sinternden Bereich bis zu ihrem Grund möglichst gleichmäßig durchstrahlt und erhitzt wird.

Zu diesem Zweck sollte die Eindringtiefe, die als die Tiefe definiert ist, in der die Strahlungsenergie der einfallenden Laserstrahlung exponentiell auf einen Bruchteil 1/e abgenommen hat, im Bereich der Dicke der Pulverschicht liegen. Bei zu geringer Ein dringtiefe besteht die Gefahr von Schichtablösungen sowie von Bauteilverzug aufgrund eines inhomogenen Temperaturprofils in der Pulverschicht. Außerdem tritt bei geringen Eindringtiefen Querstreuung auf, oder anders ausgedrückt eine erhöhte Streuung, sowohl in Quer- als auch in Strahlrichtung, wie sie bei kleineren Partikelradien stattfindet, vermindert die Eindringtiefe. Das Problem bei sehr hohen Eindringtiefen ist, daß dabei entsprechend wenig Energie bei einer bestimmten Tiefe ins Pulver abgegeben wird, so daß das Pulver evtl. nicht zum Sintern gebracht werden kann.

Es hat sich gezeigt, dass die Eindringtiefe der Laserstrahlung nicht nur von der einge strahlten Energie abhängt, sondern in hohem Maße auch von der Verteilung der Korn größen der verwendeten Pulversorten (ein Pulver für selektives Lasersintern enthält normalerweise verschieden große Partikel, deren Größe herstellungsbedingt um einen Mittelwert herum verteilt ist, aber auch auf irgendeine andere Weise verteilt sein kann). Kleine Partikel sind günstig, um eine hohe Oberflächengüte zu erzielen, jedoch wird die Eindringtiefe um so geringer, je kleiner die Partikel sind bzw. je größer der Anteil kleiner Partikel in einer Pulversorte ist, so dass sich die Partikel in der Tiefe nicht mehr verbinden.

Somit hängt die Eindringtiefe von einer Vielzahl von Parametern ab, weshalb man weder durch zufällige Wahl der Korngrößenverteilung noch durch empirische Vorgehensweise die Korngrößenverteilung ermitteln kann, die für den jeweiligen Prozess am besten geeignet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum selektiven Lasersintern zu schaffen, bei welchem die aufgeschüttete Pulverschicht in dem zu sinternden Bereich bis zu ihrem Grund möglichst gleichmäßig durchstrahlt und erhitzt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung werden die Vielzahl von Parametern, welche die Korngrößen verteilung bestimmen, nicht in zeitraubenden Versuchen, sondern rechnerisch variiert, bis sich die günstigste Korngrößenverteilung ergibt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass man die optimale Korngrößenverteilung in akzeptabler Rechenzeit mittels eines Computers ermitteln kann, wenn man die Eindringtiefe der Laserstrahlung in der Schüttung durch eine Streutheorie und durch Monte-Carlo-Simulation ermittelt, vorzugsweise auf die im Anspruch 2 angegebene Weise.

Das erfindungsgemäß durchgeführte selektive Lasersintern vermindert Bauteilverzug, da das Temperaturprofil in der gerade gesinterten Pulverschicht gleichmäßiger ist. Pulver anbackungen an den Bauteilrändern werden vermieden, wodurch die Bauteilgenauigkeit erhöht wird. Außerdem kommt es nicht zu Schichtablösungen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Flussdiagramm einer Streusimulation zur Berechnung der Eindringtiefe, und

Fig. 2 eine Skizze zur näheren Erläuterung des Prozesses von Fig. 1.

Mit der nachfolgend beschriebenen Streusimulation, die man an einem Computer durch führt, kann der Einfluß der Korngrößenverteilung des pulverförmigen Werkstoffes beim selektiven Lasersintern simuliert werden.

In einem Verfahrensschritt S1 in Fig. 1 nimmt man ein Modellphoton aus der verwendeten Laserstrahlung und lässt es auf ein Partikel treffen (S2), das man als kugelförmig annimmt und dessen Durchmesser man nach der bekannten Monte-Carlo- Methode zufällig anhand einer vorgegebenen Korngrößenverteilung ermittelt (S3). In einem Verfahrensschritt S4 berechnet man nach der Mie-Theorie mit Hilfe der bekannten optischen Eigenschaften des Partikelmaterials die Absorption und die Verteilung der Streuintensität des Modellphotons an dem Partikel mit dem zufällig gewählten Durchmesser.

Anschließend prüft man, ob das Modellphoton vollständig absorbiert wird oder nicht (S5). Falls ja, hält man fest, in welcher Tiefe das Photon absorbiert wurde (S6), und führt die Simulation mit einem neuen Photon durch. Falls das Modellphoton nicht vollständig absorbiert wurde, ermittelt man anhand der Streuverteilung nach der Monte- Carlo-Methode zufällig eine Streurichtung (S7).

Danach ermittelt man anhand des Feststoffgehaltes und der Korngrößenverteilung des pulverförmigen Werkstoffes nach der Monte-Carlo-Methode zufällig eine freie Weglänge (S8), über die sich das Modellphoton geradlinig fortpflanzt (S9), bevor es wieder auf ein Partikel trifft. An dieser Stelle kehrt das Verfahren zum Verfahrensschritt S2 zurück, das heißt, man macht mit einem Partikel weiter, dessen Durchmesser wieder zufällig bestimmt wird, und so weiter. Die Simulation endet, wenn geeignet gewählte Abbruchkriterien erfüllt sind. Ein geeignetes Abbruchkriterium, das man z. B. zwischen den Verfahrensschritten S7 und S8 anwenden kann, ist zum Beispiel, dass von vielen Photonen, die man auf die Pulverschicht treffen gelassen hat, nur ein kleiner Bruchteil oder weniger eine bestimmte Tiefe erreichen. Das heißt, die Restenergie der Laserstrahlung unterhalb einer gewissen Tiefe wird vernachlässigt.

Einzelheiten zur Berechnung von Absorption bzw. Streuverteilung von Photonen an kleinen Partikeln findet man z. B. in dem folgenden Dokument:

- Mie, G., Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen, Annalen der Physik, 4, 25, S. 377-425, 1908;

und zum Strahlungstransport in:

- Chandrasekhar, S., Radiative Transfer, Dover, Books on Advanced Mathematics, New York, 1960;

Die Tiefe, in der ein Bruchteil 1/e von vielen Photonen, mit denen man die Simulation durchgeführt hat, noch nicht absorbiert ist, ist die Eindringtiefe der Laserstrahlung in den pulverförmigen Werkstoff.

Fig. 2 zeigt schematisch, wie die zufällige Bestimmung der Absorption bzw. Streurichtung der Modellphotonen ablaufen. Wenn ein Modellphoton entlang einer geraden Linie 1 auf ein kugelförmiges Partikel 2 trifft, bildet das Partikel 2 ein Streuzentrum mit einer Streuverteilung oder Streucharakteristik 3 nach Mie, die um das Partikel 2 herum eingezeichnet ist. Nachdem man unter Berücksichtigung der Streuintensität unter den möglichen Streurichtungen zufällig eine ausgewählt hat, pflanzt sich das Modellphoton in dieser Richtung entlang einer geraden Linie 4 fort, bis es auf ein weiteres Partikel 5 trifft, von dem es wieder gestreut wird und sich entlang einer geraden Linie 6 fortpflanzt, bis es auf ein weiteres Partikel 7 trifft, und so weiter.

Die mit jedem Streuvorgang abnehmende Wahrscheinlichkeit, dass das Modellphoton gestreut wird, ist in Fig. 2 durch kleiner werdende Linienstärke der Zickzacklinie 1, 4, 6, 8 dargestellt, der das Modellphoton in dem dargestellten Fall folgt. Wenn man die Simulation nach Fig. 2 viele Male durchführt, liefert die Wahrscheinlichkeit, ein Photon unterhalb einer bestimmten Tiefe anzutreffen, die Restintensität der Laserstrahlung in dieser Tiefe.

Zusammengefasst werden in Fig. 1 und 2 die Streuintensitäten, die sich aus der Streu theorie an kugelförmigen Einzelpartikeln nach Mie ergeben, statistisch mit Hilfe der Monte-Carlo-Methode auf die gesamte Pulverschüttung übertragen. Die Beschreibung der Pulverschüttung erfolgt ebenfalls statistisch mit der Monte-Carlo-Methode. Die Streuintensitäten an den Einzelpartikeln werden näherungsweise skalar in jede Ausbreitungsrichtung addiert. Als Ergebnis erhält man die Energiedeponierung in der jeweiligen Tiefe des Pulverbettes in Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften und der Korngrößenverteilung des betrachteten Pulvers.

Die Simulation von Fig. 1 und 2 wird nun viele Male durchgeführt, wobei man jedesmal die angenommene Korngrößenverteilung variiert. Indem man dies auf einem Rechner durchführt, kann man zahlreiche Varianten durchrechnen, so dass man zuverlässig eine nahezu optimale Korngrößenverteilung erhält, mit der die gewünschte Eindringtiefe erreicht wird. Die optimale Eindringtiefe, die einen Verbund der Einzelschichten gewähr leistet, kann man aus leicht gewinnbaren Erfahrungswerten auswählen.

Hat man die optimale Korngrößenverteilung ermittelt, so kann man die für den jeweiligen Anwendungsfall passende Pulvermischung aus verschiedenen Pulversorten zusammen mischen, die man zu diesem Zweck vorrätig halten kann, und damit das Lasersintern durchführen.

Claims

1. Verfahren zum selektiven Lasersintern, bei dem man einen pulverförmigen, in aufeinanderfolgenden Schichten aufgeschütteten Werkstoff mittels Laserstrahlung schichtweise verfestigt, dadurch gekennzeichnet, dass man

a) eine gewünschte Eindringtiefe der Laserstrahlung in dem pulverförmigen Werkstoff vorgibt,
b) irgendeine Korngrößenverteilung des pulverförmigen Werkstoffes annimmt,
c) die Eindringtiefe der Laserstrahlung in einer Schüttung aus diesem Werkstoff durch Streutheorie und Monte-Carlo-Simulation ermittelt,
d) die angenommene Korngrößenverteilung auf irgendeine Weise verändert,
e) die Verfahrensschritte c) und d) wiederholt, bis sich die gewünschte Eindringtiefe ergibt, und
f) das selektive Lasersintern an einem Werkstoff durchführt, dessen Korngrößen verteilung die gewünschte Eindringtiefe liefert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Eindringtiefe der Laserstrahlung dadurch ermittelt, dass man

1. auf Basis der angenommenen Korngrößenverteilung nach dem Zufallsprinzip einen Partikeldurchmesser auswählt,
2. in Übereinstimmung mit der Streutheorie nach Mie die Absorption und die Streuverteilung für Laserstrahlung berechnet, die auf ein Partikel mit dem zufällig ausgewählten Partikeldurchmesser trifft,
3. auf Basis der berechneten Streuverteilung nach dem Zufallsprinzip eine Streu richtung auswählt,
4. auf Basis der Korngrößenverteilung und des Feststoffgehaltes eines pulverförmigen Werkstoffes mit dieser Korngrößenverteilung nach dem Zufallsprinzip eine freie Weglänge in Richtung der eingestrahlten Laserstrahlung auswählt, und
5. die Verfahrensschritte c 1) bis c4) jeweils mit dem nicht absorbierten Teil der Laserstrahlung wiederholt, bis sich ergibt, dass die Laserstrahlung im wesentlichen in der Schüttung absorbiert ist.