DE10050280A1 - Process for selective laser sintering used as a rapid prototyping process comprises determining the desired depth of laser radiation in a powdered material, increasing the grain - Google Patents
Process for selective laser sintering used as a rapid prototyping process comprises determining the desired depth of laser radiation in a powdered material, increasing the grainInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Lasersintern, bei dem man einen pulverförmigen, in aufeinanderfolgenden Schichten aufgeschütteten Werkstoff mittels Laserstrahlung schichtweise verfestigt.The invention relates to a method for selective laser sintering, in which one powdery material, piled up in successive layers Laser radiation solidified in layers.
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.Selective Laser Sintering (SLS) is a rapid prototyping Process in which a lowerable platform carries a layer of powder that is carried by a Laser beam is heated in selected areas so that the powder particles become one merge first layer. Then the platform is reduced by about 50 to 100 µm (depending on particle size and type) lowered and a new powder layer applied. The laser beam draws its path again and melts the powder par Particles of the second layer with each other and the second with the first layer. To this A component is gradually created, for example an injection mold.
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.The energy of the laser radiation should be chosen so that the deposited one Powder layer in the area to be sintered down to its base as evenly as possible is irradiated and heated.
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. For this purpose, the depth of penetration, which is defined as the depth at which the radiation energy of the incident laser radiation has decreased exponentially to a fraction 1 / e, should be in the region of the thickness of the powder layer. If the penetration depth is too low, there is a risk of delamination and warping due to an inhomogeneous temperature profile in the powder layer. In addition, transverse scatter occurs at low penetration depths, or in other words, increased scatter, both in the transverse and in the beam direction, as occurs with smaller particle radii, reduces the penetration depth. The problem with very high penetration depths is that correspondingly little energy is released into the powder at a certain depth, so that the powder may not be able to be sintered.
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.It has been shown that the penetration depth of the laser radiation does not only depend on the radiated energy depends, but also to a large extent on the distribution of the grain sizes of the types of powder used (contains a powder for selective laser sintering normally different sized particles, the size of which is due to the manufacturing process Mean is distributed around, but can also be distributed in any other way). Small particles are cheap to achieve a high surface quality, but the The smaller the particles or the larger the proportion, the smaller the depth of penetration There is particle in a powder type so that the particles are no longer deep connect.
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.So the penetration depth depends on a variety of parameters, which is why neither by random selection of the grain size distribution or by empirical procedure can determine the grain size distribution that best for the respective process suitable is.
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.The invention has for its object to a method for selective laser sintering create, in which the heaped powder layer in the area to be sintered is radiated and heated as evenly as possible to the bottom.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This task is performed in a generic method by the characterizing Features of claim 1 solved.
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.According to the invention, the multitude of parameters which determine the grain sizes determine distribution, not in time-consuming experiments, but vary mathematically, until the most favorable grain size distribution results. The invention is based on the knowledge based on the fact that the optimal grain size distribution can be achieved in acceptable computing time using a computer can determine if the penetration depth of the laser radiation determined in the bed by a scattering theory and by Monte Carlo simulation, preferably in the manner specified in claim 2.
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.The selective laser sintering carried out according to the invention reduces component distortion since the temperature profile in the sintered powder layer is more uniform. powder Caking on the component edges is avoided, which improves component accuracy is increased. In addition, there are no delamination.
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:Further features and advantages of the invention will appear from the following Description of an embodiment and from the drawing to which reference is taken. In it show:
Fig. 1 ein Flussdiagramm einer Streusimulation zur Berechnung der Eindringtiefe, und Fig. 1 is a flowchart of a scattering simulation for calculating the depth of penetration, and
Fig. 2 eine Skizze zur näheren Erläuterung des Prozesses von Fig. 1. FIG. 2 shows a sketch for a more detailed explanation of the process from 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.With the scattering simulation described below, which you can do on a computer leads, the influence of the grain size distribution of the powdery material at selective laser sintering can be simulated.
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.In a method step S1 in FIG. 1, a model photon is taken from the laser radiation used and it is struck by a particle (S2) which is assumed to be spherical and whose diameter is determined randomly using the known Monte Carlo method on the basis of a predetermined grain size distribution (S3). In a process step S4, according to Mie theory, the absorption and the distribution of the scattering intensity of the model photon on the particle with the randomly selected diameter are calculated using the known optical properties of the particle material.
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).Then you check whether the model photon is completely absorbed or not (S5). If so, record the depth at which the photon was absorbed (S6), and carries out the simulation with a new photon. If the model photon is not was completely absorbed, is determined using the scatter distribution after the assembly Carlo method randomly a scattering direction (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.Then you determine on the basis of the solids content and the grain size distribution of the powdery material by the Monte Carlo method happens to have a free path (S8), over which the model photon propagates in a straight line (S9) before it turns on Particle hits. At this point, the method returns to method step S2, the This means that you continue with a particle whose diameter is random again is determined, and so on. The simulation ends when chosen appropriately Termination criteria are met. A suitable termination criterion that z. B. between Steps S7 and S8 can apply, for example, that of many Photons that have been hit on the powder layer are only a small fraction or less reach a certain depth. That is, the residual energy of the Laser radiation below a certain depth is neglected.
Einzelheiten zur Berechnung von Absorption bzw. Streuverteilung von Photonen an
kleinen Partikeln findet man z. B. in dem folgenden Dokument:
Details on the calculation of absorption or scattering distribution of photons on small particles can be found e.g. B. in the following document:
- - Mie, G., Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen, Annalen der Physik, 4, 25, S. 377-425, 1908;- Mie, G., contributions to the optics of cloudy media, especially colloidal metal solutions, annals der Physik, 4, 25, pp. 377-425, 1908;
und zum Strahlungstransport in:and for radiation transport in:
- - Chandrasekhar, S., Radiative Transfer, Dover, Books on Advanced Mathematics, New York, 1960;- 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.The depth at which a fraction 1 / e of many photons that can be used for simulation has not yet been absorbed, the penetration depth of the laser radiation is in the powdery material.
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. Fig. 2 shows schematically how the random determination of the absorption or scattering direction run the model photons. When a model photon strikes a spherical particle 2 along a straight line 1 , the particle 2 forms a scattering center with a scattering distribution or scattering characteristic 3 according to Mie, which is drawn in around the particle 2 . After one has randomly selected one of the possible scattering directions, taking into account the scattering intensity, the model photon propagates in this direction along a straight line 4 until it encounters another particle 5 , from which it is scattered again and along a straight line 6 propagates until it hits another particle 7 , and so on.
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.The decreasing probability with each scattering process that the model photon is scattered is shown in FIG. 2 by the decreasing line width of the zigzag line 1 , 4 , 6 , 8 , which the model photon follows in the case shown. If the simulation according to FIG. 2 is carried out many times, the probability of encountering a photon below a certain depth provides the residual intensity of the laser radiation at this depth.
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.In summary, 1 and 2, the scattering intensities, the theory from the scattering will result at spherical individual particles according to Mie, statistically using the Monte Carlo method to the entire powder charge transfer in Fig.. The powder spill is also statistically described using the Monte Carlo method. The scattering intensities on the individual particles are added approximately scalarly in each direction of propagation. The result is the energy deposition in the respective depth of the powder bed as a function of the optical properties and the grain size distribution of the powder in question.
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.The simulation of FIGS. 1 and 2 is now carried out many times, each time varying the assumed grain size distribution. By doing this on a computer, you can calculate numerous variants so that you can reliably obtain an almost optimal grain size distribution with which the desired depth of penetration is achieved. The optimal depth of penetration, which is guaranteed by a combination of the individual layers, can be selected from easily gained empirical values.
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.Once you have determined the optimal grain size distribution, you can do that for the Suitable powder mixture from different powder types for each application mix together that can be kept in stock for this purpose, and so that Carry out laser sintering.
Claims (2)
- 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.
- a) specifies a desired penetration depth of the laser radiation in the powdery material,
- b) assumes any grain size distribution of the powdery material,
- c) the penetration depth of the laser radiation in a bed of this material is determined by scattering theory and Monte Carlo simulation,
- d) changes the assumed grain size distribution in any way,
- e) repeating steps c) and d) until the desired depth of penetration is obtained, and
- f) performs the selective laser sintering on a material whose grain size distribution provides the desired depth of penetration.
- 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.
- 1. randomly selects a particle diameter based on the assumed grain size distribution,
- 2. in accordance with the Mie scattering theory, calculates the absorption and the scatter distribution for laser radiation that impinges on a particle with the randomly selected particle diameter,
- 3. randomly selects a scattering direction based on the calculated scatter distribution,
- 4. on the basis of the grain size distribution and the solids content of a powdery material with this grain size distribution randomly selects a free path in the direction of the incident laser radiation, and
- 5. Repeat the process steps c 1) to c4) with the non-absorbed part of the laser radiation until it is found that the laser radiation is essentially absorbed in the bed.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
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