DE10165115B3 - Method and device for producing a shaped body - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach der Methode der Stereolithographie oder einer anderen schnellen Prototypen-Herstellungsmethode, bei der man ein flüssiges oder pulvriges Rohmaterial (4) in aufeinander folgend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit wenigstens einem gesteuert ablenkbaren Strahl (16) entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers (8) zu zusammenhängenden Bereichen verfestigt oder verschmelzt, wobei man zur streifenweisen Bildung zusammenhängend verfestigter Bereiche des Formkörper-Querschnittsmusters in einer betreffenden Schicht den Strahl (16) in der Weise relativ zur Schicht bewegt, dass der Auftreffpunkt des Strahls (16) auf der Schicht relativ zu dieser eine erste Bewegungskomponente in der jeweiligen Streifenlängsrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (16) ferner in der Weise relativ zur Schicht bewegt wird, dass der Auftreffpunkt des Strahls (16) auf der Schicht relativ zu dieser eine der ersten Bewegungskomponente überlagerte, oszillierende Bewegungskomponente quer zur Streifenlängsrichtung aufweist.A process for producing a shaped article by the method of stereolithography or another rapid prototyping method, comprising the step of obtaining a liquid or powdery raw material (4) in successively prepared layers by irradiating at least one controllably deflectable jet (16) corresponding to one of the respective layers associated striated areas solidified or fused, wherein for stripe coherent solidified regions of the shaped body cross-sectional pattern in a respective layer in the relevant layer moves the beam (16) in such a way relative to the layer that the point of impingement of the beam (16 ) has on the layer relative thereto a first component of motion in the respective strip longitudinal direction, characterized in that the beam (16) is further moved in relation to the layer such that the point of impact of the beam (16) on the layer relative to d it has one of the first component of motion superimposed, oscillating motion component transverse to the strip longitudinal direction.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers oder Gegenstandes nach der Methode der Stereolithographie, des selektiven Pulverschmelzens oder einer anderen Prototypen-Herstellungsmethode, bei der man ein flüssiges oder pulverförmiges Rohmaterial in aufeinander folgend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit wenigstens einem, insbesondere gesteuert ablenkbaren Strahl, vorzugsweise Laserstrahl, entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers zu zusammenhängenden Bereichen verfestigt bzw. verschmelzt.The invention relates to a method for the production of a molded article or article by the method of stereolithography, selective powder melting or other prototyping method, in which a liquid or powdery raw material in successively prepared layers by irradiation with at least one, in particular controlled deflectable beam , Preferably laser beam, solidified or merged according to one of the respective layer associated cross-sectional pattern of the molding to coherent areas.

Unter den Begriffen Stereolithographie, selektives Pulverschmelzen, selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern u. dgl., sind in jüngerer Zeit leistungsfähige Methoden zur Herstellung von Formkörpern auch komplizierter Geometrien 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 flüssigen Rohmaterial 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. 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 Querschnitts-Schichten des Formkörpers aneinander haften.Under the terms stereolithography, selective powder melting, selective laser melting, selective laser sintering, and the like. Like., More recently, powerful methods for the production of moldings, including complicated geometries have become known, these methods are often based on the following principle summarized under the term "rapid prototyping" or "rapid tooling" or "rapid manufacturing": The molding , that is, any object to be manufactured, is built up layer by layer from a first liquid raw material or fine powdery raw material according to CAD data or geometric description data derived therefrom by solidifying the raw material by selective irradiation according to a cross sectional pattern of the molded article associated with the respective layer or merged. 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. 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 adhere to one another.

Im Falle der üblichen stereolithographischen Verfahren, wie sie beispielsweise in DE 41 34 265 A1 oder DE 44 08 754 A1 beschrieben sind, handelt es sich bei dem Rohmaterial um ein flüssiges Harz bzw. einen flüssigen Kunststoff (Photopolymer), welcher durch Bestrahlen mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise UV-Licht, verfestigbar ist. Gegebenenfalls können auch durch Teilchenbestrahlung aushärtbare Fluide als Rohmaterialien in stereolithographischen Prozessen herangezogen werden. Gemäß einer verbreiteten Stereolithographie-Variante wird der gewünschte Formkörper aus einem Bad des Rohmaterials gefertigt, und zwar auf einer Plattform, die Schicht für Schicht weiter in das Rohmaterialbad eingetaucht werden kann, um eine jeweilige zuletzt verfestigte Schicht unter die Flüssigkeitsoberfläche zu bringen, so dass sich eine neue Rohmaterialschicht darauf bilden kann, die dann in der oben angesprochenen Weise zu belichten ist. Die Flüssigkeitsoberfläche bleibt dabei im Wesentlichen auf einem konstanten Pegel, so dass der Abstand zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und der Strahlungsquelle bzw. einer entsprechenden Strahlablenkeinrichtung im Wesentlichen konstant bleibt.In the case of the usual stereolithographic methods, such as in DE 41 34 265 A1 or DE 44 08 754 A1 are described, it is in the raw material to a liquid resin or a liquid plastic (photopolymer), which is solidifiable by irradiation with electromagnetic radiation, such as UV light. Optionally, fluids curable by particle irradiation may also be used as raw materials in stereolithographic processes. According to a popular stereolithography variant, the desired molded article is made from a bath of the raw material, on a platform that can be further submerged layer by layer in the raw material bath to bring a respective final solidified layer under the liquid surface so that a new raw material layer can form on it, which is then exposed in the manner mentioned above. The liquid surface remains substantially at a constant level, so that the distance between the liquid surface and the radiation source or a corresponding beam deflection device remains substantially constant.

Beim selektiven Verschmelzen von Metallpulvern, wie es beispielsweise 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, auf der der Formkörper schichtweise aufgebaut wird.In the selective fusion of metal powders, as for example 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 appropriately lowering a platform on which the shaped body is built up in layers.

In entsprechender Weise erfolgt der Aufbau eines Formkörpers bei Methoden nach dem Prinzip des selektiven Lasersinterns (selective laser sintering), wobei insbesondere Metallpulver mit niedrigschmelzenden Bindemitteln eingesetzt werden.In a corresponding manner, the structure of a shaped body is carried out in methods according to the principle of selective laser sintering (selective laser sintering), in particular metal powder are used with low melting point binders.

Aus US 5 496 683 A , US 5 500 069 A und US 4 987 044 A sind jeweils Verfahren und Vorrichtungen zur stereolithogrphischen Herstellung dreidimensionaler Objekte bekannt, bei denen flüssiges Rohmaterial in aufeinander folgend präparierten Schichten durch gesteuerte Bestrahlung mit einem Laserstrahl zu vorbestimmten Querschnittsmustern in zusammenhängenden Bereichen verfestigt wird, wobei zusammenhängende Bereiche durch geeignete Steuerung des Laserstrahls gebildet werden, indem der Laserstrahl und die zu bestrahlende Schicht relativ zueinander bewegt werden, so dass, beginnend mit einer Startkonturlinie, mehrere benachbarte Konturen eingeschrieben werden.Out US 5,496,683 A . US 5 500 069 A and US 4 987 044 A For example, methods and apparatus for stereolithographic three-dimensional object fabrication are known in which liquid raw material is solidified in successively prepared layers by controlled irradiation with a laser beam to predetermined cross-sectional patterns in contiguous regions, contiguous regions being formed by appropriate control of the laser beam by the laser beam and the layer to be irradiated are moved relative to each other, so that, starting with a start contour line, a plurality of adjacent contours are written.

In US 5 929 892 A wird eine Vorrichtung zur Bemusterung eines trommelartigen Photoleiters eines Laserdruckers offenbart, bei dem einem scnannenden Laserstrahl, der die Photoleitertrommel bemustert, eine oszillatorische Bewegung quer zur Hauptschreibrichtung des Laserstrahl überlagert ist.In US Pat. No. 5,929,892 is a device for sampling a drum-type photoconductor discloses a laser printer in which a scanning laser beam, which samples the photoconductor drum, is superimposed on an oscillatory movement transversely to the main writing direction of the laser beam.

Bei den bisher bekannten rapid-prototyping-Herstellungsmethoden erfolgt die Herstellung von – in der Draufsicht auf die 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 Fläche auszufüllen bzw. den entsprechenden Bereich der Schicht auszuhärten. Dabei erfolgt die Steuerung der Strahlablenkeinrichtung normalerweise auf der Basis von Schraffurdaten, die mit einem CAD-Programm erzeugt wurden. Das Berechnen der Schraffurliniendaten ist ein aufwendiger Prozess, der relativ viel Rechenzeit und Speicherkapazität des Steuerrechners oder ggf. eines Datenvorbereitungsrechners erfordert, insbesondere wenn auch noch sichergestellt werden soll, dass der Belichtungsstrahl eine möglichst kontinuierliche Abtastung durchführen soll, also Sprünge des Strahls von einem Belichtungsort zum nächsten Belichtungsort über nicht zu belichtende Strecken möglichst vermieden werden sollen.In the hitherto known rapid prototyping production methods, the production of-in the plan view of the layer-contiguous surface areas of the respective layer associated cross-sectional pattern generally by the fact that a laser beam scans the edge contour of the surface area or describes and then within this edge contour after Type of closely spaced straight-line hatching lines performs a line-by-line scanning of the surface area to fill the area or harden the corresponding area of the layer. The control of the beam deflector is normally done on the basis of hatch data generated with a CAD program. The calculation of the hatching line data is a complex process, which requires a relatively large amount of computing time and storage capacity of the control computer or possibly a data preparation computer, in particular if it should also be ensured that the exposure beam should carry out as continuous a scanning as possible, ie jumps of the beam from one exposure location to next exposure to be avoided over unexposed routes as possible.

Es wurde auch beobachtet, dass mittels ”Schraffurlinienbelichtung” verfestigte Schichten keine guten mechanischen Eigenschaften aufweisen. So wurden z. B. Materialspannungen und insbesondere Risslinien parallel zu den ”Schraffurlinien” in den ausgehärteten Flächenbereichen festgestellt, wobei solche Risslinien, insbesondere bei komplizierteren Formkörpergeometrien, zu einer Brüchigkeit des Formkörpers führen können.It has also been observed that layers solidified by "hatch line exposure" do not have good mechanical properties. So z. B. material stresses and in particular crack lines parallel to the "hatching lines" found in the cured surface areas, such cracks, especially in more complicated moldings geometries, can lead to brittleness of the molding.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Verfahren der eingangs genannten Art eine verbesserte Vorgehensweise bei der Bestrahlung jeweiliger Rohmaterialschichten vorzuschlagen.The object of the present invention is to propose an improved procedure for the irradiation of respective raw material layers for a method of the type mentioned in the introduction.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach der Methode der Stereolithographie oder einer anderen Prototypen-Herstellungsmethode (rapid-prototyping, rapid tooling, rapid manufacturing), bei der man ein flüssiges oder pulvriges Rohmaterial in aufeinander folgend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit wenigstens einem gesteuert ablenkbaren Strahl entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers zu zusammenhängenden Bereichen verfestigt bzw. verschmelzt, wobei man zur streifenweisen Bildung zusammenhängend verfestigter Bereiche des Formkörper-Querschnittsmusters in einer betreffenden Schicht den Strahl in der Weise relativ zur Schicht bewegt, dass der Auftreffpunkt des Strahls auf der Schicht relativ zu dieser eine erste Bewegungskomponente in der jeweiligen Streifenlängsrichtung aufweist. Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl ferner in der Weise relativ zur Schicht bewegt wird, dass der Auftreffpunkt des Strahls auf der Schicht relativ zu dieser eine der ersten Bewegungskomponente überlagerte, oszillierende Bewegungskomponente quer zur Streifenlängsrichtung aufweist.This object is achieved according to the invention in a process for producing a shaped article by the method of stereolithography or another prototype production method (rapid-prototyping, rapid tooling, rapid manufacturing), in which a liquid or powdery raw material in successively prepared layers by irradiation with at least one controllably deflectable beam according to a respective cross-sectional pattern of the shaped body solidified or merged into contiguous areas, wherein for streakwise formation of contiguous solidified areas of the shaped body cross-sectional pattern in a respective layer, the beam is moved relative to the layer in such a way that Impact point of the beam on the layer relative to this has a first movement component in the respective strip longitudinal direction. The method is inventively characterized in that the beam is further moved in the manner relative to the layer that the point of impact of the beam on the layer relative to this one of the first component of motion superimposed, oscillating motion component has transversely to the strip longitudinal direction.

Die oszillierende Bewegungskomponente kann dadurch erzeugt werden, dass man einem Ablenksteuersignal zur Ablenkung des Auftreffpunkts in Streifenlängsrichtung ein Schwingungssignal aufmoduliert bzw. überlagert. Dieses Schwingungssignal kann hinsichtlich seiner Amplitude ggf. gesteuert variiert werden, um die Streifenbreite bei der streifenweisen Bildung zusammenhängend verfestigter Bereiche des Formkörper-Querschnittsmusters einstellen zu können. Der Begriff ”Streifenlängsrichtung” bezieht sich allgemein auf die Längsdimension des jeweiligen zu verfestigenden Schichtenstreifens. Die Streifenlängsrichtung kann somit ggf. Krümmungen umfassen, falls der Streifen gekrümmt verläuft.The oscillating motion component can be generated by modulating or superposing a vibration signal on a deflection control signal for deflecting the point of impact in the strip longitudinal direction. This oscillation signal can be optionally varied in terms of its amplitude in order to be able to set the strip width in the strip-wise formation of contiguous solidified regions of the shaped body cross-sectional pattern. The term "strip longitudinal direction" generally refers to the longitudinal dimension of the particular stratum strip to be consolidated. The strip longitudinal direction may thus optionally include curvatures if the strip is curved.

Erfolgt die Bestrahlung beispielsweise mittels Laserstrahl, der durch ein Ablenksystem aus zwei Scannerspiegeln gesteuert abgelenkt wird, so kann es vorgesehen sein, dass jeweils wenigstens einer der Scannerspiegel zur Ausführung einer oszillierenden Bewegung angesteuert wird, die der oszillierenden Bewegungskomponente des Auftreffpunkts des Strahls auf der Schicht entspricht. Eine solche Vorgehensweise empfiehlt sich insbesondere in Fällen, in denen ein zeilenweises bzw. spaltenweises Formen der Streifen in X- bzw. Y-Richtung erfolgt.If the irradiation takes place, for example, by means of a laser beam which is deflected by a deflection system controlled by two scanner mirrors, then it can be provided that at least one of the scanner mirrors is driven to execute an oscillating movement which corresponds to the oscillating component of movement of the point of impingement of the beam on the layer , Such a procedure is particularly recommended in cases where a line-wise or column-wise shaping of the strips takes place in the X or Y direction.

Alternativ kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass beispielsweise die zu belichtende Schicht bzw. deren Träger gesteuert bewegt wird, so dass es zur Relativbewegung zwischen Schicht und Strahl entsprechend der ersten Bewegungskomponente in Streifenlängsrichtung kommt, und dass die Strahlablenkeinrichtung so angesteuert wird, dass sie lediglich die oszillierende Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes durch Bewegung des Strahls erzeugt.Alternatively, it can be provided within the scope of the invention that, for example, the layer to be exposed or its carrier is moved in a controlled manner, so that the relative movement between the layer and the beam corresponding to the first movement component in the strip longitudinal direction occurs, and that the beam deflection device is controlled such that it only generates the oscillating motion component of the beam impact point by movement of the beam.

Es hat sich gezeigt, dass diese Art der Belichtung bei der Pulververschmelzung bzw. Pulversinterung mittels Laserstrahlung auch thermische Vorteile mit sich bringt, da der die Wärmeenergie eintragende Laserstrahl bei effizienter Flächenabtastung relativ kleine Entfernungen pro Zeiteinheit zu überwinden hat und somit der momentan von dem Laserstrahl erfasste Bereich noch von der unmittelbar zuvor erzeugten Wärme bei der Verfestigung von Nachbarbereichen profitiert und somit eine bessere Energieausbeute des Laserlichts bei der Materialverfestigung bzw. Materialverschmelzung gegeben ist.It has been found that this type of exposure in the case of powder fusion or powder sintering by means of laser radiation also entails thermal advantages, since the laser beam applying the heat energy has to overcome relatively small distances per unit of time with efficient surface scanning, and thus the momentarily detected by the laser beam Range still from the heat generated immediately before in the solidification of Benefits neighboring areas and thus a better energy yield of the laser light in the material consolidation or material fusion is given.

In umgekehrter Weise könnte durch horizontale Schwingungsbewegung der Schicht relativ zum Strahl die oszillierende Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes erzeugt werden, während die Strahlablenkeinrichtung den Strahlauftreffpunkt in Längsrichtung des zu erzeugenden Streifens bewegt.Conversely, by oscillating horizontally the layer relative to the beam, the oscillating motion component of the beam impingement point could be generated while the beam deflector moves the beam impingement point in the longitudinal direction of the strip to be formed.

Gemäß einer vorteilhaften Variante des Verfahrens bildet man die Streifen konturlinienartig aus, wobei man – beginnend mit einer Startkonturlinie – mehrere, einander vorzugsweise mit geringer Überlappung benachbarte, insbesondere zwiebelringartig ineinander verschachtelte Konturenstreifen auf der Schicht beschreibt.According to an advantageous variant of the method, the strips are contour-line-shaped, wherein - starting with a start contour line - several, preferably each other with a slight overlap adjacent, in particular onion-like nested contours stripes on the layer describes.

Vorzugsweise entspricht die Startkonturlinie einer Oberflächen-Randkontur des zu bildenden zusammenhängenden Bereichs. Die Startkonturlinie kann jedoch alternativ auch innerhalb des zu belichtenden Bereichs liegen.Preferably, the start contour line corresponds to a surface edge contour of the contiguous region to be formed. Alternatively, the start contour line can also be within the range to be exposed.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4. Die Vorrichtung umfasst eine Trägervorrichtung für den zu erstellenden Formkörper, Mittel zur Präparierung einer jeweiligen, nächstfolgend zumindest bereichsweise zu verfestigenden Rohmaterialschicht auf der Trägervorrichtung bzw. auf einer vorausgehend präparierten und bestrahlten Schicht, eine Strahlungsquelle zur Bereitstellung eines gebündelten Strahls zur Verfestigung bzw. Verschmelzung des Rohmaterials in einer betreffenden Schicht, eine Strahlablenkeinrichtung zur gesteuerten Ablenkung des Strahls und eine programmierbare Steuereinrichtung zur Steuerung der Strahlablenkeinrichtung, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Strahlablenkeinrichtung bei der Bestrahlung einer betreffenden Schicht in der Weise nach Maßgabe von CAD-Daten oder davon abgeleiteten geometrischen Beschreibungsdaten zu steuern, dass sie zur streifenweisen Bildung zusammenhängend verfestigter Bereiche des Formkörper-Querschnittsmusters in einer betreffenden Schicht den Strahl relativ zu der Schicht so bewegt, dass der Auftreffpunkt des Strahls auf der Schicht relativ zu dieser eine Bewegungskomponente in der jeweiligen Streifenlängsrichtung aufweist und dass der Auftreffpunkt des Strahls ferner eine der ersten Bewegungskomponente überlagerte, oszillierende Bewegungskomponente quer zur Streifenlängsrichtung aufweist.The invention also relates to a device for carrying out the method according to one of claims 1 to 4. The device comprises a carrier device for the shaped article to be produced, means for preparing a respective, next at least partially solidified raw material layer on the carrier device or on a previously prepared and an irradiated layer, a radiation source for providing a collimated beam for solidifying the raw material in a respective layer, a beam deflector for controlled deflection of the beam, and a programmable controller for controlling the beam deflector, the control device being adapted to operate the beam deflector in the Irradiation of a respective layer in the manner according to CAD data or geometric description data derived therefrom, that it zusammenschä for streaking formation At least one of the solidified regions of the shaped body cross-sectional pattern in a respective layer moves the beam relative to the layer such that the point of impact of the beam on the layer relative thereto has a component of motion in the respective strip longitudinal direction and the point of impact of the beam is further superposed on one of the first component of motion , Oscillatory motion component has transversely to the strip longitudinal direction.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to the figures.

1 zeigt in einer stark schematisierten Ansicht eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers nach der Methode der Stereolithographie, wobei ein Rohmaterialbehälter in einer Schnittdarstellung gezeigt ist. 1 shows in a highly schematic view of an apparatus for producing a shaped body according to the method of stereolithography, wherein a raw material container is shown in a sectional view.

2 zeigt eine nicht maßstäbliche Draufsicht auf eine bereits größtenteils fertiggestellte Schicht des Formkörpers. 2 shows a not to scale top view of an already largely completed layer of the molding.

3–6 zeigen verschiedene bereits verfestigte Formkörperschichten in einer Draufsicht. 3 - 6 show various already solidified shaped body layers in a plan view.

7 zeigt eine weitere Formkörperschicht in einer Draufsicht, wobei es sich um eine Darstellung zur Erläuterung einer besonderen Verfahrensvariante insbesondere für das Laserschmelzen handelt. 7 shows a further molded body layer in a plan view, which is a representation for explaining a particular process variant in particular for the laser melting.

8 zeigt in einer der 1 ähnlichen Darstellung eine Vorrichtung zum Laserschmelzen von pulvrigem Rohmaterial, beispielsweise Stahlpulver. 8th shows in one of the 1 Similarly, a device for laser melting of powdery raw material, such as steel powder.

1 zeigt in einer stark vereinfachten schematisierten Darstellung ein Beispiel einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung. Bei der Einrichtung nach 1 handelt es sich um eine Stereolithographie-Vorrichtung mit einem Behälter 2 zur Aufnahme des Rohmaterials 4, nämlich eines durch Bestrahlung aushärtbaren, flüssigen Kunststoffs. In dem Behälter befindet sich eine Trägerplattform 6, auf der der herzustellende Formkörper 8 schichtweise aufgebaut wird. Die Trägerplattform 6 ist in dem Kunststoffbad 4 vertikal bewegbar, und zwar unter der Kontrolle eines Steuerrechners 10, der den Vertikalverschiebungsantrieb 12 der Plattform 6 nach Maßgabe eines Programms steuert. 1 shows in a highly simplified schematic representation of an example of a device for carrying out the method according to the invention. When setting up 1 it is a stereolithography apparatus with a container 2 for receiving the raw material 4 namely, a radiation curable, liquid plastic. In the container is a carrier platform 6 on which the molded body to be produced 8th is built up in layers. The carrier platform 6 is in the plastic bath 4 vertically movable, under the control of a control computer 10 taking the vertical displacement drive 12 the platform 6 according to a program controls.

Zu Beginn des Herstellungsprozesses befindet sich die Oberseite der Plattform 6 knapp unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 14 in dem Behälter 2, wobei der Abstand der Oberseite der Trägerplattform 6 zum Flüssigkeitsspiegel 14 im Wesentlichen der Schichtdicke einer ersten zu verfestigenden Schicht des Formkörpers oder ggf. einer Stützkonstruktion für den Formkörper entspricht. Nach Maßgabe der Steuerung durch den Steuerungsrechner 10 erfolgt dann die Belichtung des Rohmaterials 4 entsprechend einem der ersten Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers oder ggf. seiner Stützkonstruktion für den Formkörper. Die Belichtung erfolgt im Beispielsfall mit einem fokussierten Laserstrahl 16 des UV-Lasers 18. Der Fokus kann gesteuert variiert werden, so dass der Lichtfleckdurchmesser am Auftreffort des Strahls auf der Schicht z. B. zwischen 20 μm und 300 μm eingestellt werden kann. Zur gezielten Ablenkung des Laserstrahls 16 dient eine 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, jedoch vom Rechner 10 zur Erstellung der Konturbeschreibungsdaten nach einem Konturbeschreibungsdatenberechnungsprogramm bearbeitet wurden.At the beginning of the manufacturing process is the top of the platform 6 just below the liquid level 14 in the container 2 , where the distance is the top of the carrier platform 6 to the liquid level 14 essentially corresponds to the layer thickness of a first layer to be consolidated of the molding or possibly a support structure for the molding. In accordance with the control by the control computer 10 then takes place the exposure of the raw material 4 corresponding to one of the first layer associated cross-sectional pattern of the molding or possibly its support structure for the molding. The exposure takes place in the example with a focused laser beam 16 of the UV laser 18 , The focus can be controlled varied, so that the spot diameter at the point of impact of the beam on the layer z. B. between 20 microns and 300 microns can be adjusted. For targeted deflection of the laser beam 16 serves an 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 to go back, however, from the computer 10 have been edited to generate the contour description data after a contour description data calculation program.

Nachdem der Belichtungsvorgang hinsichtlich der ersten Schicht abgeschlossen worden ist, steuert der Steuerrechner 10 den Vertikalverschiebungsantrieb 12 an, um die Trägerplattform 6 weiter in das Bad 4 einzutauchen, so dass schließlich eine die zuletzt verfestigte Schicht überdeckende und benetzende Rohmaterialschicht S7 entsteht. Es kann ein Glättungsmechanismus mit einem an sich bekannten Glättungsschieber 22 vorgesehen sein, um die Präparation der jeweils nachfolgend zu verfestigenden Rohmaterialschicht S7 schneller durchführen zu können. Nach Präparation der betreffenden Rohmaterialschicht erfolgt der nächste Belichtungsvorgang, um die nächste Schicht des Formkörpers 8 durch entsprechendes Aushärten des Rohmaterials zu erzeugen. Dann folgt wieder eine weitere Absenkung der Trägerplattform 6 zur Präparierung der nächsten zu verfestigenden Schicht an der Badoberfläche 14.After the exposure process with respect to the first layer has been completed, the control computer controls 10 the vertical displacement drive 12 on to the carrier platform 6 continue in the bathroom 4 immerse so that finally the last solidified layer covering and wetting raw material layer S7 is formed. It may be a smoothing mechanism with a known smoothing slide 22 be provided to perform the preparation of the respective subsequently to be solidified raw material layer S7 faster. After preparation of the relevant raw material layer, the next exposure process takes place to the next layer of the shaped body 8th to produce by appropriate curing of the raw material. Then another lowering of the carrier platform follows 6 for preparing the next layer to be consolidated on the bath surface 14 ,

Die genannten Schritte des Präparierens einer Rohmaterialschicht S7 an der Badoberfläche und des Bestrahlens dieser Rohmaterialschicht werden einander abwechselnd wiederholt, bis der Formkörper 8 auf der Trägerplattform 6 fertiggestellt worden ist. In 1 sind aufeinander folgend hergestellte und aneinander haftende Schichten des Formkörpers 8 entsprechend der Reihenfolge ihrer Herstellung mit S1 ... S6 gekennzeichnet. Die Schichten sind schematisch und hinsichtlich ihrer Schichtdicken nicht maßstäblich dargestellt. Gegebenenfalls kann mit dem Formkörper 8 zusammen ein Stützgerüst auf stereolithographischem Wege hergestellt werden, um etwaig überhängende Bereiche des Formkörpers 8 während des Herstellungsprozesses abzustützen und in der gewünschten geometrischen Lage relativ zu anderen Bereichen des Formkörpers 8 halten zu halten.Said steps of preparing a raw material layer S7 on the bath surface and irradiating this raw material layer are alternately repeated until the molded article 8th on the carrier platform 6 has been completed. In 1 are successively produced and adhered layers of the molding 8th marked with S1 ... S6 according to their order of manufacture. The layers are schematic and not shown to scale with respect to their layer thicknesses. Optionally, with the molding 8th together a support framework are prepared by stereolithographic means to any overhanging areas of the molding 8th during the manufacturing process and in the desired geometric position relative to other areas of the molding 8th to keep up.

Ferner kann es vorgesehen sein, dass der in der beschriebenen Weise hergestellte Formkörper 8 noch einer Nachbelichtung, z. B. mittels einer UV-Lampe, unterzogen wird, um den Grad der Aushärtung des Formkörpers zu vergrößern.Furthermore, it can be provided that the molded body produced in the manner described 8th still a reexposure, z. B. by means of a UV lamp, is subjected to increase the degree of curing of the molding.

Es sei angenommen, dass es sich bei der aktuell herzustellenden Formkörperschicht S7 um eine Schicht mit einer Rechteck-Randkontur handelt, wobei die Schicht S7 innerhalb ihrer rechteckigen Randkontur vollflächig ausgehärtet werden soll, so dass ein zusammenhängender, rechteckiger Bereich entsteht (vgl. 2). Dies erfolgt gemäß einer Ausführungsvariante des Verfahrens nach der Erfindung dadurch, dass man den Laserstrahl 16 unter Kontrolle des Steuerrechners 10 auf der Basis von Konturbeschreibungsdaten in der Weise ablenkt, dass er – beginnend mit einer den rechteckigen Rand beschreibenden Startkonturlinie – mehrere einander benachbarte, zwiebelringartig ineinander verschachtelte Konturen auf der zuletzt präparierten Rohmaterialschicht S7 beschreibt.It is assumed that the molded body layer S7 currently to be produced is a layer with a rectangular edge contour, wherein the layer S7 is to be cured over its entire surface within its rectangular edge contour, so that a coherent, rectangular region is formed (cf. 2 ). This is done according to an embodiment of the method according to the invention, characterized in that the laser beam 16 under control of the control computer 10 on the basis of contour description data in such a way that - starting with a start contour line describing the rectangular edge - it describes a plurality of contiguous contours on the finally prepared raw material layer S7, which are adjacent to each other on an onion-like ring.

Insbesondere – aber nicht ausschließlich – bei Pulververschmelzungs- bzw. Pulversinterungsverfahren mittels Laserbestrahlung findet die vorliegende Erfindung vorteilhaft Anwendung, nämlich das Belichten eines jeweiligen Streifens in einer Rohmaterialschicht durch Verfahren des Laserstrahls in Streifenlängsrichtung bei gleichzeitiger Überlagerung dieser Verfahrbewegung mit einer oszillierenden Hin- und Herbewegung des Laserstrahls quer zur Verfahrrichtung. Dabei wird ein Streifen verfestigt bzw. verschmolzen, dessen Streifenbreite im Wesentlichen durch die Amplitude der Oszillationsbewegung bestimmt ist. Es hat sich gezeigt, dass diese Art der Belichtung bei der Pulververschmelzung bzw. Pulversinterung auch thermische Vorteile mit sich bringt, da der die Wärmeenergie eintragende Laserstrahl bei effizienter Flächenabtastung relativ kleine Entfernungen pro Zeiteinheit zu überwinden hat und somit der momentan von dem Laserstrahl erfasste Bereich noch von der unmittelbar zuvor erzeugten Wärme bei der Verfestigung von Nachbarbereichen profitiert und somit eine bessere Energieausbeute des Laserlichtes bei der Materialverfestigung bzw. Materialverschmelzung vorliegt.In particular, but not exclusively, in powder fusion or powder sintering processes by laser irradiation, the present invention finds advantageous application, namely exposure of a respective strip in a raw material layer by moving the laser beam in the strip longitudinal direction with simultaneous superimposition of this movement with an oscillating reciprocation of the laser beam transverse to the travel direction. In this case, a strip is solidified or fused, whose strip width is determined essentially by the amplitude of the oscillatory movement. It has been found that this type of exposure in the case of powder fusion or powder sintering also brings about thermal advantages, since the laser beam introducing the thermal energy has to overcome relatively small distances per unit of time with efficient surface scanning, and thus the range currently covered by the laser beam Benefits from the heat generated immediately before in the solidification of neighboring areas and thus there is a better energy yield of the laser light in the material consolidation or material fusion.

7 zeigt in einer nichtmaßstäblichen Darstellung eine Draufsicht auf eine bereichsweise bereits verfestigte Schicht. In dem in 7 gezeigten Beispiel erfolgt die Bestrahlung des zu verfestigenden Bereichs 40 streifenweise und zeilenweise, wobei der Auftreffpunkt des Laserstrahls 16 gemäß einer ersten Bewegungskomponente in Streifenlängsrichtung L bewegt wird, wobei dieser Bewegung in Streifenlängsrichtung L eine oszillierende Bewegung des Auftreffpunkts 16 überlagert wird. Der Auftreffpunkt des Laserstrahls 16 folgt in dem Beispiel gemäß 7 somit einer Schlangenlinie oder Wellenlinie W. Die Amplitude A dieser Wellenlinie bestimmt die jeweilige Streifenbreite und kann ggf. bedarfsweise variiert werden. 7 shows in a non-scale representation of a plan view of a partially already solidified layer. In the in 7 As shown, the irradiation of the area to be solidified takes place 40 stripwise and line by line, the point of impact of the laser beam 16 is moved in the strip longitudinal direction L according to a first movement component, wherein this movement in the strip longitudinal direction L is an oscillating movement of the impact point 16 is superimposed. The point of impact of the laser beam 16 follows in the example according to 7 thus a serpentine or wavy line W. The amplitude A of this wavy line determines the respective stripe width and can be varied if necessary.

Die oszillierende Bewegung des Auftreffpunkts des Laserstrahls 16 kann beispielsweise mittels eines zu Schwingungen angeregten Strahlablenkspiegels eines Ablenksystems 20 (vgl. 1) erzeugt werden.The oscillating motion of the point of impact of the laser beam 16 For example, by means of an excited to vibrate beam deflecting a deflection system 20 (see. 1 ) be generated.

In den 2 bis 6 sind Beispiele gezeigt, welche Form die Streifenlängsrichtung L aufweisen kann, wobei die dazu noch erfindungsgemäß erfolgende oszillierende Bewegung des Auftreffpunkts 16 nicht dargestellt ist.In the 2 to 6 Examples are shown, which form the strip longitudinal direction L may have, with the still taking place according to the invention taking place oscillating movement of the impact point 16 not shown.

In 2 sind in einer Draufsicht auf die betreffende Fläche S7 die entsprechend der vom Laserstrahl 16 gezeichneten Konturlinien erzeugten, aneinander angeschmiegten Konturenstreifen K1 ... K7 in einer nicht maßstäblichen Darstellung gezeigt. Die Nummerierung K1 ... K7 gibt die Reihenfolge der Herstellung der Konturenstreifen an. Der bei 16 in 2 im Querschnitt gezeigte Laserstrahl erzeugt den Konturenstreifen K7, wobei der Laserstrahl 16 im Beispielsfall mit geringer Überlappung auch noch den bereits verfestigten Konturenstreifen K6 erfasst. In 2 are in a plan view of the relevant area S7 corresponding to that of the laser beam 16 drawn Contour lines generated contiguous contour strips K1 ... K7 shown in a non-scale representation. The numbering K1 ... K7 indicates the order of production of the contour strips. The at 16 in 2 shown in cross-section laser beam generates the contour strip K7, wherein the laser beam 16 In the example with a slight overlap, the already solidified contour strip K6 is also detected.

Selbstverständlich ist die Belichtungsmethode nach der Erfindung nicht auf Rechteckstrukturen der in 2 gezeigten Art beschränkt, sondern kann grundsätzlich bei beliebigen Querschnittsflächengeometrien angewandt werden. Bei der ”Konturlinienbelichtungsmethode” kann der Strahl so geführt werden, dass er bei der Bildung eines zusammenhängend verfestigten Bereichs der Schicht keine oder allenfalls wenige ”Sprünge” über nicht zu belichtende Strecken zu machen hat, also etwa über Strecken, die bereits belichtet wurden.Of course, the exposure method according to the invention is not limited to rectangular structures in 2 shown limited, but can basically be applied to any cross-sectional surface geometries. In the "contour line exposure method", the beam can be guided in such a way that it has no or only a few "jumps" over unexposed lines in the formation of a coherently solidified region of the layer, ie over lines that have already been exposed.

3 zeigt in einer ebenfalls nicht maßstäblichen Darstellung die bei einer Kreisringgeometrie der zuletzt verfestigten Schicht eines betreffenden Formkörpers nach der erfindungsgemäßen Methode erzeugten Konturenstreifen K1 ... K6 in Draufsicht. Die Nummerierung der Konturenstreifen K1 ... K6 soll in 3 ebenfalls die Reihenfolge der Herstellung der verfestigten Konturenstreifen angeben. Im Beispielsfall sei angenommen, dass der erste Konturenstreifen K1 die Randkontur bildet, welche den Innenumfang des Rings festlegt. Im Beispielsfall sind die radial weiter innen liegenden Konturenstreifen vor den weiter außen liegenden Konturenstreifen erzeugt worden. 3 shows in a likewise not to scale representation of the generated in a circular geometry of the last solidified layer of a respective shaped body according to the inventive method contour strips K1 ... K6 in plan view. The numbering of the contour strips K1 ... K6 should be in 3 also indicate the order of production of the solidified contour strips. In the example, it is assumed that the first contour strip K1 forms the edge contour which defines the inner circumference of the ring. In the example, the radially inner contour strips have been generated in front of the outermost contour strips.

Selbstverständlich hätte auch eine andere Reihenfolge der Erzeugung der Konturenstreifen gewählt werden können. Dabei kann es im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen sein, dass räumlich unmittelbar benachbarte Konturenstreifen nicht zeitlich unmittelbar aufeinander folgend erzeugt werden. Beispielsweise könnte nach Erzeugen eines Konturenstreifens der übernächste Nachbarkonturenstreifen erzeugt werden, bevor dann der Zwischenraum zwischen den beiden Konturenstreifen mit einer betreffenden Konturenlinienspur des Laserstrahls gezeichnet wird.Of course, a different sequence of generating the contour strips could have been chosen. It can also be provided in the context of the invention that spatially immediately adjacent contour strips are not generated in time directly consecutive. For example, after generating a contour strip, the next adjacent contour contour strip could be generated before the gap between the two contour strips is then drawn with a respective contour line track of the laser beam.

In 4 ist eine weitere Draufsicht-Darstellung einer betreffenden Formkörperschicht gezeigt. Der Formkörper hat an der betreffenden Stelle einen U-förmigen Querschnitt. Der bei der Abtastung des Rohmaterials mit dem Laserstrahl befestigte Konturenstreifen K1 bildet die äußere Randkontur des Querschnitts. Nach innen hin schmiegt sich der Konturenstreifen K2 an den Konturenstreifen K1 an, wonach der Konturenstreifen K3 folgt. Eine Besonderheit liegt darin, dass bei 25 in 4 die Längsränder des Konturenstreifens K3 einander berühren, so dass der Verbindungssteg bei 25 mit dem Konturenstreifen K3 fertiggestellt worden ist, während in den beiden Schenkeln des U-Querschnitts bei 27 und 29 zwei voneinander isolierte Bereiche unverfestigten Rohmaterials in der betreffenden Schicht verblieben sind. Vorzugsweise werden diese verbliebenen Bereiche bei 27 bzw. 29 entsprechend der Nummerierung der Konturenstreifen separat und nacheinander nach der erfindungsgemäßen Konturenmethode verfestigt.In 4 a further plan view of a respective shaped body layer is shown. The molding has a U-shaped cross-section at the relevant point. The contour strip K1 fastened with the laser beam when the raw material is scanned forms the outer edge contour of the cross section. Towards the inside, the contour strip K2 adapts to the contour strip K1, after which the contour strip K3 follows. A special feature is that at 25 in 4 the longitudinal edges of the contour strip K3 touch each other, so that the connecting web at 25 has been completed with the contour strip K3, while in the two legs of the U-section at 27 and 29 two mutually isolated areas of unconsolidated raw material have remained in the relevant layer. Preferably, these remaining areas are included 27 respectively. 29 solidified according to the numbering of the contour strips separately and successively according to the contour method according to the invention.

Es soll jedoch im Rahmen der Erfindung nicht ausgeschlossen sein, dass etwa derartige innere restliche Bereiche auf der Basis von Schraffurdaten zeilenweise mit beispielsweise parallelen Verfestigungslinien durch entsprechende Ablenkung des Laserstrahls 16 fertiggstellt werden.However, it should not be excluded within the scope of the invention that approximately such inner residual regions on the basis of hatching data line by line with, for example, parallel solidification lines by appropriate deflection of the laser beam 16 be finished.

5 zeigt eine Draufsicht auf eine im vorstehend genannten Sinne belichtete Schicht, bei der ein zusammenhängender äußerer Bereich 30 mit einer Vielzahl von Konturlinien K zunächst erzeugt wurde, wohingegen ein zentraler innerer Bereich 32 auf der Basis von Schraffurlinien SI verfestigt wurde. 5 shows a plan view of an exposed in the above sense layer, wherein a contiguous outer region 30 with a plurality of contour lines K was first generated, whereas a central inner region 32 was solidified on the basis of hatching lines SI.

Vorzugsweise erfolgt die Belichtung eines Querschnitts bzw. einer betreffenden Schicht des herzustellenden Formkörpers jedoch ausschließlich nach der Konturlinienmethode, wie sie unter Bezugnahme auf die 2–4 erläutert wurde und wie sie auch in 6 anhand eines Beispiels dargelegt ist, bei dem der betreffende Querschnitt des Formkörpers mehrere zusammenhängende Bereiche 34, 36 aufweist.However, the exposure of a cross-section or a relevant layer of the shaped article to be produced is preferably carried out exclusively according to the contour line method, as described with reference to FIGS 2 - 4 was explained and how they are in 6 is set forth by way of example, in which the cross-section of the shaped body in question a plurality of contiguous areas 34 . 36 having.

Unter Bezugnahme auf die 1–6 wurde das Verfahren nach der Erfindung auf die Stereolithographie-Methode bezogen. Die Aussagen betreffend die Belichtungs- und Konturenverfestigungsschritte können im Rahmen der Erfindung ohne Weiteres auf andere Verfahren der schnellen Prototypen-Herstellung übertragen werden, so beispielsweise auf das Lasersintern von Pulvern oder das Laserverschmelzen von Metallpartikeln, wie es beispielsweise in der WO 98/24574 beschrieben ist. Die Bezugnahme auf Prototypenherstellung soll nicht bedeuten, dass nach den erfindungsgemäßen Verfahren nicht auch serienmäßig Formkörper hergestellt werden können. Diese Verfahren lassen sich mit Apparaturen ähnlich der in 1 durchführen. Anstelle des Eintauchens der jeweils zuletzt verfestigten Schicht in ein Flüssigkeitsbad 4 zum Präparieren der nächstfolgenden Schicht würde bei der Pulververschmelzungsmethode (Laserschmelzverfahren) bzw. Pulversinterungsmethode (Lasersinterverfahren) normalerweise das Aufbringen neuen Pulver-Rohmaterials und das Absenken der gesamten Behälteranordnung 2 um das Maß der Schichtdicke durchgeführt werden, um den Abstand zwischen Scanneranordnung 20 und Bestrahlungsoberfläche bei 14 wieder auf einen konstanten Wert einzustellen.With reference to the 1 - 6 the method according to the invention was based on the stereolithography method. The statements relating to the exposure and contour solidification steps can be readily transferred within the scope of the invention to other methods of rapid prototyping, such as the laser sintering of powders or the laser fusion of metal particles, as for example in the WO 98/24574 is described. The reference to prototype production should not imply that molded articles can not also be mass-produced by the processes according to the invention. These procedures can be used with apparatuses similar to those in 1 carry out. Instead of immersing the last solidified layer in a liquid bath 4 For preparing the next succeeding layer, in the powder blending method (laser melting method) or powder sintering method (laser sintering method), the application of new powder raw material and the lowering of the entire container assembly would normally be performed 2 be performed by the amount of layer thickness to the distance between the scanner assembly 20 and irradiation surface 14 again set to a constant value.

8 zeigt in einer der 1 ähnlichen Darstellung eine Einrichtung zum selektiven Laserschmelzen oder zum selektiven Lasersintern von pulvrigem Rohmaterial 4, beispielsweise Stahlpulver oder Keramikpulver etc. Der Steuerrechner 10 steuert den Vertikalverschiebungsantrieb 12 des Trägerbehälters 2, den Laser 18, das Strahlablenksystem 20, die Fokussieroptik 21 und den verfahrbaren Glättungsschieber 22, dem eine Schleifwelle zugeordnet sein kann. Die Schleifwelle dient dazu, etwaige auf erschmolzenen und erstarrten Bereichen der zuletzt bestrahlten Schicht nach oben hin abstehende und haftende Unebenheiten zumindest teilweise abzuschleifen. Die Steuerung des Strahlablenksystems 20 erfolgt vorzugsweise in der gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 5 beschriebenen Weise nach Maßgabe von geometrischen Beschreibungsdaten, die beispielsweise von CAD-Konstruktionsdaten des herzustellenden Formkörpers 8 abgeleitet worden sind. 8th shows in one of the 1 Similarly, a device for selective laser melting or for selective laser sintering of powdery raw material 4 , For example, steel powder or ceramic powder, etc. The control computer 10 controls the vertical displacement drive 12 of the carrier container 2 , the laser 18 , the beam deflection system 20 , the focusing optics 21 and the movable smoothing slider 22 to which a grinding shaft can be assigned. The grinding shaft serves to at least partially abrade any protruding and adhering unevenness which projects upwards and downwards on molten and solidified areas of the last layer irradiated. The control of the beam deflecting system 20 is preferably carried out in the manner described in claim 1 or claim 5 in accordance with geometric description data, for example, CAD design data of the molded article to be produced 8th have been derived.

Der Trägerbehälter 2 befindet sich in einer Prozesskammer (nicht gezeigt), welche mit Schutzgas bespülbar oder durchspülbar ist. Ferner kann eine Pulverabsaugeinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen sein, mittels welcher bedafsweise das Pulver aus der Prozesskammer abgesaugt und einem Vorratsbehälter ggf. nach Reinigung oder Filterung des Pulvers zugeführt werden kann, beispielsweise bevor die Prozesskammer von einer Bedienungsperson geöffnet wird, um einen fertiggestellten Formkörper herauszuholen. Die Bedienungsperson wird so vor Pulverstaub geschützt.The carrier container 2 is located in a process chamber (not shown) which can be flushed or purged with inert gas. Furthermore, a powder suction device (not shown) may be provided, by means of which the powder can be sucked out of the process chamber and fed to a storage container, if necessary, after cleaning or filtering the powder, for example before the process chamber is opened by an operator in order to extract a finished molded article , The operator is thus protected from powder dust.

Bei dem Beispiel gemäß 8 steuert der Steuerrechner 10 den Laser 18 oder/und das Strahlablenksystem 20 oder/und die Fokussieroptik 21 ferner in der Weise, dass die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit am jeweiligen Auftreffort des Strahls 16 auf der Schicht S auftreffende Strahlungsenergie des Strahls in Abhängigkeit davon variiert wird, ob der jeweils aktuell bestrahlte Bereich der Schicht S auf einem zusammenhängend verfestigten Bereich oder auf nichtverfestigtem Rohmaterial 4 der der vorausgehenden Schicht liegt. Der Steuerrechner 10 verfügt über die geometrischen Daten der Schichten und kann daher rechnerisch bzw. durch Vergleichsoperationen die vorstehend genannten Situationen unterscheiden, um die Strahlungsenergievariationen entsprechend zu kontrollieren. In 8 liegt der von dem Laserstrahl 16 momentan belichtete Bereich 50 der Schicht S nicht auf einem zusammenhängend verfestigten Bereich auf, sondern auf nichtverfestigtem Rohmaterial 4 der vorausgehenden Schicht. Der herzustellende Formkörper 8 hat in diesem Bereich einen Überhang bzw. eine Stufe. Da der Wärmetransport in dem pulvrigen Rohmaterial 4 weniger effizient ist als in zusammenghängend verfestigtem Material, wie beispielsweise in dem Bereich 52, ist die jeweils durch Laserbestrahlung erzeugte Temperaturerhöhung in solchen Bereichen 50 und 52 normalerweise unterschiedlich. Bei gleichen Bestrahlungsbedingungen könnte dies bedeuten, dass die momentan bestrahlte Schicht S in dem Bereich 50 am Auftreffort des Strahls 16 jeweils bis weit über den Schmelzpunkt des Rohmaterials 4 erhitzt wird, wohingegen die Bestrahlung der Schicht S in dem Bereich 52 zu einer gewünschten Temperaturerhöhung bis knapp über dem Schmelzpunkt des Materials 4 geführt hat. Erfolgt nun das Verschmelzen eines zusammenhängenden Querschnittsbereichs in der Schicht S zonenweise mit deutlich unterschiedlichen Temperaturen, so besteht die Gefahr, dass Materialspannungen erzeugt werden, Verzug in dem verfestigten Bereich entsteht und eine relativ große Konturenrauigkeit auftritt. Um dies zu verhindern, wird an den Stellen, an denen die aktuell bestrahlte Schicht S auf einem zusammenhängend verfestigten Bereich 52 liegt, die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit am Auftreffort des Strahls 16 auf der Schicht S auftreffende Strahlungsenergie größer gewählt als in Schichtbereichen 50, in denen die Schicht S auf nichtverfestigtem Rohmaterial 4 der vorausgehenden Schicht liegt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass innerhalb einer belichteten Querschnittsschicht S keine signifikanten Temperaturunterschiede beim Verschmelzen aufgetreten sind. Der Strahl 16 sollte somit an jeder Stelle des zusammenhängend zu verfestigenden Bereichs das Material mit im Wesentlichen der gleichen Temperatur aufschmelzen. Die Beeinflussung der pro Zeiteinheit und Flächeneinheit am Auftreffort des Strahls auftreffenden Strahlungsenergie kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls durch entsprechende Steuerung des Strahlablenksystems 20 variiert wird oder/und dass der ”Lichtfleck” durch Änderung der Fokussierung und somit durch Steuerung des Fokussiersystems 21 variiert wird oder/und dass die Leistung des Lasers 18 unmittelbar variiert wird. Gegebenenfalls können auch Strahlungsblenden zur Beeinflussung der Laserstrahlintensität herangezogen werden.In the example according to 8th controls the control computer 10 the laser 18 and / or the beam deflector system 20 and / or the focusing optics 21 Further, in such a way that the per unit time and area unit at the respective impact location of the beam 16 on the layer S incident radiation energy of the beam is varied depending on whether the currently irradiated area of the layer S on a coherently solidified area or on unconsolidated raw material 4 that of the previous layer. The control computer 10 has the geometric data of the layers and therefore can computationally or by comparison operations distinguish the above situations to control the radiation energy variations accordingly. In 8th is that of the laser beam 16 currently exposed area 50 the layer S not on a contiguous solidified area, but on unconsolidated raw material 4 the previous layer. The molded body to be produced 8th has an overhang or a step in this area. As the heat transfer in the powdery raw material 4 less efficient than in cohesively consolidated material, such as in the field 52 , is the temperature increase generated in each case by laser irradiation in such areas 50 and 52 usually different. Under the same irradiation conditions, this could mean that the currently irradiated layer S is in the range 50 at the point of impact of the beam 16 each far above the melting point of the raw material 4 whereas the irradiation of the layer S is in the range 52 to a desired temperature increase to just above the melting point of the material 4 has led. If the fusing of a coherent cross-sectional area in the layer S takes place zone by zone with distinctly different temperatures, there is a risk that material tensions are generated, distortion occurs in the solidified area and a relatively large contour roughness occurs. To prevent this, is at the points where the currently irradiated layer S on a coherently solidified area 52 lies, per unit time and area unit at the point of impact of the beam 16 selected on the layer S radiation energy greater than in layer areas 50 in which the layer S on unconsolidated raw material 4 the preceding layer lies. In this way it can be ensured that no significant temperature differences have occurred during fusing within an exposed cross-sectional layer S. The beam 16 Thus, at each point of the contiguous area to be consolidated, the material should melt at substantially the same temperature. The influencing of the radiation energy incident on the point of impact of the beam per unit of time and unit area can be achieved, for example, by adjusting the scanning speed of the laser beam by appropriate control of the beam deflection system 20 is varied and / or that the "light spot" by changing the focus and thus by controlling the focusing system 21 is varied or / and that the power of the laser 18 is varied immediately. Optionally, radiation apertures can also be used to influence the laser beam intensity.

Claims (5)

Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach der Methode der Stereolithographie oder einer anderen schnellen Prototypen-Herstellungsmethode, bei der man ein flüssiges oder pulvriges Rohmaterial (4) in aufeinander folgend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit wenigstens einem gesteuert ablenkbaren Strahl (16) entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers (8) zu zusammenhängenden Bereichen verfestigt oder verschmelzt, wobei man zur streifenweisen Bildung zusammenhängend verfestigter Bereiche des Formkörper-Querschnittsmusters in einer betreffenden Schicht den Strahl (16) in der Weise relativ zur Schicht bewegt, dass der Auftreffpunkt des Strahls (16) auf der Schicht relativ zu dieser eine erste Bewegungskomponente in der jeweiligen Streifenlängsrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (16) ferner in der Weise relativ zur Schicht bewegt wird, dass der Auftreffpunkt des Strahls (16) auf der Schicht relativ zu dieser eine der ersten Bewegungskomponente überlagerte, oszillierende Bewegungskomponente quer zur Streifenlängsrichtung aufweist.Process for the production of a shaped article by the method of stereolithography or another rapid prototype production method, in which a liquid or powdery raw material ( 4 ) in successively prepared layers by irradiation with at least one controllably deflectable beam ( 16 ) in accordance with a cross-sectional pattern of the shaped body assigned to the respective layer ( 8th ) are solidified or fused into contiguous regions, wherein the beam (in order to form, in strips, contiguous solidified regions of the shaped body cross-sectional pattern in a respective layer 16 ) in the Moving relative to the layer that the point of impingement of the beam ( 16 ) has on the layer relative to this a first component of movement in the respective strip longitudinal direction, characterized in that the beam ( 16 ) is further moved relative to the layer in such a way that the point of impact of the beam ( 16 ) has on the layer relative to this one of the first component of motion superimposed, oscillating motion component transverse to the strip longitudinal direction. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Streifen zu verfestigenden Materials konturenlinienartig ausbildet, wobei man – beginnend mit einer Startkonturlinie – mehrere, einander vorzugsweise mit geringer Überlappung benachbarte, insbesondere zwiebelringartig ineinander verschachtelte Konturenstreifen auf der Schicht beschreibt.A method according to claim 1, characterized in that the strips to be solidified material forms a contour line, wherein - starting with a start contour line - several, preferably each other with a slight overlap adjacent, in particular onion-like nested contours strips on the layer describes. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Startkonturlinie einer Oberflächen-Randkontur des zu bildenden zusammenhängenden Bereichs entspricht.A method according to claim 2, characterized in that the start contour line corresponds to a surface edge contour of the contiguous area to be formed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung mit Laserstrahlung erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the irradiation is carried out with laser radiation. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–4, umfassend eine Trägervorrichtung (2, 6) für den zu erstellenden Formkörper (8), Mittel zur Präparierung einer jeweiligen, nächstfolgend zumindest bereichsweise zu verfestigenden Rohmaterialschicht auf der Trägervorrichtung (2, 6) oder auf einer vorausgehend präparierten und bestrahlten Schicht, eine Strahlungsquelle (18) zur Bereitstellung eines gebündelten Strahls (16) zur Verfestigung oder Verschmelzung des Rohmaterials in einer betreffenden Schicht, eine Strahlablenkeinrichtung (20) zur gesteuerten Ablenkung des Strahls (16), eine programmierbare Steuereinrichtung (10) zur Steuerung der Strahlablenkeinrichtung (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Strahlablenkeinrichtung bei der Bestrahlung einer betreffenden Schicht in der Weise nach Maßgabe von CAD-Daten oder davon abgeleiteten geometrischen Beschreibungsdaten zu steuern, dass sie zur streifenweisen Bildung zusammenhängend verfestigter Bereiche des Formkörper-Querschnittsmusters in einer betreffenden Schicht den Strahl relativ zu der Schicht so bewegt, dass der Auftreffpunkt des Strahls auf der Schicht relativ zu dieser eine Bewegungskomponente in der jeweiligen Streifenlängsrichtung aufweist und dass der Auftreffpunkt des Strahls ferner eine der ersten Bewegungskomponente überlagerte, oszillierende Bewegungskomponente quer zur Streifenlängsrichtung aufweist.Device for carrying out the method according to one of claims 1-4, comprising a carrier device ( 2 . 6 ) for the shaped body to be produced ( 8th ), Means for preparing a respective, next at least partially to be solidified raw material layer on the support device ( 2 . 6 ) or on a previously prepared and irradiated layer, a radiation source ( 18 ) for providing a collimated beam ( 16 ) for solidification or fusion of the raw material in a respective layer, a beam deflector ( 20 ) for the controlled deflection of the jet ( 16 ), a programmable controller ( 10 ) for controlling the beam deflecting device ( 20 ), characterized in that the control device is adapted to control the beam deflecting device in the irradiation of a respective layer in the manner according to CAD data or geometric description data derived therefrom that they for stripwise formation of contiguous solidified areas of the shaped body cross-sectional pattern in a respective layer moves the beam relative to the layer so that the point of impact of the beam on the layer relative thereto has a component of motion in the respective strip longitudinal direction and the point of impact of the beam further comprises an oscillatory motion component superimposed on the first component of motion transverse to the strip longitudinal direction.
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