DE102006059851A1 - Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils, insbesondere Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren zur Anwendung in einem Lasersinterautomaten, bei dem das Bauteil durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten aus verfestigbarem Baumaterial durch Einwirkung einer Strahlung, insbesondere einer Laserstrahlung, erzeugt wird, wobei der punkt- und/oder linienförmige Energieeintrag in mindestens einer Schicht in flächigen Einzelabschnitten erfolgt, wobei innerhalb eines Bauprozesses die Bestrahlungsreihenfolge zumindest bereichsweise derart abläuft, daß nach einem punkt- oder linienförmigen Energieeintrag innerhalb eines ersten Einzelabschnitts der folgende Energieeintrag in einem weiteren zweiten Einzelabschnitt erfolgt und der darauffolgende Energieeintrag entweder in einem dritten oder einem bereits bereichsweise bestrahlten (ersten) Einzelabschnitt erfolgt, wobei die nacheinander bestrahlten Einzelabschnitte und/oder erfolgten Energieeinträge nicht unmittelbar nebeneinander liegen.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils, insbesondere ein Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren zur Anwendung in einem Lasersinterautomaten, bei dem das Bauteil durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten aus verfestigbarem Baumaterial durch Einwirkung einer Strahlung, insbesondere einer Laserstrahlung, erzeugt wird, wobei der punkt- und/oder vorzugsweise linienförmige Energieeintrag in mindestens einer Schicht in flächigen Einzelabschnitten erfolgt.
- Aus den Patentanmeldungen
DE 100 42 134 A1 undDE 100 42 132 A1 sind Verfahren bekannt, bei welchen ein Bauteil durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten hergestellt wird, wobei der Energieeintrag in flächigen, beispielsweise quadratischen Einzelabschnitten erfolgt. Durch ein derartiges Verfahren wird es erreicht, die Spannungen bei der Verfestigung der einzelnen Schichten zu reduzieren. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 derart auszubilden, daß bei der Verfestigung der einzelnen Schichten möglichst geringe Spannungen innerhalb einer Bauteilschicht auftreten. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, die Einzelabschnitte und die Bestrahlungsabfolge derart zu definieren, daß sie abhängig von der Bauteilgeometrie bei der Herstellung nur geringe Spannungen erzeugen. Des weiteren soll ein einfacher und schneller Bauprozeß ermöglicht werden. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–12.
- Als Kern der Erfindung wird es angesehen, daß innerhalb eines Bauprozesses die Bestrahlungsreihenfolge zumindest bereichsweise derart abläuft, daß nach einem punkt- oder linienförmigen Energieeintrag innerhalb eines ersten Einzelabschnittes der folgende Energieeintrag in einem weiteren zweiten Einzelabschnitt erfolgt und der darauf folgende Energieeintrag entweder in einem dritten oder einem bereits bereichsweise bestrahlten Einzelabschnitt erfolgt, wobei die nacheinander bestrahlten Einzelabschnitte und/oder erfolgten Energieeinträge nicht unmittelbar nebeneinander liegen. Die Verwendung flächiger Einzelabschnitte, also Einzelabschnitte, die sowohl in X- als auch in Y-Richtung eine definierte Länge aufweisen, ermöglichen einen gezielteren und zugleich spannungsärmeren Energieeintrag in eine Bauteilschicht. Da der Energieeintrag nicht zwangsläufig als eine stetige Scanlinie einen Querschnitt des Bauteils überfahrt, kann über die Anordnung der Einzelabschnitte eine gezielte, auf die Bauteilgeometrie oder Bauteileigenschaften abgestimmte Verfestigung des Baumaterials erreicht werden. Insbesondere durch die Bestrahlungsreihenfolge gemäß Anspruch 1 und der Prämisse, daß nacheinander bestrahlten Einzelabschnitte und/oder Energieeinträge nicht unmittelbar nebeneinander liegen, wird erreicht, daß die erzeugten Spannungen auf den einzelnen Bauteilschichten auf einen geringen Bereich begrenzt sind.
- In vorteilhafter Weise entspricht der Abstand wenigstens zweier nacheinander bestrahlter Einzelabschnitte mindestens dem kleinsten Querschnitt eines Einzelabschnitts bzw. der Abstand wenigstens zwei Energieeinträge mindestens dem kleinsten Querschnitt eines Energieeintrages. Mittels eines solchen Mindestabstandes zweier Einzelabschnitte und/oder Energieeinträge wird gewährleistet, daß sich die eingebrachte Wärmeenergie nicht auf weitere benachbarte verfestigte, sowie nicht verfestigte Bereiche auswirkt.
- Eine weitere vorteilhafte Maßnahme ist es, die Bestrahlungsreihenfolge der Einzelabschnitte und/oder der Energieeinträge nach einem stochastischen Auswahlverfahren erfolgen zu lassen. Gleichzeitig ist jedoch die stochastische Auswahl der Bestrahlungsreihenfolge dahingehend beschränkt, daß keine zwei nacheinander erfolgten Energieeinträge unmittelbar nebeneinander liegen. Insbesondere die stochastische Verteilung gewährleistet einen gleichmäßigen Energieeintrag auf die einzelnen Schichten des Bauteils.
- Zur Steigerung der Stabilität des Bauteils kann es vorteilhafter Weise vorgesehen sein, die linienförmigen Energieeinträge in mindestens zwei Einzelabschnitten unterschiedlich auszurichten. Beispielsweise läßt sich die Stabilität, insbesondere die Biegesteifigkeit eines Bauteils, das aus quadratischen Einzelabschnitten, die in Art eines Schachbretts auf den einzelnen Schichten des Bauteils angeordnet sind, dadurch erhöhen, daß die Bestrahlungslinien abwechselnd im ersten Einzelabschnitt in einer ersten Richtung und in einem anschließenden Einzelabschnitt in einer zur ersten senkrechten Ausrichtung bestrahlt werden. Darüber hinaus können auch von 90° abweichende Ausrichtungswinkel bezogen auf einen ersten Energieeintrag vorteilhaft sein, beispielsweise eine 60°-Abweichung der Ausrichtung der Bestrahlungslinien bei einer hexagonalen Einzelabschnittsstruktur.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Form mindestens eines Einzelabschnittes quadratisch, ferner können die Einzelabschnittsformen auch rechteckig oder. sechseckig ausgebildet sein. Dabei muß die Form. und/oder Dimensionierung mindestens zweier Einzelabschnitte nicht zwangsläufig identisch sein, so ist es beispielsweise vorteilhaft, quadratische und rechteckige Einzelabschnitte innerhalb einer Bauteilschicht anzuordnen und damit durch die Erzeugung mittels eines Versatzes eine höhere Bauteilstabilität zu erreichen.
- Im weiteren wird vorgeschlagen, daß sich mindestens zwei Einzelabschnitte überschneiden, an derartigen Schnittpunkten, -linien oder -bereichen kann durch einen nochmaligen oder mehrfachen Energieeintrag eine höhere Dichte des Bauteils erreicht werden und damit die Gesamtstabilität des Bauteils bereichsabhängig positiv beeinflußt werden. Insbesondere ist es in diesem Zusammenhang von Vorteil, wenn die Randbereiche der Einzelabschnitte als Gitterstruktur separat und/oder durch Überschneidung mehrerer Einzelabschnitte bestrahlt werden. Eine derartige Gitterstruktur kann sowohl parallel zu den Schichten des Bauteils ausgerichtet sein, aber auch sich senkrecht oder in anderen Winkeln zu diesen über mehrere Bauteilschichten erstrecken. Dabei kann die Verfestigung der Gitterlinien als abschließende Bestrahlungsmaßnahme innerhalb einer Schicht erfolgen, beispielsweise mit einer Gruppierung definierter Einzelabschnitte.
- In Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, zumindest ein Teil der Einzelabschnitte zu mindestens zwei Einzelabschnittsgruppierungen zusammenzufassen, die sich in ihrer Bestrahlungsabfolge, Bestrahlungszeit, Einzelabschnittsform, Bestrahlungsintensität und/oder Grad der Überschneidung unterscheiden. Solch eine Gruppierung der Einzelabschnitte birgt eine Vielzahl von Vorteilen in sich. So stellt dies eine einfache ökonomische und zugleich zeitsparende Variante dar, um beispielsweise spezifische Dichteerhöhungen innerhalb einer Bauteilschicht einzubringen. So können beispielsweise zwei Einzelabschnittsgruppierungen, wie im obigen Beispiel kurz angerissen, nach Art eines Schachbretts (schwarze und weiße Felder) in einer Bauteilschicht verteilt sein und. diese „gewöhnlich" bestrahlen. Eine dritte Einzelabschnittsgruppierung dient nun dazu, gezielt bestimmte Bereiche innerhalb einer Bauteilschicht mit beispielsweise sechseckigen Einzelabschnitten und einer höheren Bestrahlungszeit, die dortigen Bereiche zu verdichten. Ein weiteres Beispiel ist es, einen ersten, im Betriebszustand des Bauteils gering belasteten Bereich eines Bauteils mit zwei Einzelabschnittsgruppierungen zu bestrahlen, deren Einzelabschnittsform einerseits quadratisch ist und deren Ränder sich nicht überschneiden und innerhalb derselben Bauteilschicht in einem zweiten, im Betriebszustand des Bauteils hoch belasteten Bereich des Bauteils diesen mit sechseckigen Einzelabschnittsformen zu bestrahlen und diese sich randseitig überschneiden zu lassen, so daß eine stabile hexagonale Gitterstruktur in dem zweiten Bereich der Bauteilschicht erzeugt wird. Diese beiden Beispiele zeigen, wie durch das erfindungsgemäße Verfahren eine höhere Stabilität und insbesondere eine bauteilbereichsspezifische Stabilität erreicht werden kann. Ferner kann es vorteilhaft sein, das Bauteil in einen Hüll- und in einen Kernbereich zu unterteilen und diese beiden Bereiche mit unterschiedlichen Einzelabschnittsgruppierungen zu versehen und zu bestrahlen.
- Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen
-
1 eine schematische Darstellung einer in Einzelabschnitten unterteilte Bauteilschicht nach dem Stand der Technik; -
2 eine schematische Darstellung gemäß1 mit einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsreihenfolge; -
3 eine schematische Darstellung gemäß1 mit einer alternativen erfindungsgemäßen Bestrahlungsabfolge; -
4 eine schematische Darstellung einer Bauteilschicht, welche durch Einzelabschnitte unterschiedlicher Geometrien bestrahlt wird; -
5 eine schematische Darstellung einer Bauteilschicht mit unterschiedlichen Einzelabschnittsgruppierungen. - In Zeichnungsfigur
1 ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils1 in der Draufsicht dargestellt. - Insbesondere handelt es sich um ein Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren zur Anwendung in einem Lasersinterautomaten, bei dem das Bauteil
1 durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten2 aus verfestigbarem Baumaterial durch Einwirkung einer Strahlung, insbesondere einer Laserstrahlung erzeugt wird. Dabei erfolgt der Energieeintrag3 in Linienform und erstreckt sich nicht stetig über die gesamte Bauteillänge, sondern ist in flächige Einzelabschnitte4 über das Bauteil1 verteilt. - Die Einzelabschnitte
4 sind mit den Großbuchstaben A, B, C, ... versehen, innerhalb der Einzelabschnitte4 sind die linienförmigen Energieeinträge3 mit einem kleinen Pfeil5 , der die Verfahrrichtung des Laserstrahls zeigt, dargestellt. Sämtliche Energieeinträge3 sind mit Kleinbuchstaben a, b, c, ... versehen, die die Reihenfolge der Bestrahlung angeben. So ist aus Zeichnungsfigur1 entnehmbar, daß als erstes im Einzelabschnitt4A dieser vollständig mit den Energieeinträgen3a –3e bestrahlt wird. Anschließend wird der Einzelabschnitt4F mit den Energieeinträgen3f –3j bestrahlt und nachfolgend wird mit dem Einzelabschnitt4G begonnen. Dabei sind die einzelnen nacheinander erfolgenden Energieeinträge3 , sowie die einzelnen nacheinander vollständig bestrahlten Einzelabschnitte4 voneinander beabstandet. - Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Bestrahlungsreihenfolge innerhalb eines Bauprozesses zumindest bereichsweise derart, daß nach einem ersten Punkt- oder linienförmigen Energieeintrag
3 innerhalb eines ersten Einzelabschnittes4 der folgende Energieeintrag3 in einem weiteren zweiten Einzelabschnitt4 erfolgt und der darauf folgende Energieeintrag3 entweder in einem dritten oder einem bereits bereichsweise bestrahlten Einzelabschnitt4 erfolgt, wobei die nacheinander bestrahlten Einzelabschnitte4 und/oder erfolgten Energieeinträge3 nicht unmittelbar nebeneinander liegen. Dies geht beispielsweise aus Zeichnungsfigur2 hervor, so findet der erste Energieeintrag3a im Einzelabschnitt4A statt, der darauffolgende zweite Energieeintrag3b im Einzelabschnitt4C , der dritte3c in Einzelabschnitt4E usw.. In dem in Zeichnungsfigur2 dargestellten Ausführungsbeispiel findet der zweite im Einzelabschnitt4A plazierte Energieeintrag j erst dann statt, wenn sämtliche Einzelabschnitte4 einen Energieeintrag3 erfahren haben. Weiter geht aus dem Ausführungsbeispiel hervor, daß der Abstand6 wenigstens zweier nacheinander bestrahlter Einzelabschnitte4A ,4F mindestens dem kleinsten Querschnitt7 eines Einzelabschnitts4F entspricht. Ferner ist erkennbar, daß der Abstand8 wenigstens zweier aufeinander folgender Energieeinträge3g ,3h mindestens dem kleinsten Querschnitt9 eines Energieeintrages3g entspricht. - In einem weiterführenden Ausführungsbeispiels gemäß Zeichnungsfigur
3 ist die Bestrahlungsreihenfolge der Einzelabschnitte4 und der Energieeinträge3 nach einem stochastischen Auswahlverfahren bestimmt. Der erste Energieeintrag3a findet im Einzelabschnitt4A , der zweite3b im Einzelabschnitt4H , der dritte3c im Einzelabschnitt4C , der vierte3d im Einzelabschnitt4G , usw. statt. Trotz des stochastischen Auswahlverfahrens sind die nacheinander bestrahlten Energieeinträge3 und Einzelabschnitte4 voneinander beabstandet (vgl. Abstände6 ,8 ). Neben dem stochastischen Auswahlverfahren geht aus dem Ausführungsbeispiel hervor, daß sich die Ausrichtung des linienförmigen Energieeintrages3 in mindestens zwei Einzelabschnitten4 unterscheidet. So sind die linienförmigen Energieeinträge3 der Einzelabschnitte4B ,4D ,4F ,4H , zueinander parallel, jedoch in auf die weiteren Einzelabschnitte4A ,4C ,4E ,4G ,4I senkrecht stehend ausgerichtet. - Daß die Form der Einzelabschnitte
4 nicht zwangsläufig quadratisch definiert sein muß, geht aus Zeichnungsfigur4 hervor, wonach innerhalb einer Schicht2 eines Bauteils1 die Einzelabschnitte3 sowohl quadratische, rechteckige wie auch sechseckige Formen umfassen können. Zur Steigerung der Stabilität des Bauteils1 kann es vorgesehen sein, die Bestrahlung derart zu gestalten, daß sich mindestens zwei Einzelabschnitte4 überschneiden (nicht dargestellt). Ferner kann durch die Bestrahlung der Randbereiche der Einzelabschnitte4 eine bauteilinterne Gitterstruktur geschaffen werden, die durch separate und/oder durch Überschneidung mehrerer Einzelabschnitte4 erzeugt werden kann. Beispielsweise kann die Verfestigung der Gitterlinien als abschließende Bestrahlungsmaßnahme innerhalb einer Schicht2 erfolgen. - Das Ausführungsbeispiel in Zeichnungsfigur
5 stellt ein Bauteil1 dar, das in der dargestellten Schicht2 einen u-förmigen Querschnitt aufweist. Die Einzelabschnitte4 sind in vier Einzelabschnittsgruppierungen10 zusammengefaßt. Die erste Einzelabschnittsgruppierung10 wird aus den Einzelabschnitten4A –4F gebildet; die zweite Einzelabschnittsgruppierung10 aus den Einzelabschnittsgruppen4G –4J ; die dritte aus den Einzelabschnitten K und L und die vierte aus den Einzelabschnitten4M –4P . Diese Einzelabschnittsgruppierungen10 sind entsprechend der Bauteilanforderungen mit einer unterschiedlichen Bestrahlungsabfolge, Bestrahlungszeit, Einzelabschnittsform, Bestrahlungsintensität und/oder unterschiedlichem Grad der Überschneidung bestrahlt. Eine derartige Aufteilung der Querschnittsschicht2 des Bauteils1 ist nicht nur bei kritischen Bauteilquerschnitten sinnvoll, sondern auch grundsätzlich bei massiven Bauteilen1 , die in einen Hüllbereich und einen Kernbereich unterteilbar sind, sinnvoll. Durch die Variation der Bestrahlungsabfolge, Bestrahlungszeit, Einzelabschnittsform, Bestrahlungsintensität und/oder dem Maß der Überschneidung von Einzelabschnitt4 lassen sich beispielsweise unterschiedliche Bauteildichten und/oder Stabilitäten innerhalb einer Schicht2 realisieren. -
- 1
- Bauteil
- 2
- Schicht
- 3
- Energieeintrag
- 4
- Einzelabschnitt
- 5
- Pfeil
- 6
- Abstand
von
4 - 7
- kleinster
Querschnitt von
4 - 8
- Abstand
von
3 - 9
- kleinster
Querschnitt von
3 - 10
- Einzelabschnittsgruppierung
- A, B, ...
- Einzelabschnitte
- a, b, ...
- Bestrahlungsfolge der Energieeinträge
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10042134 A1 [0002]
- - DE 10042132 A1 [0002]
Claims (12)
- Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils, insbesondere Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren zur Anwendung in einem Lasersinterautomaten, bei dem das Bauteil durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten aus verfestigbarem Baumaterial durch Einwirkung einer Strahlung, insbesondere einer Laserstrahlung, erzeugt wird, wobei der Punkt- und/oder linienförmige Energieeintrag in mindestens einer Schicht in flächigen Einzelabschnitten erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Bauprozesses die Bestrahlungsreihenfolge zumindest bereichsweise derart abläuft, daß nach einem ersten Punkt- oder linienförmigen Energieeintrag innerhalb eines ersten Einzelabschnitts der folgende Energieeintrag in einem weiteren zweiten Einzelabschnitt erfolgt und der darauffolgende Energieeintrag entweder in einem dritten oder einem bereits bereichsweise bestrahlten (ersten) Einzelabschnitt erfolgt, wobei die nacheinander bestrahlten Einzelabschnitte und/oder erfolgten Energieeinträge nicht unmittelbar nebeneinander liegen.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand wenigstens zweier nacheinander bestrahlter Einzelabschnitte mindestens dem kleinsten Querschnitt eines Einzelabschnitts entspricht.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand wenigstens zweier nacheinander erfolgender Energieeinträge mindestens dem kleinsten Querschnitt eines Energieeintrages entspricht.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsreihenfolge der Einzelabschnitte und/oder der Energieeinträge nach einem stochastischen Auswahlverfahren erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausrichtung des linienförmigen Energieeintrags in mindestens zwei Einzelabschnitten unterscheidet.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Form mindestens eines Einzelabschnitts quadratisch, rechteckig oder sechseckig ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Form und/oder Dimensionierung mindestens zweier Einzelabschnitte unterschiedlich ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens zwei Einzelabschnitte überschneiden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Randbereiche der Einzelabschnitte als Gitterstruktur separat und/oder durch Überschneidung mehrerer Einzelabschnitte bestrahlt werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigung der Gitterlinien als abschließende Bestrahlungsmaßnahme innerhalb einer Schicht erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Einzelabschnitte zu mindestens zwei Einzelabschnittsgruppierungen zusammengefaßt ist, die sich in ihrer Bestrahlungsabfolge, Bestrahlungszeit, Einzelabschnittsform, Bestrahlungsintensität und/oder Grad der Überschneidung unterscheiden.
- Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Einzelabschnittsgruppierung im wesentlichen im Hüllbereich und eine weitere Einzelabschnittsgruppierung im wesentlichen im Kernbereich eines Bauteils angeordnet ist.
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