DE102012013318A1

DE102012013318A1 - Verfahren und Vorrichtung zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts

Info

Publication number: DE102012013318A1
Application number: DE102012013318.9A
Authority: DE
Inventors: Gregor Szwedka
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2014-01-09
Also published as: EP2869984A1; US20150142158A1; US10220576B2; WO2014006192A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial an den dem Querschnitt des herzustellenden Objektes in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen durch Energieeinbringung mittels elektromagnetischer Strahlung, wobei eine Berechnung durchgeführt wird, welche Spannungen die während des lagenweisen Herstellens innerhalb des Objektes auftreten werden und beim Überschreiten eines Grenzwertes das herzustellende Objekt Zusatzstrukturen gegenüber der Sollform des herzustellenden Objektes erhält.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial an den dem Querschnitt des herzustellenden Objektes in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen durch Energieeinbringung mittels elektromagnetischer Strahlung und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Bei gattungsgemäßen Verfahren, welche mit schichtweisem Auftrag von Pulver arbeiten, führt die eingebrachte Energie zunächst zu einer – zumindest teilweisen – Verflüssigung der Pulverkörner. Wenn keine Energie mehr eingebracht wird, kühlen die verflüssigten Materialbereiche ab und es tritt eine Verfestigung ein.
Eines der möglichen Verfahren, sowie eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens ist unter dem Namen ”Selektives Lasersintern” bekannt und in der DE 10 2005 024 790 A1 offenbart. Gemäß dieser Druckschrift wird zunächst mittels eines Beschichters eine dünne Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials aufgetragen und dieses anschließend an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen durch Einwirken eines Laserstrahls verfestigt. Diese beiden Schritte werden abwechselnd solange wiederholt, bis das herzustellende dreidimensionale Objekt fertig gestellt ist.
Bedingt durch den Wechsel von Einbringen von Energie, einhergehend mit einer Erwärmung und der darauffolgenden Abkühlungsphase entstehen innerhalb des Objektes Spannungen. Nach dem beendeten Herstellungsvorgang wird das hergestellte Objekt einer Wärmebehandlung zugeführt, durch welche die Spannungen, die während des schichtweisen Aufbaus entstanden sind abgebaut werden.
Aus der DE 19511772 A1 ist es bekannt, für das herzustellende Objekt eine Stützkonstruktion herzustellen, welches das herzustellende Objekt mit einer massiven Metallplatte verbindet. Diese Stützkonstruktion reduziert den Verzug des herzustellenden Objektes, da den Kräften, welche in dem herzustellenden Objekt entstehen entsprechende Haltekräfte entgegenstehen.
Die bekannten Stützkonstruktionen verlaufen beim bekannten Stand der Technik im wesentlichen senkrecht von der stabilen Platte zum herzustellenden Objekt.
Bei Objekten, insbesondere Objekten, die einen offenen Querschnitt aufweisen tritt das Problem auf, dass nicht alle Stellen des Querschnitts mit einer Stützkonstruktion verbunden werden können.
Bei solchen Objekten können die inneren Spannungen zu einem Abweichen der aktuellen Form von der Sollform führen.
Aus der WO 2009/039159 A2 ist es bekannt, in Erwartung einer Abweichung während des Herstellungsprozesses für jede Schicht des Herstellungsprozesses die Abmessungen des herzustellenden Objektes so neu zu berechnen und zu verändern, dass die beim Herstellungsprozess auftretenden Effekte der Materialschrumpfung kompensiert werden und das fertig hergestellte Objekt trotz der Materialschrumpfung den Sollabmessungen entspricht. Nachteilig bei diesem Verfahren ist der hohe Rechenaufwand zur Neuberechnung aller Schichten des herzustellenden Objektes.
Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Spannungen im Objekt verbleiben und später, z. B. bei einer Wärmebehandlung zu einer Deformation führen können.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die Überlegungen, die zu der vorliegenden Erfindung führten machen sich die Erkenntnis zu eigen, dass beim schichtweisen Aufbau von Objekten die Stärke der inneren Spannungen vom Volumen des hergestellten Objektes abhängt. Da dieses Volumen mit jeder neuen Schicht sukzessive zunimmt, ist es vorausberechenbar, ab welcher Schicht so starke innere Spannungen auftreten werden, die zu einer Verformung des Bauteils führen würden, sofern nicht präventiv Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
Erfindungsgemäß sind diese Gegenmaßnahmen so ausgelegt, dass das herzustellende Teil Zusatzstrukturen gegenüber der Sollform des herzustellenden Objektes erhält. Diese Zusatzstrukturen können nach der Wärmebehandlung des vollständig hergestellten Objektes von diesem entfernt werden oder – sofern die Zusatzstruktur die Funktionalität des Objektes nicht stört – am Objekt verbleiben. Beispielsweise kann eine Zusatzstruktur, die sich in einem inneren Hohlraum des Objektes befindet, in diesem verbleiben.
Prinzipbedingt durch den schichtweisen Aufbau weisen die Objekte während des Herstellungsprozesses – zumindest zeitweilig – einen Querschnitt auf, den der Fachmann als „offen” bezeichnet. Beispielsweise weist ein Objekt, dessen Querschnitt nach der Fertigstellung „O” förmig, also „geschlossen” ist, während des Herstellungsvorgangs einen „offenen” in etwa „u” förmigen Querschnitt auf. Ein solches Objekt ist in dieser Phase des Herstellungsvorgangs gefährdet durch innere Spannungen einen Verzug zu erhalten. Die Erfindung ist natürlich nicht beschränkt auf Objekte mit einem „O” förmigen Profil. Die Beschreibung „O” förmig dient nur der leichten Veranschaulichung einer Form des Objektes bei welcher im inneren des Materials Spannungen auftreten, diese Spannungen jedoch zu keiner Verformung des Objektes führen.
Bei Objekten mit einem „offenen” Querschnitt führen die inneren Spannungen verstärkt zu einer Verformung des hergestellten Objektes, während bei Objekten mit einem geschlossenen Querschnitt innere Spannungen zu einer wesentlich verringerten Verformung führen.
In neuer und erfinderischer Weise wurde diese Erkenntnis eingesetzt, um das beanspruchte Herstellungsverfahren zu schaffen, bei welchem während des Herstellungsvorganges der „offene” Querschnitt durch die Zusatzstruktur die positiven Eigenschaften eines „geschlossenen” Querschnitts erhält, bei dem sich die inneren Spannungen im Gleichgewicht befinden.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, bei der Herstellung eines Objektes mit offenem Profi mindestens ein zusätzliches Versteifungselement zu schaffen, welches Kräfte, die aufgrund der inneren Spannungen auftreten so aufnimmt, dass keine Verformung des herzustellenden Objektes entsteht. Durch das zusätzliche Vorhandensein des Versteifungselements erhält das offene Profil des herzustellenden Gegenstandes eine erhöhte Stabilität gegen Verformung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert:
Es zeigen im einzelnen:
1 und 2 ein herzustellendes Objekt mit Stützstrukturen gemäß dem Stand der Technik in geschnittener Darstellung
3 und 4 ein herzustellendes Objekt mit erfinderischen Zusatzstrukturen
Das herzustellende Objekt 1 wurde in bekannter Weise lagenweise durch selektives Aufschmelzen und anschließendem Erstarren von pulverförmigem Material hergestellt. Das Objekt 1 ist in bekannter Weise allseitig umgeben von losem Pulver. Über eine Stützkonstruktion 2 ist das Objekt 1 mit einer Grundplatte 3 verbunden.
Der Herstellungsprozess beginnt, indem auf der Grundplatte 3 eine erste Pulverschicht aufgetragen wird. In dieser ersten Schicht beginnt das selektive Aufschmelzen und Abkühlen an den Stellen, die dem Querschnitt der Stützkonstruktion 2 entsprechen. Dieser Vorgang wird für eine Vielzahl von Lagen wiederholt. Die einzelnen Lagen werden in Richtung der Achse Z aufeinander angeordnet. Ab einer gewissen Anzahl von Lagen beginnt die Herstellung des eigentlichen Objektes 1.
Zur Klarstellung des Herstellungsprozesses wird darauf hingewiesen, dass während des lagenweisen Herstellungsvorganges ein unterbrechungsfreier Übergang von Grundplatte 3 in die Stützkonstruktion 2 und von der von Stützkonstruktion 3 zum Objekt 1 erfolgt. Hierdurch ist eine formschlüssige Verbindung von Grundplatte 3 und Objekt 1 gegeben.
Etwa ab der Lage n1 beginnt das herzustellende Objekt 1. Das Objekt 1 weist in Z Richtung etwa bis zur Lage n2 einen Querschnitt auf, der im Bereich 1a flach ausgebildet ist. Etwa ab der Lage n2 bis zur Lage n3 verläuft der mit 1b bezifferte Bereich 1b im Wesentlichen senkrecht nach oben.
Durch die oftmaligen, bei jeder Lage n auftretenden Erwärmungs- und Abkühlungsvorgänge entsteht im Objekt 1 eine innere Spannung, welche eine Kraft F in Richtung der Pfeile F erzeugt. Diese Kraft F kann in nachteiliger Weise zu einer Verformung der Bereiche 1b des Objektes 1 führen.
Das Verfahren berechnet die Kraft F sowohl unter Berücksichtigung des Teil-Volumens des Objektes 1, das in den bisherigen Lagen verfestigt wurde als auch unter Berücksichtigung des Teil Volumens des Objekts 1 das in folgenden Lagen verfestigt werden wird.
Die 2 zeigt eine Lösung nach dem Stand der Technik, bei welcher die von der Grundplatte 3 ausgehende Stützstruktur 2 zusätzliche Strukturelemente 2a aufweist, die im Bereich 1b des Objektes 1 enden. Diese Strukturelemente 2a können Zugkräfte aufnehmen, welche der Kraft P entgegenwirken und können so der Verformung des Objektes 1 entgegenwirken. Die Strukturelemente 2a verlaufen im Wesentlichen senkrecht von der Grundplatte 3 zum Objekt 1.
Je nach Form des herzustellenden Objektes 1 kann es vorkommen, dass Bereiche des Objekts 1 nicht von den senkrecht nach oben verlaufenden Strukturelementen 2a erreichbar sind. Beim dem in der 2 gezeigten Objekt 1 ist dies der Bereich 1c.
Die 3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung, bei welcher das Objekt 1 wie üblich über die Stützstruktur 2 mit der Bodenplatte 3 verbunden ist. Entsprechend der Erfindung sind mehrere Zusatzstrukturen 4 hergestellt worden, welche im Wesentlichen horizontal und somit im Wesentlichen parallel zum Verlauf der Schichten generiert werden. Die Herstellung der jeweiligen Zusatzstrukturen 4 wurde im gezeigten Beispiel jeweils bereits in einer Schicht begonnen, bei welcher im Objekt 1 noch keine zu einer Verformung führende innere Spannung auftritt.
Prinzipbedingt durch die schichtweise Herstellung benötigen die horizontal verlaufenden Zusatzstrukturen 4 auch ihrerseits senkrecht verlaufende Stützelemente, um eine Herstellbarkeit zu gewährleisten. Im gezeigten Beispiel sind mehrere Zusatzstrukturen 4 übereinander angeordnet. Diese Zusatzstrukturen 4 sind kaskadiert aufeinander durch senkrecht verlaufende Stützelemente abgestützt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde jedoch auf die Darstellung dieser senkrechten Stützelemente verzichtet.
Wenn nun im Verlauf des weiteren Herstellungsprozesses die vorherberechnete innere Spannung auftritt, verhindern die bereits vorhandenen Zusatzstrukturen 4 eine Verformung des Objektes 1. Aufgrund der Zusatzstrukturen 4 kann in vorteilhafter Weise gegebenenfalls auch die Anzahl der Strukturelemente 2a reduziert werden.
Die 4 zeigt eine Abwandlung des Objektes 1. Der Bereich 1d weist ein gegenüber den übrigen Bereichen des Objektes 1 ein relativ großes Volumen auf. Die errechneten inneren Spannungen sind im Bereich 1d daher höher als in den übrigen Bereichen des Objektes 1. Dementsprechend ist die Zusatzstruktur 4 verhältnismäßig massiv ausgestaltet.
Generell sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass die Ausmaße der Zusatzstrukturen 4 so berechnet werden, dass das so wenig Material wie nötig verwendet wird, aber die Zusatzstrukturen dennoch stets ausreichend stabil sind.
Der Bereich 1e überragt die übrigen Bereiche des Objektes 1 und daher ist es nicht möglich diesen Bereich 1e durch eine horizontal verlaufende Zusatzstruktur 4 abzustützen. Zudem ist der Bereich 1e nach innen geneigt, d. h. unerreichbar für ein senkrecht von der Grundplatte 3 ausgehendes Strukturelement 2a.
Für solche Anwendungsfälle sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, eine Zusatzstruktur 5 zu schaffen, welche das Objekt 1 so erweitert, dass die Zusatzstruktur 5 von einem senkrecht aus der Grundplatte 3 aufsteigendem Strukturelement 2a erreichbar ist.
Diese Zusatzstruktur 5 ist nach der Wärmebehandlung des fertig hergestellten Objektes 1 entfernbar.
Das Verfahren findet Anwendung in einer Vorrichtung, welche schichtweise Material selektiv verfestigt. Die Vorrichtung umfasst eine Grundplatte (3) auf der das Objekt (1) schichtweise aufgebaut wird, eine Vorrichtung durch welche Material schichtweise auf der Grundplatte oder einer zuvor bereitgestellten Schicht des Materials bereitstellbar ist, eine Energiequelle durch welche Energie in eine zuvor aufgetragene Schicht des Aufbaumaterials einbringbar ist und eine Steuereinheit zum Steuern des Bereitstellens einer Schicht und dem Einbringen der Energie.
Die Berechnung an welchen Stellen die Zusatzstrukturen 4 und 5 an das Objekt 1 angebracht werden erfolgt durch ein Computerprogramm. Dieses Computerprogramm steuert eine Steuereinheit mit einer CPU. Die Steuereinheit steuert ihrerseits die Energieeinbringung mittels elektromagnetischer Strahlung an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen durch Einwirken eines Laserstrahls verfestigt.
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 102005024790 A1 [0003]
DE 19511772 A1 [0005]
WO 2009/039159 A2 [0009]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial an den dem Querschnitt des herzustellenden Objektes (1) in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen durch Energieeinbringung mittels elektromagnetischer Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Berechnung durchgeführt wird, welche Spannungen während des lagenweisen Herstellens innerhalb des Objektes (1) auftreten werden und beim Überschreiten eines Grenzwertes das herzustellende Objekt (1) eine oder mehrere Zusatzstrukturen (4, 5) zusätzlich zu der Sollform des herzustellenden Objektes erhält.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das lagenweise hergestellte Objekt (1) nach der Fertigstellung der letzten Lage einer Wärmebehandlung zugeführt wird, durch welche Spannungen innerhalb des vollständig hergestellten Objektes (1) beseitigt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzstrukturen (4, 5) von dem hergestellten Objekt (1) entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzstruktur (4), die sich in einem inneren Hohlraum des Objektes befindet, in diesem verbleibt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dass die Berechnung das Volumen des Objektes (1) und die spezifischen Materialeigenschaften berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung das Teil-Volumen des Objektes (1) berücksichtigt, welches in bereits hergestellten Schichten vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung das Teil-Volumen des Objektes (1) berücksichtigt, welches sich in den noch herzustellenden Schichten befindet.
Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfassend – eine Grundplatte (3) auf der das Objekt (1) schichtweise aufbaubar ist, – eine Vorrichtung durch welche Material schichtweise auf der Grundplatte (3) oder einer zuvor bereitgestellten Schicht des Materials bereitstellbar ist, – eine Energiequelle durch welche Energie in eine zuvor aufgetragene Schicht des Aufbaumaterials einbringbar ist und eine Steuereinheit zum Steuern des Bereitstellens einer Schicht und dem Einbringen der Energie.
Computerprogramm, das in der Lage ist, wenn es ausgeführt wird, eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumaterials durch Einwirkung von Energie so zu steuern, dass die Vorreichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchführt.
Dreidimensionales Objekt, das durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt wurde.