DE102015000103A1 - Method for producing three-dimensional objects - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen, mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere gebündelter Strahlung wie Laserstrahlung oder Elektronenstrahlung, verfestigbaren Aufbaumaterials an den dem jeweiligen Querschnitt der Objekte entsprechenden Stellen, insbesondere SLM (selective laser melting)-Verfahren, wobei eine Vorrichtung vorgesehen wird, mit einer innerhalb einer Baukammer höhenverlagerbaren Tragevorrichtung zum Tragen des Objektes, einer Beschichtungsvorrichtung zum Aufbringen von Schichten des Aufbaumaterials auf die Tragevorrichtung oder eine zuvor gebildete Schicht sowie eine Bestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen von Schichten des Aufbaumaterials, wobei der Herstellungsvorgang durch abgespeicherte 3D-Baudaten gesteuert wird und wobei eine optische Überwachungseinrichtung vorgesehen wird, mit welcher während des Bauvorgangs Sensorwerte betreffend einen durch einen punkt- und/oder linienförmigen Energieeintrag erzeugte Schmelzebereiche hinsichtlich ihrer tatsächlichen Position bezogen auf einen definierten Bezugspunkt mit räumlichen Koordinatenwerten (X-, Y- und Z-Koordinate) abgespeichert werden, wobei die beim Bauvorgang erfassten Koordinaten als Meltpool-Daten mit den den Herstellungsvorgang steuernden 3D-Baudaten zur Bestimmung von räumlichen Abweichungen des fertiggestellten Bauteils von Soll-Abmessungen des Bauteils korreliert werden.The invention relates to a method for the production of three-dimensional objects by successive solidification of layers of a pulverulent building material, which can be solidified by electromagnetic radiation, in particular bundled radiation such as laser radiation or electron radiation, at the locations corresponding to the respective cross section of the objects, in particular SLM (Selective Laser Melting). Method, wherein a device is provided, with a höhenverlagerbaren within a building chamber support device for supporting the object, a coating device for applying layers of the building material on the support device or a previously formed layer and an irradiation device for irradiating layers of the building material, wherein the manufacturing process by stored 3D-Baudaten is controlled and wherein an optical monitoring device is provided with which during the construction process sensor values a generated by a punctiform and / or linear energy input melt areas with respect to their actual position relative to a defined reference point with spatial coordinate values (X, Y and Z coordinate) are stored, the detected during the construction process coordinates as Meltpool data with the 3D construction data controlling the manufacturing process for determining spatial deviations of the finished component from target dimensions of the component are correlated.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen, mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere gebündelter Strahlung wie Laserstrahlung oder Elektronenstrahlung verfestigbaren Aufbaumaterials mit den weiteren Merkmalen des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for the production of three-dimensional objects by successive solidification of layers of a pulverulent build-up material which can be solidified by means of electromagnetic radiation, in particular bundled radiation such as laser radiation or electron radiation, having the further features of claim 1.

Zur Durchführung derartiger Verfahren, die als Selective Laser Melting (SLM) Verfahren bekannt sind, wird eine Vorrichtung vorgesehen, bei welcher innerhalb einer Baukammer eine höhenverlagerbare Tragevorrichtung zum Tragen des Objektes vorgesehen ist. Eine Beschichtungsvorrichtung dient zum Aufbringen von Schichten des Aufbaumaterials auf die Tragevorrichtung oder eine zuvor gebildete Schicht. Eine Bestrahlungseinrichtung wird dazu herangezogen, die Baumaterialschichten selektiv an den zu verfestigenden Stellen zu bestrahlen. Ein derartig ablaufender Herstellungsvorgang wird durch abgespeicherte 3D-Baudaten gesteuert. Zur Überwachung des Verfahrens und insbesondere zur Qualitätskontrolle des entstehenden Bauteils ist eine optische Überwachungseinrichtung vorgesehen, mit der während des Bauvorgangs Sensorwerte betreffend einen durch einen punkt- oder linienförmigen Energieeintrag erzeugte Schmelzebereiche hinsichtlich ihrer tatsächlichen Position bezogen auf einen definierten Bezugspunkt mit räumlichen Koordinatenwerten, d. h. mit X-, Y- und Z-Koordinate abgespeichert werden. Diese Koordinaten können auch als Meltpool-Koordinaten bezeichnet werden.For carrying out such methods, which are known as Selective Laser Melting (SLM) methods, a device is provided in which a height-displaceable carrying device for carrying the object is provided within a building chamber. A coating device is used for applying layers of the building material to the carrying device or a previously formed layer. An irradiation device is used to irradiate the building material layers selectively at the sites to be solidified. Such a running production process is controlled by stored 3D-Baudaten. For monitoring the method and in particular for quality control of the resulting component, an optical monitoring device is provided, with which during the construction process sensor values concerning a melt areas generated by a point or line energy input with respect to their actual position with respect to a defined reference point with spatial coordinate values, d. H. be stored with X, Y and Z coordinates. These coordinates can also be referred to as Meltpool coordinates.

Eine derartige Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren sind aus DE 20 2010 010 771 U1 bekannt. Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart auszubilden, dass verbesserte Aussagen über die Qualität des entstehenden Bauteils gewonnen werden können. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die beim Bauvorgang gemessenen Koordinaten, nämlich die Meltpool-Koordinaten bzw. die Meltpool-Daten mit den dem Bauvorgang zugrundeliegenden, d. h. den mit den den Herstellungsvorgang steuernden 3D-Baudaten zur Bestimmung von räumlichen Abweichungen des fertiggestellten Bauteils von Soll-Abmessungen des Bauteils korreliert werden.Such a device and an associated method are made of DE 20 2010 010 771 U1 known. Based on this prior art, the invention has the object, a method with the features of the preamble of claim 1 in such a way that improved statements about the quality of the resulting component can be obtained. This object is achieved by the coordinates measured during the construction process, namely the Meltpool coordinates or the Meltpool data with the 3D construction data underlying the construction process, ie the 3D construction data controlling the manufacturing process for determining spatial deviations of the finished component from the target Dimensions of the component are correlated.

Durch eine derartige Korrelation, d. h. einen Vergleich der Soll-Daten, aus welchen sich die Soll-Abmessungen des Bauteils ergeben und den Ist-Baudaten, die im Wege eines Reverse-Engineering Prozesses aus den Meltpool-Koordinaten, d. h. den X- und Y-Werten betreffend die gemessene Lage der Schmelzestellen ergeben, lässt sich feststellen, ob sich das Bauteil in irgendeiner Weise beim Bauvorgang verzogen hat. Mit den Meltpool-Daten bzw. Koordinaten kann noch während des Bauvorganges oder danach im Wege eines „Reverse-Engineering” der dreidimensionale fertiggestellte oder teilfertiggestellte Körper mit seinen tatsächlich beim Bauvorgang entstandenen Abmessungen nachgebildet werden und ermöglicht dadurch einen Vergleich mit den Soll-Daten.By such correlation, i. H. a comparison of the desired data, from which the target dimensions of the component result and the actual baud data, by way of a reverse engineering process from the Meltpool coordinates, d. H. Given the X and Y values relating to the measured location of the melting points, it is possible to determine whether the component has warped in any way during the construction process. With the Meltpool data or coordinates, the three-dimensional finished or partially finished body with its dimensions actually created during the construction process can still be simulated during the construction process or thereafter by means of "reverse engineering" and thereby enables a comparison with the desired data.

Grundsätzlich bietet sich das Verfahren an, um einen fertiggestellten Körper hinsichtlich seiner Abmessungen mit den Soll-Abmessungen aus den 3D-Baudaten zu vergleichen. Es kann aber auch von großem Vorteil sein, bei erheblichen Abweichungen, die während des Bauprozesses Schicht für Schicht festgestellt werden können, den Bauvorgang zu unterbrechen oder abzubrechen, je nachdem wie gravierend die Abweichungen sind. Geringe Abweichungen können gegebenenfalls durch einen aktiven Eingriff in den Bauprozess noch korrigiert werden, z. B. durch eine Nachjustierung der Scannereinrichtung. Dies kann auf unterschiedliche Weise, beispielsweise durch Ab- oder Überschmelzen, durch mechanischen Abtrag und dergleichen erfolgen.In principle, the method lends itself to comparing a finished body in terms of its dimensions with the nominal dimensions of the 3D construction data. However, it can also be of great advantage, in the case of significant deviations that can be determined layer by layer during the construction process, to interrupt or interrupt the construction process, depending on how serious the deviations are. Minor deviations may possibly be corrected by an active intervention in the construction process, z. B. by a readjustment of the scanner device. This can be done in different ways, for example by melting or melting, by mechanical removal and the like.

Das Verfahren kann auch als optisches Überwachungsverfahren gestaltet werden, wobei beispielsweise durch Datensätze oder Teildatensätze im Wege eines Best Fit Verfahrens beim Bauvorgang eingetretene Abweichungen von den Soll-Abmessungen des dreidimensionalen Körpers ermittelt und auf einem Display graphisch dargestellt werden.The method can also be designed as an optical monitoring method, whereby deviations from the desired dimensions of the three-dimensional body that occur during the construction process, for example, are determined by data sets or partial data records by way of a Best Fit method and graphically displayed on a display.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann eine Meltpool-Z-Koordinate aus den Fokusdaten des Scanners abgeleitet werden, dieser wird wie ein „Autofokus-System” auf die beschichtete Bauoberfläche fokussieren und insofern eine Z-Abweichung der Bauoberfläche von einer Soll-Oberfläche feststellen.In an advantageous embodiment of the invention, a Meltpool Z coordinate can be derived from the focus data of the scanner, this will focus on the coated building surface like an "autofocus system" and thus determine a Z deviation of the building surface from a target surface.

Beide Darstellungen, nämlich die graphische Darstellung des tatsächlich entstandenen Körpers, gewonnen aus dem X-, Y-, und gegebenenfalls aus den Z-Meltpool-Daten und den 3D-Baudaten können auf dem Display übereinandergelegt werden, Abweichungen können farblich hervorgehoben werden, mit großem Vorteil ist es auch möglich, schichtweise vorliegende Baudaten und schichtweise gewonnene Meltpool-Daten bzw. Koordinaten einzeln als Bauteilschichten graphisch darzustellen. Dann kann kontrolliert werden, in welcher Schicht erstmals Abweichungen von den Sollmaßen des Bauteils entstanden sind.Both representations, namely the graphic representation of the actually formed body, obtained from the X, Y, and possibly from the Z-Meltpool data and the 3D-Baudaten can be superimposed on the display, deviations can be highlighted in color, with large Advantageously, it is also possible to present graphically present baud data and layer-wise obtained Meltpool data or coordinates individually as component layers. Then it is possible to check in which layer for the first time deviations from the nominal dimensions of the component have arisen.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:The invention is explained in more detail with reference to embodiments in the drawing figures. These show:

1 eine schematische graphische Darstellung der Korrelierung zwischen 3D-Baudaten und den beim Bauprozess gewonnenen Meltpool-Daten anhand eines perspektivisch und schichtweise dargestellten Quaders; 1 a schematic graphical representation of the correlation between 3D construction data and the Meltpool data obtained during the construction process based on a rectangular and layered cuboid shown;

1a eine Draufsicht auf die Darstellung gem. 1; 1a a plan view of the representation acc. 1 ;

2 eine schematische Darstellung gem. 1, bei welcher Abweichungen auch in Z-Richtung vorhanden sind. 2 a schematic representation acc. 1 in which deviations are also present in the Z direction.

Bei den Darstellungen des Quaders sind sehr vereinfacht drei gebaute Schichten 1a, 1b, 1c dargestellt. Bei den Schichten 1a und 1b sei angenommen, dass die Baudaten und die ermittelten Meltpool-Daten noch genau übereinstimmen, d. h. dass beim Bauvorgang keinerlei Verzug oder eine sonstige Abweichung innerhalb dieser Schichten 1a und 1b stattgefunden hat.In the representations of the cuboid are very simplified three built layers 1a . 1b . 1c shown. At the layers 1a and 1b It is assumed that the construction data and the determined Meltpool data still agree exactly, ie that during the construction process no delay or any other deviation within these layers 1a and 1b took place.

Die rechte hintere Ecke der Schicht 1c hat sich allerdings aus irgendwelchen Gründen beim Bauvorgang seitlich verzogen. Dies kann z. B. durch eine Verstellung der Scanneroptik verursacht werden.The right back corner of the layer 1c However, has moved laterally for some reason during the construction process. This can be z. B. caused by an adjustment of the scanner optics.

Die Meltpool-Daten 20, die zeichnerisch als kleines „x” dargestellt sind, stimmen nicht mit den Baudaten 30, die als „o” dargestellt sind, überein, sondern es kommt zu einer seitlichen Abweichung Δ, die aufgrund der Korrelation graphisch ausgewertet bzw. angezeigt werden kann. Erfasst werden z. B. über einen Scanner 10, über den die Strahlung 11 eines Lasers 12 auf ein auf der Schicht 1c aufgetragenes Pulverbett gerichtet wird, um dort einen Aufschmelzevorgang zu bewirken, der zu einem Schmelzepool (Meltpool) 13 führt, die X-, Y- und gegebenenfalls die Z-Koordinate dieses Schmelzepools.The Meltpool data 20 , which are shown graphically as a small "x", do not match the construction data 30 , which are represented as "o", but there is a lateral deviation Δ, which can be graphically evaluated or displayed due to the correlation. Are detected z. B. via a scanner 10 over which the radiation 11 a laser 12 on one on the shift 1c applied powder bed is directed to cause there a melting process, the melt pool (Meltpool) 13 leads, the X, Y and optionally the Z coordinate of this melt pool.

Stimmen die Koordinaten des Schmelzepools 13 nicht mit den dem Bauvorgang zugrundeliegenden Soll-Koordinaten überein, ist dies ein sicheres Anzeichen für einen Baufehler.Voices the coordinates of the melt pool 13 not coincide with the target coordinates underlying the construction process, this is a sure sign of a construction error.

Es sei angemerkt, dass die Darstellungen lediglich sehr vereinfachte Beispiele sind, Δ-Abweichungen, wie sie zeichnerisch dargestellt sind, können sehr viel komplexer sein, selbstverständlich auch im Bereich einer Schichtmitte vorliegen oder z. B. als Erhebung oder Beule in einer Schicht vorliegen, z. B. eine Aufwertung der Schicht 1e in einem Eckbereich sein, wie z. B. in 2 dargestellt.It should be noted that the illustrations are only very simplified examples, Δ deviations, as shown in the drawing, can be much more complex, of course also be in the range of one layer center or z. B. as a survey or bulge in a layer, z. B. an upgrading of the layer 1e be in a corner area, such. In 2 shown.

Ist die Δ-Abweichung klein genug, dann kann unter Umständen ein Eingriff in den Bauprozess zu einer Korrektur der Δ-Abweichung führen, wird die Δ-Abweichung als so gravierend bewertet, dass eine Korrektur innerhalb des laufenden Bauprozesses nicht mehr möglich erscheint, kann der Bauprozess abgebrochen werden, um teures Aufbaumaterial und Maschinenzeit einzusparen.If the Δ deviation is small enough, then an intervention in the construction process can possibly lead to a correction of the Δ deviation. If the Δ deviation is rated so serious that a correction within the current construction process no longer seems possible, the Construction process to be stopped to save expensive construction material and machine time.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1a, b, c1a, b, c
Schichtlayer
1010
Scannerscanner
1111
Strahlungradiation
1212
Laserlaser
1313
Schmelzepool (Meltpool)Melting pool (Meltpool)
2020
Meltpool-DatenMeltpool data
3030
BaudatenConstruction Data

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 202010010771 U1 [0003] DE 202010010771 U1 [0003]

Claims (9)

Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen, mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere gebündelter Strahlung wie Laserstrahlung oder Elektronenstrahlung, verfestigbaren Aufbaumaterials an den dem jeweiligen Querschnitt der Objekte entsprechenden Stellen, insbesondere SLM (selective laser melting)-Verfahren, wobei eine Vorrichtung vorgesehen wird, mit einer innerhalb einer Baukammer höhenverlagerbaren Tragevorrichtung zum Tragen des Objektes, einer Beschichtungsvorrichtung zum Aufbringen von Schichten des Aufbaumaterials auf die Tragevorrichtung oder eine zuvor gebildete Schicht sowie eine Bestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen von Schichten des Aufbaumaterials, wobei der Herstellungsvorgang durch abgespeicherte 3D-Baudaten gesteuert wird und wobei eine optische Überwachungseinrichtung vorgesehen wird, mit welcher während des Bauvorgangs Sensorwerte betreffend einen durch einen punkt- und/oder linienförmigen Energieeintrag erzeugte Schmelzebereiche hinsichtlich ihrer tatsächlichen Position bezogen auf einen definierten Bezugspunkt mit räumlichen Koordinatenwerten (X-, Y- und Z-Koordinate) abgespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Bauvorgang erfassten Koordinaten als Meltpool-Daten (20) mit den den Herstellungsvorgang steuernden 3D-Baudaten zur Bestimmung von räumlichen Abweichungen des fertiggestellten Bauteils von Soll-Abmessungen des Bauteils korreliert werden.A process for the production of three-dimensional objects by sequentially solidifying layers of a pulverulent build-up material which can be solidified by means of electromagnetic radiation, in particular focused radiation such as laser radiation or electron radiation, at the locations corresponding to the respective cross-section of the objects, in particular SLM (selective laser melting) method, wherein Device is provided, with a höhenverlagerbaren within a building chamber support device for supporting the object, a coating device for applying layers of the building material on the support device or a previously formed layer and an irradiation device for irradiating layers of the building material, wherein the manufacturing process by stored 3D-Baudaten is controlled and wherein an optical monitoring device is provided, with which during the construction process sensor values concerning a by a punkt- u nd / or linear energy input generated melt portions with respect to their actual position relative be saved to a defined reference point with spatial coordinate values (X, Y and Z-coordinate), characterized in that the detected during construction process coordinates (as Meltpool data 20 ) are correlated with the 3D construction data controlling the manufacturing process for determining spatial deviations of the finished component from target dimensions of the component. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Meltpool-Daten (20) nach dem Bauvorgang im Wege eines Reverse Engineering der dreidimensionale Körper virtuell nachgebildet wird.Method according to claim 1, characterized in that from the Meltpool data ( 20 ) after the construction process by means of reverse engineering of the three-dimensional body is virtually replicated. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Meltpool-Daten (20) gewonnene Reverse Engineering Daten betreffend entweder den ganzen dreidimensionalen Körper oder Abschnitte davon mit 3D-Baudaten (30) korreliert werden, wobei durch die Datensätze oder Teildatensätze im Wege eines „Best Fit Verfahrens” beim Bauvorgang eingetretene Abweichungen von den Soll-Abmessungen des dreidimensionalen Körpers ermittelt und/oder dargestellt werden.Method according to claim 1 or 2, characterized in that from the Meltpool data ( 20 ) obtained reverse engineering data concerning either the entire three-dimensional body or portions thereof with 3D construction data ( 30 ), whereby deviations from the desired dimensions of the three-dimensional body occurring during the construction process are determined and / or represented by the data sets or partial data records by way of a "best fit method". Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, gekennzeichnet durch Verwendung eines 3D-Scanners, wobei eine Meltpool Z-Koordinate aus den Fokusdaten des Scanners (10) abgeleitet wird.Method according to one of claims 1-3, characterized by using a 3D scanner, wherein a Meltpool Z coordinate from the focus data of the scanner ( 10 ) is derived. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Darstellung des dreidimensionalen Körpers auf einem Display sowohl aus den Baudaten (30) als auch aus den Meltpool-Daten (20) erfolgt, wobei die Darstellungen zur aus beiden Datensätzen (20, 30) graphischen Darstellung von Bauabweichungen übereinandergelegt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a representation of the three-dimensional body on a display both from the building data ( 30 ) as well as from the Meltpool data ( 20 ), the representations of the two datasets ( 20 . 30 ) graphic representation of deviations are superimposed. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die übereinandergelegten Darstellungen unterschiedliche Farben aufweisen.A method according to claim 5, characterized in that the superimposed representations have different colors. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichungen auf dem Display insbesondere farblich darstellbar und/oder vermessbar sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the deviations on the display in particular color representable and / or vermessbar. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass schichtweise vorliegende Baudaten (30) und schichtweise gewonnene Meltpool-Daten (20) einzeln als Bauteilschichten (1a, 1b, 1c) graphisch darstellbar sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that layered baud data ( 30 ) and layered Meltpool data ( 20 ) individually as component layers ( 1a . 1b . 1c ) are graphically displayed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den schichtweisen graphischen Darstellungen Form und Größe der Meltpools (13) darstellbar ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the layer-by-layer graphic representations the shape and size of the melt pools ( 13 ) can be displayed.
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