DE102016013854A1 - Method and device for producing a component by selective laser melting - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (12) durch selektives Laserschmelzen, bei welchem mittels wenigstens eines Lasers (14, 16) zumindest ein Laserstahl (34) bereitgestellt wird, mittels welchem pulverförmiges Material (18), aus welchem das Bauteil (12) hergestellt wird, aufgeschmolzen wird, wobei als der Laser (14, 16) ein Diodenlaser mit wenigstens einer Laserdiode (38) verwendet wird, mittels welcher der Laserstrahl (34) bereitgestellt wird.The invention relates to an apparatus and a method for producing a component (12) by selective laser melting, in which at least one laser steel (34) is provided by means of at least one laser (14, 16), by means of which powdered material (18) from which the Component (12) is produced, is melted, wherein as the laser (14, 16), a diode laser with at least one laser diode (38) is used, by means of which the laser beam (34) is provided.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und zum Herstellen eines Bauteils durch selektives Laserschmelzen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils durch selektives Laserschmelzen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 4.The invention relates to a method and to the production of a component by selective laser melting according to the preamble of patent claim 1 and to an apparatus for producing a component by selective laser melting according to the preamble of patent claim 4.
Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils durch selektives Laserschmelzen sind beispielsweise bereits der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass das Bauteil besonders zeit- und kostengünstig hergestellt werden kann.Object of the present invention is to provide a method and an apparatus of the type mentioned in such a way that the component can be made particularly time-consuming and inexpensive.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1 and by a device having the features of patent claim 4. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the remaining claims.
Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass das Bauteil besonders zeit- und kostengünstig hergestellt werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass als der Laser ein Diodenlaser mit wenigstens einer Laserdiode verwendet wird, mittels welcher der Laserstrahl bereitgestellt wird.In order to develop a method specified in the preamble of claim 1 type such that the component can be made particularly time and cost, it is provided according to the invention that as the laser, a diode laser is used with at least one laser diode, by means of which the laser beam is provided ,
Um eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 4 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass das Bauteil besonders zeit- und kostengünstig hergestellt werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Laser als Diodenlaser mit wenigstens einer Laserdiode ausgebildet ist, mittels welcher der Laserstrahl bereitstellbar ist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung anzusehen und umgekehrt.In order to develop a device specified in the preamble of claim 4 type such that the component can be made particularly time-consuming and inexpensive, it is inventively provided that the laser is designed as a diode laser with at least one laser diode, by means of which the laser beam can be provided. Advantages and advantageous embodiments of the method according to the invention are to be regarded as advantages and advantageous embodiments of the device according to the invention and vice versa.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der Diodenlaser eine Mehrzahl von untereinander beziehungsweise aufeinanderfolgend angeordneten Zeilen mit jeweils einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Laserdioden umfasst. Die Laserdioden sind somit in mehreren parallel zueinander verlaufenden Zeilen beziehungsweise Reihen und mehreren parallel zueinander verlaufenden Spalten und somit matrixartig angeordnet, wodurch beispielsweise eine bildschirmartige Anordnung der Laserdioden geschaffen ist. Hierdurch können beispielsweise Bilder auf ein das pulverförmige Material umfassendes Pulverbett projiziert werden, sodass mittels des jeweiligen Bilds das pulverförmige Material aufgeschmolzen werden kann. Dadurch kann das Bauteil besonders zeit- und kostengünstig hergestellt werden. Insbesondere kann durch eine solche Bildprojektion eine besonders hohe Aufbaurate realisiert werden, sodass das Bauteil besonders schnell hergestellt werden kann beziehungsweise sodass eine Vielzahl an Bauteilen in kurzer Zeit hergestellt werden kann. Dadurch kann eine besonders hohe Produktivität der Vorrichtung geschaffen werden.It has been found to be particularly advantageous if the diode laser comprises a plurality of mutually or successively arranged rows, each having a plurality of juxtaposed laser diodes. The laser diodes are thus arranged in a plurality of mutually parallel rows or rows and a plurality of mutually parallel columns and thus a matrix, whereby, for example, a screen-like arrangement of the laser diodes is created. As a result, for example, images can be projected onto a powder bed comprising the powdery material so that the powdery material can be melted by means of the respective image. As a result, the component can be made particularly time-consuming and inexpensive. In particular, a particularly high build-up rate can be realized by such an image projection, so that the component can be produced very quickly or so that a large number of components can be produced in a short time. As a result, a particularly high productivity of the device can be created.
Der Erfindung liegt insbesondere folgende Erkenntnis zugrunde: Bei dem selektiven Laserschmelzen, welches auch als Selective Laser Melting (SLM) bezeichnet wird, wird das Bauteil üblicherweise schichtweise aus losem, pulverförmigem Material aufgebaut, wobei das pulverförmige Material beispielsweise als Kunststoffpulver oder aber als Metallpulver ausgebildet ist. Dabei trägt beispielsweise ein Beschichter das pulverförmige Material auf eine Platte auf, wodurch das zuvor genannte Pulverbett gebildet wird. Daran anschließend wird mittels des Laserstrahls zumindest ein Teil des sich auf der Platte befindenden pulverförmigen Materials bedarfsgerecht verfestigt, indem zumindest ein Teil des pulverförmigen Materials mittels des Laserstrahls aufgeschmolzen wird. Dadurch wird beispielsweise eine Schicht des Bauteils gebildet. Die auch als Bauplatte bezeichnete Platte senkt sich daraufhin ab, und es wird erneut pulverförmiges Material auf die Platte und insbesondere auf die bereits hergestellte Schicht aufgetragen. Dann wird wieder zumindest ein Teil des aufgetragenen pulverförmigen Materials mittels des Laserstrahls aufgeschmolzen, wodurch eine zweite Schicht hergestellt wird. Durch das Aufschmelzen wird beispielsweise die zweite mit der ersten Schicht verbunden. Dieses Vorgehen findet iterativ solange statt, bis das Bauteil komplett aufgebaut ist. Das dadurch hergestellte beziehungsweise entstandene Bauteil besteht somit aus einer Vielzahl an einzelnen, miteinander verbundenen, insbesondere miteinander verschmolzenen, Schichten.In particular, the invention is based on the following knowledge: In the case of selective laser melting, which is also referred to as selective laser melting (SLM), the component is usually constructed in layers of loose, powdery material, the powdery material being formed, for example, as a plastic powder or as a metal powder , For example, a coater applies the powdery material to a plate, thereby forming the aforementioned powder bed. Following this, at least part of the powdery material located on the plate is solidified as required by means of the laser beam by melting at least part of the powdery material by means of the laser beam. As a result, for example, a layer of the component is formed. The plate, also referred to as a building board, then lowers, and again powdered material is applied to the board and in particular to the layer already produced. Then at least a part of the applied powdery material is again melted by means of the laser beam, whereby a second layer is produced. By melting, for example, the second is connected to the first layer. This procedure takes place iteratively until the component is completely assembled. The component thus produced or formed thus consists of a plurality of individual, interconnected, in particular fused together, layers.
Üblicherweise werden ein oder mehrere Faserlaser verwendet, um das pulverförmige Material aufzuschmelzen. Dabei wird der Laserstrahl in einem Kollimator erzeugt und anschließend mittels einer Spiegel- und Linsenoptik auf die Platte umgeleitet. Dabei fährt der Laserstrahl in Bahnen, ähnlich einer Schraffur, einen Pfad und somit die herzustellende Schicht des Bauteils ab. Durch Beaufschlagen des pulverförmigen Materials mit dem Laserstrahl wird in das pulverförmige Material Energie eingebracht, wodurch das pulverförmige Material aufgeschmolzen wird. Die eingebrachte Energie sorgt für das Aufschmelzen des pulverförmigen Materials, wodurch der beschriebene Schichtaufbau des Bauteils möglich wird. Beispielsweise wird der Laserstrahl mit einer Verfahrgeschwindigkeit in zwei senkrecht zueinander verlaufende Richtungen bewegt, um dadurch die jeweiligen Schicht herzustellen. Die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls ist bei dem Faserlaser aufgrund mechanischer Einschränkungen auf eine maximale Geschwindigkeit begrenzt. Aktuelle Verfahrgeschwindigkeiten liegen in einem Bereich von 1500 m/s bis 15000 m/s. Die Verfahrgeschwindigkeit wirkt sich proportional auf die Aufbaurate des Verfahrens aus. Üblicherweise weist der Faserlaser eine Leistung in einem Bereich von einschließlich 100 Watt bis einschließlich 1000 Watt auf.Typically, one or more fiber lasers are used to reflow the powdered material. The laser beam is generated in a collimator and then redirected by means of a mirror and lens optics to the plate. The laser beam travels in tracks, similar a hatching, a path and thus the layer of the component to be produced. By applying the powdered material with the laser beam, energy is introduced into the powdery material, whereby the powdery material is melted. The introduced energy ensures the melting of the powdery material, whereby the described layer structure of the component is possible. For example, the laser beam is moved at a traveling speed in two directions perpendicular to each other to thereby form the respective layer. The travel speed of the laser beam is limited to a maximum speed in the fiber laser due to mechanical limitations. Current travel speeds are in the range of 1500 m / s to 15000 m / s. The travel speed has a proportional effect on the build-up rate of the process. Typically, the fiber laser has power ranging from 100 watts to 1000 watts inclusive.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, einen konventionell zum Einsatz kommenden Faser- oder Scheibenlaser durch einen Diodenlaser zu ersetzen, welcher vorzugsweise eine Mehrzahl von jeweiligen Laserdioden zum Bereitstellen von jeweiligen Laserstrahlen umfasst. Dadurch kann beispielsweise das pulverförmige Material mit einer Vielzahl an von den Laserdioden gleichzeitig bereitgestellten Laserstrahlen beaufschlagt werden, sodass eine punktuelle Belichtung beziehungsweise Beaufschlagung des pulverförmigen Materials mit einem Laserstrahl vermeidbar und eine zumindest im Wesentlichen flächige Beaufschlagung beziehungsweise Belichtung des pulverförmigen Materials realisierbar ist. Der Diodenlaser beziehungsweise die jeweilige Laserdiode weist beispielsweise eine Ausgangsleistung von circa 80 Watt auf. Außerdem sind die Kosten eines Diodenlasers im Vergleich zu einem Faser- oder Scheibenlaser wesentlich geringer.By means of the method according to the invention and by means of the device according to the invention, it is possible to replace a conventionally used fiber or disk laser by a diode laser, which preferably comprises a plurality of respective laser diodes for providing respective laser beams. As a result, for example, the powdery material can be acted upon by a multiplicity of laser beams simultaneously provided by the laser diodes, so that a punctual exposure or impingement of the powdered material with a laser beam can be avoided and an at least substantially planar impingement or exposure of the pulverulent material can be realized. The diode laser or the respective laser diode has, for example, an output power of approximately 80 watts. In addition, the cost of a diode laser compared to a fiber or disk laser are much lower.
Die Laserdioden sind beispielsweise derart ausgerichtet, dass die von den jeweiligen Laserdioden gleichzeitig bereitgestellten Laserstrahlen zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, sodass es sich bei den Laserdioden um parallelisierte Laserdioden handelt. Dadurch kann ein hinreichender Betrag an Energie in das pulverförmige Material eingebracht werden, um das pulverförmige Material aufschmelzen zu können. Ähnlich wie bei einem LCD- oder TFT-Bildschirm kann eine besonders hohe Pixel- beziehungsweise Packungsdichte des Diodenlasers realisiert werden, indem je Flächeneinheit eine besonders hohe Anzahl an Laserdioden angeordnet wird. Im Vergleich zu konventionellen SLM-Anlagen kann die Produktivität gesteigert werden, wobei gleichzeitig die Kosten gesenkt werden können. Darüber hinaus kann der Wartungsaufwand im Vergleich zu dem Einsatz von Faserlasern reduziert werden.The laser diodes are, for example, aligned in such a way that the laser beams provided by the respective laser diodes run at least substantially parallel to one another, so that the laser diodes are parallelized laser diodes. As a result, a sufficient amount of energy can be introduced into the powdery material in order to be able to melt the powdery material. Similar to an LCD or TFT screen, a particularly high pixel density or packing density of the diode laser can be realized by arranging a particularly large number of laser diodes per unit area. In comparison to conventional SLM systems, productivity can be increased while costs can be reduced. In addition, the maintenance costs can be reduced compared to the use of fiber lasers.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.
Die Zeichnung zeigt in:The drawing shows in:
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, the same or functionally identical elements are provided with the same reference numerals.
Die Vorrichtung
Aus
Die Laser
Daraufhin wird die Platte
Um dabei das Bauteil
Die Laserdioden
Insbesondere ist aus
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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