DE102016014276A1 - Verfahren zur Steuerung der Herstellung von Körpern durch Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht oder schichtweisen Abtrag von Material jeweils durch Bestrahlen der jeweiligen Schicht mit Laserstrahlung - Google Patents

Verfahren zur Steuerung der Herstellung von Körpern durch Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht oder schichtweisen Abtrag von Material jeweils durch Bestrahlen der jeweiligen Schicht mit Laserstrahlung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Steuerung der Herstellung von Körpern durch Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht oder schichtweisen Abtrag von Material jeweils durch Bestrahlen der jeweiligen Schicht mit Laserstrahlung über mindestens einen Scanner zur Ablenkung und Führung der Laserstrahlung auf dem Körper. Die Verfahren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass Körper schneller und damit ökonomischer herstellbar sind. In einem Datenverarbeitungssystem werden die ein Volumenmodell oder ein digitales Abbild des Körpers repräsentierenden Daten erzeugt, die an eine programmierbare Steuereinrichtung übertragen werden. Nacheinander werden dabei die Daten der jeweils aktuell aufzubauenden oder abzutragenden Schicht generiert. Dazu wird die durch die Bewegung des Scanners jeweils bestimmte Bearbeitung des Körpers durch eine Geradenfunktion mit Laseran-Signalen und Laseraus-Signalen jeweils vor der zeilenförmigen Bearbeitung bestimmt und damit der Laser gesteuert, so dass ein zeilenförmiges Sintern oder Schmelzen der aufgebrachten Schicht oder ein zeilenförmiger Abbau des Körpers erfolgt. Das erfolgt bis der Körper realisiert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren zur Steuerung der Herstellung von Körpern durch Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht oder schichtweisen Abtrag von Material jeweils durch Bestrahlen der jeweiligen Schicht mit Laserstrahlung wenigstens eines Lasers über mindestens einen Scanner zur Ablenkung und Führung der Laserstrahlung auf dem Körper, wobei
    • – in einem Datenverarbeitungssystem durch rechnerunterstütztes Konstruieren die ein Volumenmodell oder ein digitales Abbild des Körpers repräsentierenden Daten erzeugt werden,
    • – die das Volumenmodell oder das digitale Abbild repräsentierenden Daten an eine programmierbare Steuereinrichtung übertragen werden und
    • – nacheinander in der programmierbaren Steuereinrichtung die Daten der jeweils aktuell aufzubauenden oder abzutragenden Schicht des Körpers aus dem Volumenmodell oder dem digitalen Abbild des Körpers in Abhängigkeit des Scanners und/oder des Lasers und/oder der Lage des Körpers und/oder der Morphologie der vorhandenen Körperoberfläche und/oder prozessrelevanter Parameter generiert werden.
  • Ein schichtweises Auftragen oder Abtragen mittels Laserstrahlung wenigstens eines Lasers ist allgemein bekannt. Zur Führung der Laserstrahlung kommen dazu bekannte Scanner einzeln oder Kombination zum Einsatz. Die Antriebe der Scanner werden entsprechend der zu bearbeitenden Körper mittels wenigstens einer Steuereinrichtung gesteuert.
  • Durch die Druckschrift DE 699 09 967 T2 ist so ein Verfahren zum Abscheiden dreidimensionaler Objekte bekannt. Die Druckschrift betrifft auch eine Vorrichtung zum Herstellen eines Gegenstands durch ein Ablagerungsverfahren und ein bildgebendes System zum Analysieren und Steuern des Verfahrens. Der Aufbau des Körpers erfolgt durch schichtweises Ablagern von abgetragenen Teilchen eines anderen Körpers. Das Ablagern wird durch ein bildgebendes Verfahren überwacht.
  • Über ein Computersystem in einer Rückkopplungsschleife wird der Ablagerungsvorgang dauernd überwacht und gesteuert. Damit kann die präzise Charakteristik des Teils laufend angepasst werden, um das Teil entsprechend der in einer Computerdatei enthaltenen gewünschten Spezifikation zu korrigieren.
  • Die Druckschrift DE 102 33 389 A1 offenbart ein selektives Lasersintern mit optimierter Rasterabtastrichtung, wobei ein Computer und ein Abtastsystem die Richtung eines Laserstrahls steuern, wenn er auf die Zieloberfläche trifft. Der Computer umfasst einen steuernden Mikroprozessor für das Abtastsystem und ein System zum Speichern einer computerlesbaren Repräsentation des oder der zu produzierenden Artikel zumindest in einer Schicht-für-Schicht-Form. Es erfolgt eine schichtweise Berechnung der zu realisierenden Schicht im Computer und eine darauf beruhende Abarbeitung mit dem Abtastsystem.
  • Die Druckschrift US 2015/0 328 839 A1 beinhaltet eine dynamische Einrichtung für den 3D Druck. Zur Kontrolle der Bearbeitung werden Daten rückübertragen und daraus ein resultierendes Volumenmodell oder digitales Abbild erstellt.
  • Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Körper durch Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht oder schichtweisen Abtrag von Material jeweils durch Bestrahlen der jeweiligen Schicht mit Laserstrahlung schneller und ökonomischer herzustellen.
  • Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
  • Die Verfahren zur Steuerung der Herstellung von Körpern durch Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht oder schichtweisen Abtrag von Material jeweils durch Bestrahlen der jeweiligen Schicht mit Laserstrahlung wenigstens eines Lasers über mindestens einen Scanner zur Ablenkung und Führung der Laserstrahlung auf dem Körper, wobei
    • – in einem Datenverarbeitungssystem durch rechnerunterstütztes Konstruieren die ein Volumenmodell oder ein digitales Abbild des Körpers repräsentierenden Daten erzeugt werden,
    • – die das Volumenmodell oder das digitale Abbild repräsentierenden Daten an eine programmierbare Steuereinrichtung übertragen werden und
    • – nacheinander in der programmierbaren Steuereinrichtung die Daten der jeweils aktuell aufzubauenden oder abzutragenden Schicht des Körpers aus dem Volumenmodell oder dem digitalen Abbild des Körpers in Abhängigkeit des Scanners und/oder des Lasers und/oder der Lage des Körpers und/oder der Morphologie der vorhandenen Körperoberfläche und/oder prozessrelevanter Parameter generiert werden,
    zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass Körper schneller und damit ökonomischer herstellbar sind.
  • Dazu weist die programmierbare Steuereinrichtung drei Zustandsregister x, y, z für die momentane Lage des auf den Körper fallenden Laserpunkts auf, wobei x die durch den Scanner hervorgerufene Verfahrachse und z die grundlegend bezüglich der Höhe variierende Oberfläche des Körpers oder ein durch eine an den Körper gekoppelte Verfahreinrichtung verursachter Höhenhub oder eine Höhenänderung des Körpers infolge der Bearbeitung sind. In einem ersten Schritt wird die durch die Bewegung des Scanners jeweils bestimmte Bearbeitung des Körpers durch eine Geradenfunktion mit Laseran-Signalen und Laseraus-Signalen in der programmierbaren Steuereinrichtung bestimmt durch Durchstichpunkte definiert durch x und z und das aufgespannte Dreieck der Kontur der Schnittebene des Körpers jeweils vor der zeilenförmigen Bearbeitung bestimmt. In einem zweiten Schritt wird der Laser entsprechend der Geradenfunktion gesteuert, so dass ein zeilenförmiges Sintern oder Schmelzen der aufgebrachten Schicht oder ein zeilenförmiger Abbau des Körpers erfolgt. Diese Schritte werden für das jeweils nachfolgende zeilenförmige Sintern oder Schmelzen der aufgebrachten Schicht oder für den jeweils nachfolgenden zeilenförmigen Abbau des Körpers schichtweise durchgeführt bis der Körper realisiert ist.
  • Soll eine 2D, 2,5D oder 3D-Bearbeitung beispielsweise als Sintern oder Abtragen durchgeführt werden, so wird bekannterweise das digitale Abbild des Volumenkörpers in einem Datenverarbeitungssystem in Schichten/Konturen zerlegt, gespeichert und anschließend mit Vektoren gefüllt. Die Vektoren werden folgend noch nach der gewünschten Abarbeitungsvorschrift geordnet und gespeichert. Letztendlich werden diese zum Scansystem übertragen, über welches die Laserbearbeitung erfolgt. Die Menge an Konturdaten und Vektordaten sind vor allem bei filigranen, hochaufgelösten Strukturen sehr groß. Mehrere GByte an Vektordaten sind dabei ohne weiteres möglich. Daraus resultieren Rechenzeiten von mehreren Minuten pro Schicht, wobei die eigentliche Abarbeitung über das Scansystem nur einen Bruchteil davon beanspruchen kann.
  • Das Verfahren und die Einrichtung zeichnen sich vorteilhafterweise dadurch aus, dass die 3D-Volumendaten direkt im scannenden System und damit der mit dem Scanner verbundenen programmierbaren Steuereinrichtung für die jeweils zeilenförmige Bearbeitung mit dem Laserstrahl verarbeitet werden. Damit werden die zeitaufwendige Berechnung im Datenverarbeitungssystem und die sehr großen Datenmengen, der eigentlich nur temporären Zwischenergebnisse, für die Kontur und die Füllvektoren pro Schicht umgangen. Hierzu werden das durch rechnerunterstütztes Konstruieren (CAD-)generierte Volumenmodell oder das im Datenverarbeitungssystem generierte digitale Abbild des jeweils zu bearbeitenden Körpers direkt an das scannende System und damit der mit dem Scanner verbundenen programmierbaren Steuereinrichtung übertragen und durch eine Echtzeitverarbeitung die Füllvektoren nur nach Bedarf und ohne Speicherung in der programmierbaren Steuereinrichtung errechnet, ausgegeben und über den Scanner und den Laser abgearbeitet.
  • Zur Minimierung des Speicherbedarfs und/oder der Berechnungszeit innerhalb der programmierbaren Steuereinrichtung können die den Volumenkörper beschreibenden Ortsvektoren vom Floatingpoint-Format in ein Fixedpoint-Format gewandelt werden, wobei das entweder gleich während der Datenübertragung vom Datenverarbeitungssystem oder beim Empfang der Daten in der programmierbaren Steuereinrichtung erfolgt.
  • In der programmierbaren Steuereinrichtung sind sind die drei Zustandsregister x, y, z für die momentane Lage des auf den Körper fallenden Laserpunkts definiert, wobei x die durch den Scanner hervorgerufene Verfahrachse und z die grundlegend bezüglich der Höhe variierende Oberfläche des Körpers oder ein durch eine an den Körper gekoppelte Verfahreinrichtung verursachter Höhenhub oder eine Höhenänderung des Körpers infolge der Bearbeitung sind, so dass für die schnelle Ablenkeinrichtung y bei infolge der langsamen Änderung momentan statischen x und z Werten die Durchstichpunkte der momentanen Geradenfunktion definiert durch x und z und die Volumenkörperoberfläche ermittelt werden.
  • In einer Einrichtung sind dazu wenigstens ein durch rechnerunterstütztes Konstruieren die ein Volumenmodell oder ein digitales Abbild repräsentierende Daten erzeugendes Datenverarbeitungssystem zur Datenübertragung des Volumenmodells oder des digitalen Abbilds mit einer programmierbaren Steuereinrichtung verbunden. Die programmierbare Steuereinrichtung ist eine nacheinander die Daten der jeweils aktuell aufzubauenden oder abzutragenden Schichten des Körpers aus dem Volumenmodell oder dem digitalen Abbild des Körpers in Abhängigkeit des Scanners und/oder des Lasers und/oder der Lage des Körpers und/oder der Morphologie der vorhandenen Körperoberfläche und/oder prozessrelevanter Parameter generierende programmierbare Steuereinrichtung, wobei diese eine durch eine quasi Echtzeitverarbeitung die Füllvektoren entsprechend des Volumenmodells oder Abbilds zeilenförmig berechnende und ausgebende Steuereinrichtung ist. Die programmierbare Steuereinrichtung, der Scanner und der Laser sind weiterhin so miteinander verbunden, dass mit den Daten der echtzeitberechneten Füllvektoren der jeweilig aktuellen Schicht diese Schicht mittels dem Laser und dem Scanner zeilenförmig bearbeitet wird, so dass schichtweise nacheinander der Aufbau oder Abtrag des Körpers erfolgt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 12 angegeben.
  • In der programmierbaren Steuereinrichtung werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 nacheinander die Daten der jeweils aktuell aufzubauenden oder abzutragenden Schicht des Körpers aus dem digitalen Abbild des Körpers in Abhängigkeit des Scanners und/oder des Lasers und/oder der Lage des Körpers und/oder der Morphologie der vorhandenen Körperoberfläche und/oder prozessrelevanter Parameter generiert. Mit diesen Daten der echtzeitberechneten Füllvektoren wird nach deren Erstellen in der programmierbaren Steuereinrichtung die jeweilige und damit jeweils aktuelle Schicht mittels dem Laser und dem Scanner bearbeitet.
  • Die die Füllvektoren repräsentierenden Daten werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 in der programmierbaren Steuereinrichtung gespeichert. Weiterhin wird zur Kontrolle und/oder Bearbeitung aus den an das Datenverarbeitungssystem rückübertragenen und die Füllvektoren repräsentierenden Daten ein daraus resultierendes Volumenmodell oder digitales Abbild erstellt.
  • Die Daten werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 in der programmierbaren Steuereinrichtung so gespeichert, dass nur ein Zugriff auf den Speicher der programmierbaren Steuereinrichtung notwendig ist, um mindestens eine Menge an Ortsvektoren zu adressieren, die nötig ist, um den Start- oder Endpunkt, wenn vorhanden, des Füllvektors zu berechnen.
  • Die Oberflächennormale zugehörig einem Satz/einer Menge an Ortsvektoren oder Logikeinheit/Untereinheit des Volumenmodells oder digitalen Abbilds des 3D-Körpers können durch den Drehsinn der geordnet übertragenen Ortsvektoren gespeichert werden, so dass das Volumenmodell oder das digitale Abbild durch das Kreuzprodukt wieder rekonstruierbar ist.
  • Der das digitale Abbild des 3D-Körpers enthaltene Speicher wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 getaktet betrieben. Pro Takt erfolgt wenigstens eine Berechnung und Neuadressierung des Speichers. Das Ergebnis der Berechnung und damit die y-Position des Durchstichs als Adresse eines Zeilenspeichers der programmierbaren Steuereinrichtung wird als digitales Abbild der gerade abzuarbeitenden Laserlinie verwendet. Je nach gespeicherter oder rekonstruierter Oberflächennormalen, Durchstich/Scanrichtung (y) entgegen der Oberflächennormalen wird an der entsprechenden Speicherstelle ein Laseran-Signal und einer Oberflächennormalen mit dem Scanner ein Laseraus-Signal gesetzt.
  • Zur Ausgabe und damit Steuerung des Lasers und Scanners wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 das Zustandsregister y des scannenden Laserpunkts als Leseadresszeiger des Zeilenspeichers verwendet. Weiterhin führen die jeweils wieder eingelesenen Laseran-Bits oder Laseraus-Bits das Setzen oder Rücksetzen des Ausgangsregisters als Schnittstelle zum Laser durch. Für variable oder schnell veränderliche z-Werte können anstatt der temporären Speicherung der Laseran-/Laseraus-Signale im Zeilenspeicher der jeweilige Anstieg der Dreieckfläche also der Winkel zwischen Oberflächennormalen und Geradenfunktion entlang y gespeichert und die y-Position des Durchstichs per Triangulation zum momentanen z-Wert bestimmt werden.
  • Als programmierbare Steuereinrichtung wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 eine echtzeitarbeitende programmierbare Logikanordnung, ein echtzeitverarbeitender Mikrocontroller oder ein echtzeitverarbeitender Computer verwendet.
  • Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 werden als Scanner wenigstens ein Polygonspiegel und/oder ein Galvoscanner verwendet.
  • Die durch die Bewegung des Scanners jeweils bestimmte Bearbeitung des Körpers wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 durch eine Geradenfunktion mit Laseran-Signalen und Laseraus-Signalen in der programmierbaren Steuereinrichtung bestimmt durch Durchstichpunkte definiert durch x und z und das aufgespannte Dreieck der Kontur der Schnittebene des Körpers jeweils zwischen benachbarten Spiegeln des Polygonspiegels bestimmt, so dass das zeilenförmige Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht oder der zeilenförmige schichtweise Abtrag während der Bewegung einer Spiegelfläche erfolgt.
  • Das Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht oder der Abtrag erfolgt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 in mehreren Zeilen nacheinander und nebeneinander.
  • Die durch die Bewegung des Scanners jeweils bestimmte Bearbeitung des Körpers wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 durch eine Geradenfunktion mit Laseran-Signalen und Laseraus-Signalen in der programmierbaren Steuereinrichtung bestimmt durch Durchstichpunkte definiert durch x und z und das aufgespannte Dreieck der Kontur der Schnittebene des Körpers jeweils während der Beschleunigung des Galvoscanners bestimmt, so dass das zeilenförmige Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht oder der zeilenförmige schichtweise Abtrag während der Bewegung der Spiegelfläche des Galvoscanners erfolgt.
  • Das zeilenförmige Sintern oder Schmelzen der aufgebrachten Schicht oder ein zeilenförmiger Abbau des Körpers erfolgt nach der Weiterbildung des Patentanspruch 12 mit einer Zeit größer 0 und kleiner/gleich 1 ms je Zeile.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
  • Es zeigt die
  • 1 eine Einrichtung zur Herstellung von Körpern mit dem Verfahren zur Steuerung der Herstellung von Körpern durch Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht oder schichtweisen Abtrag von Material jeweils durch Bestrahlen der jeweiligen Schicht mit Laserstrahlung.
  • Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren und eine dazu notwendige Einrichtung zur Steuerung der Herstellung von Körpern 1 durch Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht 2 oder schichtweisen Abtrag von Material jeweils durch Bestrahlen der jeweiligen Schicht mit Laserstrahlung 3 wenigstens eines Lasers 4 über mindestens einen Scanner zur Ablenkung und Führung der Laserstrahlung 3 auf dem Körper 1 näher erläutert.
  • Die 1 zeigt eine Einrichtung zur Herstellung von Körpern 1 mit dem Verfahren zur Steuerung der Herstellung von Körpern 1 durch Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht 2 oder schichtweisen Abtrag von Material jeweils durch Bestrahlen der jeweiligen Schicht 2 mit Laserstrahlung 3 in einer prinzipiellen Darstellung.
  • Eine Einrichtung zur Herstellung von Körpern 1 mit dem Verfahren zur Steuerung der Herstellung von Körpern 1 durch Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht 2 oder schichtweisen Abtrag von Material jeweils durch Bestrahlen der jeweiligen Schicht mit Laserstrahlung 3 besteht im Wesentlichen aus einem Datenverarbeitungssystem 5, dem Laser 4, einem Scanner und einer programmierbaren Steuereinrichtung 6.
  • Im Datenverarbeitungssystem 5 wird durch rechnerunterstütztes Konstruieren die ein Volumenmodell oder ein digitales Abbild des Körpers 1 repräsentierenden Daten erzeugt. Im Folgenden wird nur noch das digitale Abbild benannt, für das Volumenmodell gilt das Gleiche.
  • Die das digitale Abbild repräsentierenden Daten werden an die mit dem Datenverarbeitungssystem 5 verbundene programmierbare Steuereinrichtung 6 des Scanners übertragen.
  • In der programmierbaren Steuereinrichtung 6 werden nacheinander die Daten der jeweils aktuell aufzubauenden oder abzutragenden Schicht 2 des Körpers 1 aus dem digitalen Abbild des Körpers 1 in Abhängigkeit des Scanners und/oder des Lasers 4 und/oder der Lage des Körpers 1 und/oder der Morphologie der vorhandenen Körperoberfläche und/oder prozessrelevanter Parameter generiert. Mit diesen Daten der echtzeitberechneten Füllvektoren wird nach deren Erstellen in der programmierbaren Steuereinrichtung 6 die jeweilige und damit jeweils aktuelle Schicht 2 mittels dem Laser 4 und dem Scanner bearbeitet, wobei die Daten in einer Ausführungsform nicht gespeichert werden. Damit erfolgt schichtweise und nacheinander der Aufbau oder der Abtrag des Körpers 1 in der jeweiligen Schicht zeilenförmig.
  • Der Scanner ist dazu beispielsweise ein Polygonspiegelscanner 7 in Verbindung mit einem Galvoscanner 8 und die programmierbare Steuereinrichtung 6 eine frei programmierbare Logik (FPGA).
  • Das digitale Abbild eines 3D-Volumenkörpers, beispielsweise als eine STL-Datei, wird per Kommunikationsinterface, beispielsweise einer USB-Schnittstelle, an die eine Hardwarelogik repräsentierende FPGA des Scanners übertragen und in dieser oder in einem mit dem FPGA verbundenen schnellen Speicher gespeichert. Zur Minimierung des Speicherbedarfs aber auch zur einfacheren Berechnung werden die Ortsvektoren vom Floatingpoint-Format in ein Fixedpoint-Format gewandelt. Dies wird gleich während der Datenübertragung vom Datenverarbeitungssystem 5 durchgeführt, könnte aber auch erst beim Empfang der Daten im FPGA durchgeführt werden oder bei späteren Routinen im Floatingpoint-Format belassen werden.
  • Die Daten werden in dem FPGA als eine Hardwarelogik so gespeichert, das nur ein Zugriff auf den internen oder externen Speicher des FPGA nötig ist um mindestens eine Logikeinheit/Untereinheit des digitalen Abbildes, beim STL wäre dies eine Dreiecksfläche bestehend aus jeweils drei Eck-Ortsvektoren x, y, z und zugehöriger Oberflächennormalen als Normalenvektor x, y, z des 3D-Körpers zu adressieren. Dies wird über eine entsprechende Speicherbreite erreicht. Beim STL benötige man nach Wandlung in 16 bit-fixedpoint 144 bit, 3 Eckpunkte mit je 3 Ortsvektoren a 16 bit, Speicherbreite um ein Dreieck für die nachfolgende parallele Abarbeitung zeitgleich vorliegen zu haben. Bei der Übertragung wird der Drehsinn, rechte Handregel, der Eckpunkte um die Richtung der Oberflächennormalen beachtet. Durch ein Kreuzprodukt lässt sich die Oberflächennormale wieder rekonstruieren. Der interne oder der externe Speicher im/am FPGA ist getaktet. Pro Takt liegt also mindestens immer eine Subeinheit/Untereinheit des 3D-Modells zur Berechnung am Speicherinterface an. Je nach Größe des FPGA und Geschwindigkeit des internen/externen Speichers lassen sich auch mehr als nur eine Subeinheit durch Vervielfachung der mindest nötigen Speicherbreite, 144 bit STL, verarbeiten.
  • Innerhalb des FPGA sind 3 Zustandsregister x, y, z für die momentane Lage des scannenden Laserpunkts definiert. Nehme man x als langsame Achse des Galvoscanners 8 und z als langsam veränderlichen z-Hub einer mechanischen Verfahreinrichtung 9 oder als Höhenänderung der Oberfläche des zu bearbeitenden Körpers 1 infolge eines Abtrags- oder Aufbaus an, so sind für y (bei momentan statischen x und z Werten) die Durchstichpunke der momentanen Geradenfunktion, definiert durch x und z und das aufgespannte Dreieck der Volumenkörperoberfläche zu ermitteln. Dies wird von der Hardwarelogik im FPGA, welche parallelen Zugriff auf die Speicherzeile, 144 bit, unter Zuhilfenahme zweier Piplinestrukturen quasi in einem Takt des FPGAs erledigt. Der Durchstechpunkt, sofern vorhanden, der Geraden x, z durch ein im Raum befindliches Dreieck STL wird direkt und ohne Umweg über die Kontur der Schnittebene errechnet. Je nach Größe des FPGA lassen sich mehr als nur ein Durchstich pro Takt errechnen.
  • Es können aufgrund der Vielzahl an Dreiecken nicht alle gleichzeitig berechnet werden. Somit wird der Speicher getaktet betrieben. Pro Takt erfolgt eine, oder mehrere bei größeren Speicherbreiten, Berechnung und Neuadressierung des Speichers. Das Ergebnis der Berechnung, genauer die y-Position des Durchstiches, wird als Adresse eines Zeilenspeichers innerhalb des FPGA als digitales Abbild der gerade abzuarbeitenden Laserlinie verwendet. Je nach Oberflächennormalen, Durchstich/Scanrichtung y entgegen der Oberflächennormalen wird an der entsprechenden Speicherstelle ein Laseran-Bit oder Laseraus-Bit gesetzt.
  • Die Ausgabe erfolgt in dem das Zustandsregister y des scannenden Laserpunkts als Leseadresszeiger des Zeilenspeichers. Die jeweils wieder eingelesenen Laseran-Bits oder Laseraus-Bits führen das Setzen oder Rücksetzen des Ausgangsregisters, Schnittstelle zum Laser 4, durch.
  • In einer Ausführungsform wird zur Kontrolle und/oder Bearbeitung aus den an das Datenverarbeitungssystem 5 rückübertragenen und die Füllvektoren repräsentierenden Daten ein daraus resultierendes digitales Abbild erstellt.
  • Statt des FPGA kann auch ein echtzeitverarbeitender Mikrocontroller oder ein echtzeitverarbeitender Computer eingesetzt werden.
  • 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 69909967 T2 [0003]
    • DE 10233389 A1 [0005]
    • US 2015/0328839 A1 [0006]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Steuerung der Herstellung von Körpern (1) durch Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht oder schichtweisen Abtrag von Material jeweils durch Bestrahlen der jeweiligen Schicht (2) mit Laserstrahlung (3) wenigstens eines Lasers (4) über mindestens einen Scanner zur Ablenkung und Führung der Laserstrahlung (3) auf dem Körper (1), wobei – in einem Datenverarbeitungssystem (5) durch rechnerunterstütztes Konstruieren die ein Volumenmodell oder ein digitales Abbild des Körpers (1) repräsentierenden Daten erzeugt werden, – die das Volumenmodell oder das digitale Abbild repräsentierenden Daten an eine programmierbare Steuereinrichtung (6) übertragen werden, – nacheinander in der programmierbaren Steuereinrichtung (6) die Daten der jeweils aktuell aufzubauenden oder abzutragenden Schicht (2) des Körpers (1) aus dem Volumenmodell oder dem digitalen Abbild des Körpers (1) in Abhängigkeit des Scanners und/oder des Lasers (4) und/oder der Lage des Körpers (1) und/oder der Morphologie der vorhandenen Körperoberfläche und/oder prozessrelevanter Parameter generiert werden, dadurch gekennzeichnet, a) dass die programmierbare Steuereinrichtung (6) drei Zustandsregister x, y, z für die momentane Lage des auf den Körper (1) fallenden Laserpunkts aufweist, wobei x die durch den Scanner hervorgerufene Verfahrachse und z die grundlegend bezüglich der Höhe variierende Oberfläche des Körpers (1) oder ein durch eine an den Körper (1) gekoppelte Verfahreinrichtung (9) verursachter Höhenhub oder eine Höhenänderung des Körpers (1) infolge der Bearbeitung sind, und b) dass die durch die Bewegung des Scanners jeweils bestimmte Bearbeitung des Körpers durch eine Geradenfunktion mit Laseran-Signalen und Laseraus-Signalen in der programmierbaren Steuereinrichtung (6) bestimmt durch Durchstichpunkte definiert durch x und z und das aufgespannte Dreieck der Kontur der Schnittebene des Körpers jeweils vor der zeilenförmigen Bearbeitung bestimmt wird, c) dass der Laser entsprechend der Geradenfunktion gesteuert wird und ein zeilenförmiges Sintern oder Schmelzen der aufgebrachten Schicht oder ein zeilenförmiger Abbau des Körpers erfolgt, d) dass die Schritte b) und c) für das jeweils nachfolgende zeilenförmige Sintern oder Schmelzen der aufgebrachten Schicht oder für den jeweils nachfolgenden zeilenförmigen Abbau des Körpers schichtweise durchgeführt werden bis der Körper realisiert ist.
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der programmierbaren Steuereinrichtung (6) nacheinander die Daten der jeweils aktuell aufzubauenden oder abzutragenden Schicht (2) des Körpers (1) aus dem digitalen Abbild des Körpers (1) in Abhängigkeit des Scanners und/oder des Lasers (4) und/oder der Lage des Körpers (1) und/oder der Morphologie der vorhandenen Körperoberfläche und/oder prozessrelevanter Parameter generiert werden und dass mit diesen Daten der echtzeitberechneten Füllvektoren nach deren Erstellen in der programmierbaren Steuereinrichtung (6) die jeweilige und damit jeweils aktuelle Schicht (2) mittels dem Laser (4) und dem Scanner bearbeitet wird.
  3. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Füllvektoren repräsentierenden Daten in der programmierbaren Steuereinrichtung (6) gespeichert werden und dass zur Kontrolle und/oder Bearbeitung aus den an das Datenverarbeitungssystem (5) rückübertragenen und die Füllvektoren repräsentierenden Daten ein daraus resultierendes Volumenmodell oder digitales Abbild erstellt wird.
  4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten in der programmierbaren Steuereinrichtung (6) so gespeichert werden, dass nur ein Zugriff auf den Speicher der programmierbaren Steuereinrichtung (6) notwendig ist, um mindestens eine Menge an Ortsvektoren zu adressieren, die nötig ist, um den Start- oder Endpunkt des Füllvektors zu ermitteln.
  5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der das digitale Abbild des 3D-Körpers (1) enthaltene Speicher getaktet betrieben wird, dass pro Takt wenigstens eine Berechnung und Neuadressierung des Speichers erfolgt, dass das Ergebnis der Berechnung und damit die y-Position des Durchstiches als Adresse eines Zeilenspeichers der programmierbaren Steuereinrichtung (6) als digitales Abbild der gerade abzuarbeitenden Laserlinie verwendet wird und dass je nach gespeicherter oder rekonstruierter Oberflächennormalen, Durchstich/Scanrichtung (y) entgegen der Oberflächennormalen an der entsprechenden Speicherstelle ein Laseran-Signal und einer Oberflächennormalen mit dem Scanner ein Laseraus-Signal gesetzt wird.
  6. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausgabe und damit Steuerung des Lasers (4) und Scanners das Zustandsregister y des scannenden Laserpunkts als Leseadresszeiger des Zeilenspeichers verwendet wird und dass die jeweils wieder eingelesenen Laseran-Bits oder Laseraus-Bits das Setzen oder Rücksetzen des Ausgangsregisters als Schnittstelle zum Laser durchführen.
  7. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine echtzeitarbeitende programmierbare Logikanordnung, ein echtzeitverarbeitender Mikrocontroller oder ein echtzeitverarbeitender Computer als programmierbare Steuereinrichtung (6) verwendet wird.
  8. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Polygonspiegelscanner (7) und/oder ein Galvoscanner (8) als Scanner verwendet wird oder werden.
  9. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Bewegung des Scanners jeweils bestimmte Bearbeitung des Körpers durch eine Geradenfunktion mit Laseran-Signalen und Laseraus-Signalen in der programmierbaren Steuereinrichtung (6) bestimmt durch Durchstichpunkte definiert durch x und z und das aufgespannte Dreieck der Kontur der Schnittebene des Körpers jeweils zwischen benachbarten Spiegeln des Polygonspiegels bestimmt wird, so dass das zeilenförmige Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht oder der zeilenförmige schichtweise Abtrag während der Bewegung einer Spiegelfläche erfolgt.
  10. Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht oder der Abtrag in mehreren Zeilen nacheinander und nebeneinander erfolgt.
  11. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Bewegung des Scanners jeweils bestimmte Bearbeitung des Körpers durch eine Geradenfunktion mit Laseran-Signalen und Laseraus-Signalen in der programmierbaren Steuereinrichtung (6) bestimmt durch Durchstichpunkte definiert durch x und z und das aufgespannte Dreieck der Kontur der Schnittebene des Körpers jeweils während der Beschleunigung des Galvoscanners bestimmt wird, so dass das zeilenförmige Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht oder der zeilenförmige schichtweise Abtrag während der Bewegung der Spiegelfläche des Galvoscanners erfolgt.
  12. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zeilenförmige Sintern oder Schmelzen der aufgebrachten Schicht oder ein zeilenförmiger Abbau des Körpers mit einer Zeit größer 0 und kleiner/gleich 1 ms je Zeile erfolgt.
DE102016014276.6A 2015-11-29 2016-11-28 Verfahren zur Steuerung der Herstellung von Körpern durch Sintern oder Schmelzen einer aufgebrachten Schicht oder schichtweisen Abtrag von Material jeweils durch Bestrahlen der jeweiligen Schicht mit Laserstrahlung Pending DE102016014276A1 (de)

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