DE102016212171A1

DE102016212171A1 - Generatives Schichtbauverfahren und zugehörige Vorrichtung zur Herstellung von Objekten mit verminderter Porosität

Info

Publication number: DE102016212171A1
Application number: DE102016212171.5A
Authority: DE
Inventors: André Danzig; Jörg Hamann; Dominik Wolf; Robert Achim Domröse; Sven Pawliczek; Andreas Bauer
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2016-07-04
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2018-01-04

Abstract

Bei einem generativen Schichtbauverfahren wird ein abzutastender, zusammenhängender Flächenbereich (300) einer Schicht durch sukzessives Abtasten von Teilflächen (300a, 300b) dieses Flächenbereichs abgetastet, wobei ein Energiestrahl (303a, 303b) in mindestens einer Teilfläche (300a, 300b) entlang von Vektoren (W) verfahren wird und der Energiestrahl zwischen der Abtastung zweier benachbarter Vektoren (W) an einem Umkehrpunkt der Bewegungsrichtung des Energiestrahls für einen vorgegebenen Zeitraum ts unterbrochen. Dabei wird zumindest ein spaltförmiger Bereich mit der Breite d zwischen zumindest zwei aneinandergrenzenden Teilflächen (300a, 300b) von dem Abtasten durch den Energiestrahl ausgenommen und/oder der Zeitraum der Unterbrechung des Energiestrahls zwischen der Abtastung zweier benachbarter Vektoren (W) an einem Umkehrpunkt (305a, 305b) der Bewegungsrichtung des Energiestrahls um eine Pausenzeit tP, die geringer als 1 ms ist, verlängert, wobei die Pausenzeit tP und die Breite d in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit des Aufbaumaterials und/oder in Abhängigkeit von der Schichtdicke und/oder in Abhängigkeit von einem Wärmeenergieeintrag pro Zeiteinheit in eine Teilfläche an der Teilflächengrenze und/oder in Abhängigkeit von Abkühleffekten durch eine Schutzgasströmung über dem spaltförmigen Bereich festgelegt werden.

Description

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf ein generatives Schichtbauverfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Herstellung von Objekten mit verringerter Porosität, eine Steuereinheit zur Aus- und/oder Nachrüstung der Vorrichtung und ein Computerprogramm zur Implementierung des Verfahrens.
DE 10 2007 014 683 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch sukzessives Verfestigen von Schichten eines Aufbaumaterials an den dem Querschnitt des Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen. Insbesondere werden Füllbereiche, d. h. Bereiche innerhalb einer den Umriss des Objekts in der jeweiligen Schicht bestimmenden Kontur, in Teilflächen aufgeteilt, welche sukzessive belichtet werden. Dabei wird in jeder Teilfläche, in DE 10 2007 014 683 A1 sind es Streifen, der Laser in zueinander parallelen Vektoren über die Aufbaumaterialschicht geführt zur Verfestigung des Pulvers.
DE 10 2007 014 683 A1 möchte die Ausbildung von mechanischen Spannungen bei der Herstellung der Objekte verhindern und Schwachstellen im Objekt, die eine Brüchigkeit des fertiggestellten Objekts herbeiführen, vermeiden. Als Ursache von Spannungen in den hergestellten Objekten und daraus resultierenden mechanischen Schwachstellen werden sich wiederholende Belichtungsrichtungen in nah beieinander liegenden Schichten während der Herstellung der Objekte gesehen. Daher wird die Richtung der Vektoren von Schicht zu Schicht um einen Winkel verändert, der verschieden von 180°, 90° und 45° ist. Selbst bei einem Vorgehen, wie in DE 10 2007 014 683 A1 offenbart, kann es jedoch in manchen Fällen immer noch zur Ausbildung von Schwachstellen kommen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein generatives Schichtbauverfahren und eine zugehörige Vorrichtung bereitzustellen, mittels welcher Schwachstellen im Objekt weiter verringert werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein generatives Schichtbauverfahren nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 13, eine Steuereinheit nach Anspruch 14 und ein Computerprogramm nach Anspruch 15. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Dabei können Merkmale, die in den Unteransprüchen bzw. in der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit einer Anspruchskategorie erwähnt werden, auch zur Weiterbildung der Gegenstände jeder anderen Anspruchskategorie verwendet werden, es sei denn, dies wird explizit ausgeschlossen.
Bei einem erfindungsgemäßen generativen Schichtbauverfahren zur Herstellung mindestens eines dreidimensionalen Objekts, wobei in dem generativen Schichtbauverfahren das zumindest eine Objekt hergestellt wird durch schichtweises Aufbringen eines Aufbaumaterials, vorzugsweise eines pulverförmigen Aufbaumaterials, und Verfestigen des Aufbaumaterials mittels Wärmezufuhr zu den Stellen in einer Schicht, die dem Querschnitt des zumindest einen Objekts in dieser Schicht entsprechen, indem diese Stellen der Schicht mit einem Energiestrahl abgetastet werden, wird ein abzutastender, zusammenhängender Flächenbereich einer Schicht durch sukzessives Abtasten von Teilflächen dieses Flächenbereichs abgetastet, wobei der Energiestrahl in mindestens einer Teilfläche entlang von Vektoren, bevorzugt zueinander kollinearen, besonders bevorzugt antiparallelen Vektoren, verfahren wird und der Energiestrahl zwischen der Abtastung zweier benachbarter Vektoren an einem Umkehrpunkt der Bewegungsrichtung des Energiestrahls für einen vorgegebenen Zeitraum t_s, der sich aus der Zeitdauer der Abbremsung und Beschleunigung des Energiestrahls zusammensetzt, unterbrochen wird. Dabei wird zumindest ein spaltförmiger Bereich mit der Breite d zwischen zumindest zwei aneinandergrenzenden Teilflächen von dem Abtasten durch den Energiestrahl ausgenommen und/oder der Zeitraum der Unterbrechung des Energiestrahls zwischen der Abtastung zweier benachbarter Vektoren an einem Umkehrpunkt der Bewegungsrichtung des Energiestrahls um eine Pausenzeit t_P, die geringer als 1 ms ist, verlängert, wobei die Pausenzeit t_P (und bevorzugt auch die Breite d) in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit des Aufbaumaterials und/oder in Abhängigkeit von der Schichtdicke und/oder in Abhängigkeit von einem Wärmeenergieeintrag pro Zeiteinheit in eine Teilfläche an der Teilflächengrenze und/oder in Abhängigkeit von Abkühleffekten durch eine Schutzgasströmung über dem spaltförmigen Bereich festgelegt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen werden in hergestellten Objekten vorhandene mechanische Schwachstellen deutlich vermindert. Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass ein übermäßiges Aufschmelzen des Aufbaumaterials an der Grenze zwischen zu belichtenden Teilflächen beim Belichten vermieden wird.
Bevorzugt muss die Breite d kleiner als ein vorgegebener Maximalwert d_max sein, mit d_max kleiner als 0,5 mm, bevorzugt kleiner als 0,2 mm, besonders bevorzugt kleiner als 0,1 mm, und/oder muss die Breite d größer als ein vorgegebener Minimalwert d_min sein, mit d_min größer/gleich 0,05 mm, und/oder muss die Pausenzeit t_P größer als ein Minimalwert t_min sein, mit t_min größer als 10 μs, bevorzugt größer als 50 μs, besonders bevorzugt größer/gleich 100 μs. Durch die Vorgabe eines Maximalwerts für die Breite wird vermieden, dass an der Grenze zwischen den Teilbereichen das Aufbaumaterial zu wenig aufgeschmolzen wird. Mit den angegebenen Minimalwerten für die Pausenzeit wird besonders erfolgreich ein zu starkes Aufschmelzen des Aufbaumaterials verhindert.
Vorzugsweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren der Energiestrahl mithilfe einer Energiequelle (besonders bevorzugt einem Laser) erzeugt, die eine Nennleistung von mindestens 200 W, bevorzugt 300 W, besonders bevorzugt 400 W aufweist und/oder es beträgt eine minimal mögliche Umkehrzeit zwischen der Belichtung zweier benachbarter Vektoren (insbesondere aufgrund der Konstruktion einer entsprechenden Umlenkvorrichtung) weniger als 500 μs, bevorzugt weniger als 450 μs, noch bevorzugter 400 μs oder weniger. In diesen Konstellationen (speziell in der Kombination dieser Konstellationen) wurde nämlich in Versuchen ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine unerwünschte Porosität verzeichnet, die dann durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens praktisch eliminiert werden konnte.
Bevorzugt wird bei der Umkehr der Bewegungsrichtung des Energiestrahls beim Abtasten zweier benachbarter Vektoren der Ort des spaltförmigen Bereichs überfahren, wodurch infolge der Unterbrechung des Energiestrahls dieser nicht auf den spaltförmigen Bereich gerichtet wird. Auf diese Weise lässt sich auf einfache Art ein Spalt („Spalt” wird auch im Folgenden als Synonym für „spaltförmiger Bereich” verwendet) bei der Belichtung zwischen Teilflächen realisieren.
Weiter bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Metallpulver oder Metalllegierungspulver als Aufbaumaterial verwendet, insbesondere ein titanhaltiges Aufbaumaterial. Da die genannten Materialien in der Regel sehr hohe Schmelzpunkte bzw. -intervalle aufweisen, muss der Energiestrahl lokal besonders viel Energie in das Material eintragen, sodass es gerade bei diesen Materialien wichtig ist, eine Überhitzung zu vermeiden.
Weiter bevorzugt umfassen die Teilflächen streifenförmige Bereiche, wobei der Energiestrahl in den streifenförmigen Bereichen vorzugsweise entlang von Vektoren verfahren wird, welche insbesondere vorzugsweise senkrecht zur Längsrichtung der streifenförmigen Bereiche verlaufen. Durch das Belichten der streifenförmigen Bereiche entlang von Vektoren senkrecht zur Längsrichtung der streifenförmigen Bereiche kann das Aufbaumaterial besonders gleichmäßig belichtet werden. Insbesondere kann auf diese Weise der Energieeintrag an den Längsseiten der Teilflächen gezielter gesteuert werden.
Weiter bevorzugt wird zumindest ein spaltförmiger Bereich nach Abtasten der angrenzenden Teilflächen ebenfalls mit dem Energiestrahl abgetastet. Damit ist es beispielsweise möglich, einen zu geringen Energieeintrag an der Grenze zwischen Teilflächen zu korrigieren.
Weiter bevorzugt werden die Breite d und/oder deren Maximalwert d_max und/oder die Pausenzeit t_P und/oder deren Minimalwert t_min automatisch abgeleitet. Damit muss sich ein Bediener der generativen Schichtbauvorrichtung nicht um Details bei der Belichtung kümmern und die Bedienung wird vereinfacht, obwohl Objekte mit hoher mechanischer Festigkeit hergestellt werden.
Weiter bevorzugt erfolgt die automatische Ableitung der Breite d und/oder von deren Maximalwert d_max und/oder der Pausenzeit t_P und/oder von deren Minimalwert t_min in Abhängigkeit von aktuellen Messergebnissen aus der Herstellung des mindestens einen dreidimensionalen Objekts. Auf diese Weise kann die Belichtung sofort korrigiert werden, falls, beispielsweise im Rahmen einer Messung der Temperatur des Aufbaumaterials, eine Überhitzung festgestellt wird. Insbesondere kann die automatische Ableitung der Breite d und/oder von deren Maximalwert d_max und/oder der Pausenzeit t_P und/oder von deren Minimalwert t_min schichtweise und/oder in zumindest einer aufgebrachten Schicht bereichsweise erfolgen. Damit ist eine Korrektur der Belichtung sogar innerhalb einer Schicht, zumindest aber in der nachfolgenden Schicht möglich, beispielsweise weil sich das Wärmeableitvermögen der Umgebung einer zu belichtenden Stelle geändert hat.
Bevorzugt wird die automatische Ableitung der Breite d und/oder von deren Maximalwert d_max und/oder der Pausenzeit t_P und/oder von deren Minimalwert t_min datenbankbasiert durchgeführt. Auf diese Weise kann auf Erfahrungswerte aus vorangegangenen Herstellungsvorgängen zurückgegriffen werden, ohne dass umfangreiche Messungen, beispielsweise der Temperatur, durchgeführt werden müssen.
Bevorzugt wird einem Nutzer ein Wert für die Breite d des Spalts und/oder für deren Maximalwert d_max und/oder für die Pausenzeit t_P und/oder für deren Minimalwert t_min zur Modifikation und/oder Bestätigung ausgegeben. Damit kann ein Nutzer eingreifen, falls die automatische Ableitung der Breite d und/oder von deren Maximalwert d_max und/oder der Pausenzeit t_P und/oder von deren Minimalwert t_min zu unerwünschten Werten führt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung mindestens eines dreidimensionalen Objekts mittels eines generativen Schichtbauverfahrens, wobei in dem generativen Schichtbauverfahren das zumindest eine Objekt hergestellt wird durch schichtweises Aufbringen eines Aufbaumaterials, vorzugsweise eines pulverförmigen Aufbaumaterials, und Verfestigen des Aufbaumaterials mittels Wärmezufuhr zu den Stellen in einer Schicht, die dem Querschnitt des zumindest einen Objekts in dieser Schicht entsprechen, indem diese Stellen der Schicht mit einem Energiestrahl abgetastet werden, ist zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt. Eine erfindungsgemäße Steuereinheit zur Aus- und/oder Nachrüstung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung mindestens eines dreidimensionalen Objekts ist so ausgelegt, dass sie die Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens veranlasst.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm weist Programmcodemittel auf, um alle Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm auf einer Vorrichtung zur Herstellung mindestens eines dreidimensionalen Objekts mittels eines generativen Schichtbauverfahrens oder auf einer dieser zugeordneten Steuereinheit ausgeführt wird.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
1 ist eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer Vorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine schematische Draufsicht auf eine zu verfestigende Aufbaumaterialschicht, wobei zur Veranschaulichung des Vorgehens beim Stand der Technik schematisch gezeigt ist, wie ein Laserstrahl zum Verfestigen des Aufbaumaterials über die Aufbaumaterialschicht geführt wird.
3 ist eine schematische Draufsicht auf eine zu verfestigende Aufbaumaterialschicht, zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Vorgehens gemäß einem Ausführungsbeispiel beim Verfestigen des Aufbaumaterials.
4 ist ein Diagramm, welches den Betrag der Geschwindigkeit, mit der ein Energiestrahl über die Aufbaumaterialschicht bewegt wird, in Abhängigkeit von der Zeit darstellt.
Für eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Vorgehens soll zunächst nachfolgend am Beispiel einer Lasersinter- oder schmelzvorrichtung eine erfindungsgemäße generative Schichtbauvorrichtung unter Bezugnahme auf 1 beschrieben werden.
Zum Aufbauen eines Objekts 2 enthält die Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 eine Prozesskammer oder Baukammer 3 mit einer Kammerwandung 4. In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Wandung 6 angeordnet. In dem Behälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 7 angeordnet, an dem eine Grundplatte 8 angebracht ist, die den Behälter 5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte 8 kann eine getrennt von dem Träger 7 gebildete Platte sein, die an dem Träger 7 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 7 gebildet sein. Wie in 1 gezeigt, kann je nach verwendetem Pulver und Prozess auf der Grundplatte 8 noch eine Bauplattform 9 angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Das Objekt 2 kann aber auch auf der Grundplatte 8 selber aufgebaut werden, die dann als Bauplattform dient. In 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bauplattform 9 zu bildende Objekt 2 unterhalb einer Arbeitsebene 10 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 11.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält weiter einen Vorratsbehälter 12 für ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares pulverförmiges Aufbaumaterial 13 und einen in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter 14 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 13 auf die Arbeitsebene 10. Der Vorratsbehälter 12 kann auch seitlich neben dem Behälter 5 angeordnet sein. Ferner enthält die Wandung 4 der Prozesskammer 3 an ihrer Oberseite ein Einkoppelfenster 15 für die zum Verfestigen des Pulvers 13 dienende Strahlung 22.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält ferner als Abtasteinheit 20 eine Belichtungsvorrichtung mit einem Laser 21, der einen Laserstrahl 22 erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt und durch eine Fokussiervorrichtung 24 über das Einkoppelfenster 15 auf die Arbeitsebene 10 fokussiert wird.
Weiter enthält die Lasersintervorrichtung 1 eine Steuereinheit 29, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung 1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Die Steuereinheit kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Die Steuereinheit 29 ist signaltechnisch verbunden mit einer Temperaturmesseinrichtung 55, beispielsweise bestehend aus einem oder mehreren Punktpyrometern oder einer Infrarotkamera.
Optional, jedoch in 1 dargestellt, können zum Erzeugen eines (Schutz-)Gasstroms 33 in der Prozesskammer 3 ein Gaszuführkanal 31, eine Gaseinlassdüse 32, eine Gasabsaugdüse 34 und einen Gasabführkanal 35 vorhanden sein. Weiterhin optional, jedoch nicht in 1 dargestellt, ist in der Prozesskammer 3 eine Heizvorrichtung angeordnet, die zum Vorheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 13 dient. Als Heizvorrichtung kann beispielsweise ein Infrarotstrahler vorgesehen sein.
Die Steuereinheit 29 wird über einen Steuerbefehlssatz angesteuert, der u. a. Daten enthält, die die Struktur der herzustellenden Anzahl von Objekten beinhalten, insbesondere ein dreidimensionales CAD-Schichtenmodell der Objekte mit Informationen über den jeweiligen Querschnitt eines Objekts in jeder zu verfestigenden Schicht des Aufbaumaterials, und Daten für die Ansteuerung der Abtasteinheit 20, die die genauen Parameter beim Verfestigen des Aufbaumaterials festlegen. Insbesondere enthalten die Daten genaue Informationen über jede zu verfestigende Schicht bei der Herstellung der Anzahl von Objekten. Wie ein Steuerbefehlssatz im Detail aussieht, ist im Stand der Technik hinreichend beschrieben und wird hier nicht näher erläutert, da dies nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist.
Im Betrieb wird zunächst zum Aufbringen einer Pulverschicht der Träger 7 um eine Höhe abgesenkt, die bevorzugt der gewünschten Schichtdicke entspricht. Unter Verwendung des Beschichters 14 wird nun eine Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials 13 aufgetragen. Die Aufbringung erfolgt vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, im gesamten Baufeld, welches der Teil der Arbeitsebene 10 innerhalb des Behälters 5 ist.
Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 von dem Laserstrahl 22 abgetastet (also belichtet), so dass das pulverförmige Aufbaumaterial 13 an diesen Stellen verfestigt wird. Die Schritte des Aufbringens einer Schicht und des selektiven Belichtens derselben werden solange wiederholt, bis das Objekt 2 fertiggestellt ist und dem Bauraum entnommen werden kann. Beim Herstellen des dreidimensionalen Objekts 2 durch Verfestigen des pulverförmigen Aufbaumaterials 11 trägt der Laserstrahl 22 lokal Energie in das Aufbaumaterial 11 ein, so dass das Aufbaumaterial an diesen Stellen durch die durch die Strahlung eingebrachte Wärmeenergie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen wird, so dass es nach seiner Abkühlung an diesen Stellen in sich verbunden als Festkörper vorliegt.
Die oben beispielhaft beschriebene generative Schichtbauvorrichtung hat naturgemäß einen anderen aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau, falls es sich bei dem Verfahren nicht um ein Lasersinter- oder Schmelzverfahren handelt. Ebenso umfasst eine erfindungsgemäße generative Schichtbauvorrichtung für ein Lasersinter- oder Schmelzverfahren auch apparative Abwandlungen gegenüber dem oben beschriebenen Beispiel. Weiterhin kann der Energiestrahl zum Verfestigen des Aufbaumaterials nicht nur in Gestalt eines Laserstrahls implementiert werden. Der Energiestrahl kann auch mittels einer anderen elektromagnetischen Strahlungsquelle erzeugt werden oder aber ein Teilchenstrahl, z. B. ein Elektronenstrahl, sein.
Als Aufbaumaterial können alle für das Lasersinter- oder Schmelzverfahren geeigneten Pulver, Pulvermischungen bzw. pastosen Materialien verwendet werden. Solche Materialien umfassen z. B. Kunststoff wie Polyamid oder Polystyrol, PEAK (Polyaryl Ether Ketone), Elastomere, wie PEBA (Polyether Block Amide), kunststoffbeschichteten Sand, Keramik sowie Metalle, wie zum Beispiel Edelstahl, insbesondere auch Legierungen oder spezielle an den jeweiligen Zweck angepasste Metallpulver.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben erkannt, dass es zur Ausbildung von mechanischen Schwachstellen gerade an der Grenze zwischen zwei aneinandergrenzenden, zu belichtenden Teilflächen kommen kann. Dieser Sachverhalt soll nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 erläutert werden, welche ein Vorgehen des Standes der Technik bei der Belichtung unter Verwendung eines Laserstrahls veranschaulicht. 2 zeigt mit dem Bezugszeichen 200 einen der Einfachheit halber rechteckig angenommenen Objektquerschnitt in einer Schicht, welcher durch Überfahren mit einem Laserstrahl belichtet und verfestigt werden soll. Die Bezugszeichen 200a und 200b bezeichnen aneinandergrenzende Teilflächen, die während des Belichtungsvorgangs sequentiell belichtet werden. Dies bedeutet, zunächst wird mit dem Laser der Bereich 200a abgefahren, und danach wird mit dem Laser der Bereich 200b abgefahren. Die Laserstrahlen sind dabei in 2 mit den Bezugszeichen 203a und 203b sowie mit einem Pfeil für die Bewegungsrichtung des Laserstrahls, der mäander förmig über einen Teilbereich 200a bzw. 200b bewegt wird, versehen.
Die Erfinder erklären sich das Auftreten von Schwachstellen gerade an der Grenze zwischen zwei Teilbereichen damit, dass an der Grenze zu viel Energie eingetragen wird, was dazu führt, dass ein ziemlich großer Bereich aufgeschmolzen wird, der sich unkontrolliert verfestigt und so zu Poren im verfestigten Material führt, also die Porosität des Materials an dieser Stelle erhöht. DE 10 2007 014 683 A1 beschreibt, dass an den Umkehrstellen 205a und 205b des Laserstrahls an den Grenzen der Teilflächen 200a bzw. 200b der Laser während der Beschleunigungsphase und Abbremsphase bei der Richtungsumkehr ausgeschaltet ist. Die Erfinder haben hier erkannt, dass die Stellen vor und nach der Richtungsumkehr des Laserstrahls dennoch in kurzem Abstand nacheinander belichtet werden, was zu einer sehr hohen Temperatur an diesen Stellen und zu einer unerwünschten Ausdehnung des aufgeschmolzenen Bereichs führt. In 2 sind die beiden relevanten Stellen mit den Bezugszeichen 206 und 207 beispielhaft gezeigt. Weiterhin scheinen sich aneinandergrenzende Teilflächen gegenseitig thermisch zu beeinflussen.
Die Erfinder haben dieses Erklärungsmodell für das Auftreten einer erhöhten Porosität gewählt, da sich durch das nachfolgend dargestellte erfinderische Vorgehen die mechanische Festigkeit der Bauteile erhöhen lässt und die Porosität vermindern lässt:
3 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Wie in 2 ist wiederum ein zu verfestigender Bereich, der der Einfachheit halber als rechteckig angenommen wird, gezeigt (Bezugszeichen 300). Weiterhin sind wieder zwei nebeneinander liegende Teilflächen 300a und 300b gezeigt, welche sequentiell verfestigt werden und Teilbereiche der zu verfestigenden Fläche 300 sind. Im Gegensatz zur 2 erkennt man jedoch, dass die beiden Teilflächen 300a und 300b mit einem Spalt der Breite d voneinander beabstandet sind. Durch das Beabstanden der beiden Teilflächen 300a und 300b voneinander wird weniger Energie im Grenzbereich der Teilflächen 300a und 300b beim Belichten der beiden Teilflächen 300a und 300b eingetragen, da in dem spaltförmigen Bereich der Breite d kein Energieeintrag erfolgt. Die Wahl eines optimalen Wertes für die Breite d kann unter Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit des Aufbaumaterials, unter Berücksichtigung der Schichtdicke, unter Berücksichtigung des Wärmeenergieeintrags pro Zeiteinheit des Lasers an der Grenze einer Teilfläche, in Abhängigkeit von den Parametern einer Schutzgasströmung, welche das Abkühlverhalten festlegen, oder entsprechend Kombinationen dieser Parameter erfolgen. In jedem Fall kann die Breite des Spaltes d nicht beliebig groß gewählt werden, um nicht gerade durch einen zu großen Belichtungsspalt die mechanische Festigkeit herabzusetzen. Erfahrungswerte für eine maximale Breite d_max des spaltförmigen Bereichs liegen bei 0,5 mm. Bevorzugt sollte jedoch ein Maximalwert d_max von 0,2 mm, und besonders bevorzugt von 0,1 mm nicht überschritten werden. Weiterhin ist ein bevorzugter Wert für die Breite d des Spalts größer als Null, besonders bevorzugt liegt die Breite d des Spalts in einem Bereich kleiner 100 μm, bevorzugt kleiner 90 μm, besonders bevorzugt kleiner 80 μm und/oder größer/gleich 50 μm, bevorzugt größer/gleich 60 μm, besonders bevorzugt größer/gleich 70 μm.
Die Bestimmung eines optimalen Wertes für d kann anhand von einfachen Vorversuchen erfolgen, in denen z. B. Zugstäbe hergestellt werden, an denen die Reißdehnung ermittelt wird. Wie man hier vorzugehen hat, ist in der Norm ISO 527-2 festgelegt. Dabei können für ein bestimmtes Aufbaumaterial und eine bestimmte Schichtdicke mehrere Zugstäbe hergestellt werden, die sich dadurch voneinander unterscheiden, dass zwischen Teilflächen (z. B. Streifen) beim Belichten Spalte unterschiedlicher Breite d unbelichtet gelassen werden. Die optimale Spaltbreite sollte dann jene Breite sein, für die die Reißdehnung einen Maximalwert erreicht. Bei Breiten, die kleiner als die optimale Spaltbreite d sind, sollte aufgrund zu starker Erwärmung des Pulvers im Grenzbereich zweier Teilflächen dort die mechanische Festigkeit abnehmen, wohingegen bei zu großer Spaltbreite ebenfalls die mechanische Festigkeit abnehmen sollte.
Alternativ kann die Ermittlung eines optimalen Werts für die Breite d auch während des Herstellungsvorgangs eines dreidimensionalen Objektes erfolgen. Hierzu wird einfach die Temperaturmesseinrichtung 55 in 1 dazu verwendet, die Temperatur in jenen Bereichen einer Schicht zu messen, in denen Teilflächen mit einer bestimmten Breite d nebeneinanderliegen. Anhand dieser Temperaturmessungen kann man erkennen, ob die Temperaturen in diesen Bereichen so hoch sind, dass auf eine zu große Ausdehnung des Aufschmelzbereichs und die Entstehung von Porositäten beim Abkühlen geschlossen werden kann. Falls dies der Fall ist, wird automatisch in den nachfolgenden Schichten die Breite d des Spaltes größer gewählt. Gleichfalls kann bei der Detektion von zu niedrigen Temperaturen im Bereich des Spalts in den nachfolgenden Schichten die Breite d des Spalts verringert werden. Natürlich ist es auch möglich, innerhalb einer Schicht die Breite d des Spalts zwischen benachbarten Teilflächen bei der Belichtung abzuändern, sobald (beispielsweise durch eine Temperaturmessung) festgestellt wird, dass die Breite d nicht optimal ist.
Weiterhin kann man auch optimale Werte für die Breite d des Spalts bzw. die maximal mögliche Breite d_max des Spalts zwischen zwei benachbarten Teilflächen einer Datenbank entnehmen (entweder während des Bauvorgangs, um dann d während des Bauvorgangs abzuändern oder aber vor dem Bauvorgang, um dann einen entsprechenden Steuerbefehlssatz zu erstellen). In der Datenbank können aufgrund von vorhergegangenen Herstellungsvorgängen mit der gleichen generativen Schichtbauvorrichtung und/oder dem gleichen Aufbaumaterial optimale Werte für die Breite d und für deren Maximum d_max enthalten sein. Die Werte für d und d_max können entweder aus Versuchen an Objekten (insbesondere Teststrukturen, an denen die Reißdehnung bestimmt wird) oder aber durch Temperaturmessungen in den spaltförmigen Bereichen bei vorhergehenden Herstellungsvorgängen während und/oder nach einem Belichtungsvorgang in diesen Bereichen gewonnen worden sein.
Damit ein Nutzer die Kontrolle über automatisch abgeleitete Werte für die Breite d bzw. deren Maximum d_max behält, können diese automatisch abgeleiteten Werte auf einer Anzeigevorrichtung dem Nutzer angezeigt werden, damit dieser entweder die Werte bestätigen kann oder aber noch Abänderungen vornehmen kann.
4 veranschaulicht das Vorgehen bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dem Vorgehen gemäß der zweiten Ausführungsform wird unabhängig davon, ob ein Spalt d zwischen zwei benachbarten Teilflächen existiert, der Energieeintrag an der Grenze zwischen zwei Teilflächen dadurch verringert, dass an diesen Stellen eine zusätzliche Pause beim Belichten eingefügt wird, während derer eine Abkühlung des Aufbaumaterials stattfinden kann. Das Vorgehen der zweiten Ausführungsform ist somit entweder kombinierbar mit dem Belassen eines Spalts d gemäß der ersten Ausführungsform oder aber kombinierbar mit einem Vorgehen wie beim Stand der Technik, wo die Teilflächen 200a und 200b unmittelbar aneinandergrenzen bzw. miteinander überlappen.
Die 4 zeigt eine graphische Darstellung der zeitlichen Änderung des Betrags der Geschwindigkeit des Energiestrahls, beispielsweise eines Laserstrahls, an den Umkehrpunkten (205 in 2 und 305 in 3). An diesen Stellen nimmt zunächst die Geschwindigkeit des abgeschalteten Energiestrahls ab und steigt nach dem Richtungswechsel wieder an. Wenn beispielsweise als Umlenkvorrichtung 23 ein Ablenkspiegel verwendet wird, so wird der Ablenkspiegel in seiner Bewegung abgebremst, um sich nach der Richtungsumkehr in der Gegenrichtung mit zunehmender Geschwindigkeit zu bewegen. Neu gegenüber dem Stand der Technik ist gemäß der vorliegenden Erfindung, dass der Zeitraum, der für die Bewegungsumkehr des Laserstrahls (und des Ablenkspiegels) eingestellt wird, gegenüber dem Stand der Technik verlängert wird. Die zusätzliche Pausenzeit t_P kann einerseits dadurch implementiert werden, dass der Abbremsvorgang und der Beschleunigungsvorgang verlängert werden. Andererseits kann, wie in 4 gezeigt, am Umkehrpunkt (also dort, wo sich der Ablenkspiegel nicht mehr bewegt und auch der Laserstrahl stillsteht) eine Belichtungspause t_P eingefügt werden. Eine weitere Möglichkeit der Realisierung einer zusätzlichen Pausenzeit t_P besteht darin, den Weg des Lasers bzw. (des Ablenkspiegels) der Umlenkvorrichtung in der Phase der Bewegungsumkehr zu verlängern. Die drei genannten Maßnahmen können auch miteinander beliebig kombiniert werden, um die zusätzliche Pausenzeit t_P zu realisieren. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass bei den in generativen Schichtbauverfahren üblichen Bestrahlungsstärken eine Pause von maximal 1 ms vollkommen ausreichend ist, um die Porosität im Grenzbereich zwischen den belichteten Teilflächen zu verbessern.
Natürlich kann die Belichtungspause während der Strahlumkehr im Bereich 205 bzw. 305 in den 2 und 3 auch dadurch realisiert werden, dass der Abbrems- oder Beschleunigungsvorgang verzögert werden und zusätzlich am Umkehrpunkt der Bewegung eine kleine Pause eingelegt wird, so dass insgesamt eine Verzögerungszeit (als Pausenzeit bezeichnet) t_P resultiert.
Die Bestimmung der optimalen Pausendauer t_P kann analog zur Bestimmung der optimalen Breite d des Spalts bei der ersten Ausführungsform erfolgen:
Es können wiederum beispielsweise Vorversuche mit Zugstäben durchgeführt werden, bei denen mittels eines generativen Schichtbauverfahrens aus demselben Aufbaumaterial mit derselben beim Herstellvorgang eingestellten Schichtdicke Zugstäbe hergestellt werden, wobei bei der Herstellung unterschiedliche Belichtungspausen t_P bei der Strahlumkehr eingefügt werden. Weiterhin kann ebenso wie bei der ersten Ausführungsform mittels einer Temperaturmesseinrichtung 55 während eines Herstellungsvorgangs von Objekten die Temperatur im Grenzbereich zwischen zwei zu belichtenden Teilflächen bestimmt werden und aufgrund dieser Messungen in den nachfolgenden Schichten ein anderer Wert für die Dauer der Belichtungspause gewählt werden oder aber in der gleichen Schicht, in der die Temperaturmessung vorgenommen wird, die Dauer der Belichtungspause t_P abhängig vom Messergebnis abgeändert werden.
Für die Pausenzeit t_P wird bevorzugt ein Wert gewählt, der größer als ein Minimalwert t_min von 10 μs ist, bevorzugt größer als 50 μs, besonders bevorzugt größer/gleich als 100 μs, und noch bevorzugter ein Wert, der 600 μs übersteigt, also beispielsweise Werte von 650 μs, 700 μs, 750 μs, 800 μs, 900 μs oder 950 μs, mit anderen Worten, ein Wert zwischen 650 μs und 1 ms.
In gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform kann der optimale Zeitraum für die Pause t_P oder für deren Minimalwert t_min automatisch abgeleitet werden. Wie bei der ersten Ausführungsform kann ebenfalls einem Nutzer ein automatisch ermittelter Wert für den Zeitraum der Pause t_P oder für dessen Minimalwert t_min zur Bestätigung oder nochmaligen Modifikation ausgegeben werden. Als Ein/Ausgabe-Terminal können (ebenso wie bei der ersten Ausführungsform) beispielsweise ein mit der generativen Schichtbauvorrichtung signaltechnisch verbundener Monitor und entsprechende Eingabemöglichkeiten (Tastatur-Eingabemöglichkeiten und/oder Zeigevorrichtungen, wie Maus oder Scroll-Pad bzw. -Ball) dienen.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die in 2 und 3 gezeigte Gestalt der Teilflächen, in die ein zusammenhängender zu belichtender Bereich unterteilt wird, beschränkt. Die Teilflächen können eine beliebige Gestalt haben, insbesondere auch quadratisch sein, und der Abstand zwischen den Teilflächen kann sogar leicht variieren. In letzterem Fall kann die Breite d des spaltförmigen Bereichs natürlich nicht überall den Optimalwert haben, sie sollte jedoch überall kleiner als der Maximalwert d_max sein. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert besonders gute Ergebnisse, wenn Metallpulver oder ein Metalllegierungspulver als Aufbaumaterial verwendet wird, beispielsweise ein titanhaltiges Aufbaumaterial.
Wie bereits erwähnt, können die erste und die zweite Ausführungsform problemlos miteinander kombiniert werden. In solch einem Falle hat man noch mehr Freiheiten bei der Wahl der Pausendauer t_P und der Spaltbreite d. Ansonsten können alle in Zusammenhang mit der ersten und zweiten Ausführungsform geschilderten Abwandlungen in gleicher Weise angewendet werden, wenn die erste und zweite Ausführungsform miteinander kombiniert werden. Insbesondere kann dann der Verfestigungsstrahl bei der Umkehr der Bewegungsrichtung über dem spaltförmigen Bereich unterbrochen werden. Es sei noch erwähnt, dass zwar bevorzugt die Richtung der Vektoren senkrecht zu einer Längsrichtung der Teilflächen, insbesondere streifenförmiger Bereiche, verlaufen sollte, dies jedoch nicht zwingend notwendig ist. Es wäre ebenfalls möglich, die Vektoren unter einem Winkel ungleich 90° bezogen auf eine Grenze zwischen den Teilflächen verlaufen zu lassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt in Form eines Computerprograms realisiert, welches entweder in einer Steuereinheit einer generativen Schichtbauvorrichtung oder auf einer mit der generativen Schichtbauvorrichtung signaltechnisch verbundenen Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007014683 A1 [0002, 0002, 0003, 0003, 0037]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm ISO 527-2 [0039]

Claims

Generatives Schichtbauverfahren zur Herstellung mindestens eines dreidimensionalen Objekts, wobei in dem generativen Schichtbauverfahren das zumindest eine Objekt hergestellt wird durch schichtweises Aufbringen eines Aufbaumaterials, vorzugsweise eines pulverförmigen Aufbaumaterials, und Verfestigen des Aufbaumaterials mittels Wärmezufuhr zu den Stellen in einer Schicht, die dem Querschnitt des zumindest einen Objekts in dieser Schicht entsprechen, indem diese Stellen der Schicht mit einem Energiestrahl abgetastet werden, wobei: ein abzutastender, zusammenhängender Flächenbereich (300) einer Schicht durch sukzessives Abtasten von Teilflächen (300a, 300b) dieses Flächenbereichs abgetastet wird, wobei der Energiestrahl (303a, 303b) in mindestens einer Teilfläche (300a, 300b) entlang von Vektoren (W), bevorzugt zueinander kollinearen, besonders bevorzugt antiparallelen Vektoren (W), verfahren wird und der Energiestrahl zwischen der Abtastung zweier benachbarter Vektoren (W) an einem Umkehrpunkt der Bewegungsrichtung des Energiestrahls für einen vorgegebenen Zeitraum t_s unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein spaltförmiger Bereich mit der Breite d zwischen zumindest zwei aneinandergrenzenden Teilflächen (300a, 300b) von dem Abtasten durch den Energiestrahl ausgenommen wird und/oder der Zeitraum der Unterbrechung des Energiestrahls zwischen der Abtastung zweier benachbarter Vektoren (W) an einem Umkehrpunkt (305a, 305b) der Bewegungsrichtung des Energiestrahls um eine Pausenzeit t_P, die geringer als 1 ms ist, verlängert wird, wobei die Pausenzeit t_P in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit des Aufbaumaterials und/oder in Abhängigkeit von der Schichtdicke und/oder in Abhängigkeit von einem Wärmeenergieeintrag pro Zeiteinheit in eine Teilfläche an der Teilflächengrenze und/oder in Abhängigkeit von Abkühleffekten durch eine Schutzgasströmung über dem spaltförmigen Bereich festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Breite d in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit des Aufbaumaterials und/oder in Abhängigkeit von der Schichtdicke und/oder in Abhängigkeit von einem Wärmeenergieeintrag pro Zeiteinheit in eine Teilfläche an der Teilflächengrenze und/oder in Abhängigkeit von Abkühleffekten durch eine Schutzgasströmung über dem spaltförmigen Bereich festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Breite d kleiner als ein vorgegebener Maximalwert d_max sein muss, mit d_max kleiner als 0,5 mm, bevorzugt kleiner als 0,2 mm, besonders bevorzugt kleiner als 0,1 mm und/oder wobei die Breite d größer als ein vorgegebener Minimalwert d_min sein muss, mit d_min größer als 0,05 mm, und/oder die Pausenzeit t_P größer als ein Minimalwert t_min sein muss, mit t_min größer als 10 μs, bevorzugt größer als 50 μs, besonders bevorzugt größer/gleich 100 μs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei der Umkehr der Bewegungsrichtung des Energiestrahls beim Abtasten zweier benachbarter Vektoren (W) der Ort des spaltförmigen Bereichs überfahren wird, so dass durch die Unterbrechung des Energiestrahls der Energiestrahl nicht auf den spaltförmigen Bereich gerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein Metallpulver oder Metalllegierungspulver, insbesondere ein titanhaltiges Aufbaumaterial, als Aufbaumaterial verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Teilflächen (300a, 300b) streifenförmige Bereiche umfassen und wobei der Energiestrahl in den streifenförmigen Bereichen vorzugsweise entlang von Vektoren (W) verfahren wird, welche insbesondere vorzugsweise senkrecht zur Längsrichtung der streifenförmigen Bereiche verlaufen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest ein spaltförmiger Bereich nach Abtasten der angrenzenden Teilflächen (300a, 300b) ebenfalls mit dem Energiestrahl abgetastet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Breite d und/oder deren Maximalwert d_max und/oder die Pausenzeit t_P und/oder deren Minimalwert t_min automatisch abgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die automatische Ableitung der Breite d und/oder von deren Maximalwert d_max und/oder der Pausenzeit t_P und/oder von deren Minimalwert t_min in Abhängigkeit von aktuellen Messergebnissen aus der Herstellung des mindestens einen dreidimensionalen Objekts erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die automatische Ableitung der Breite d und/oder von deren Maximalwert d_max und/oder der Pausenzeit t_P und/oder von deren Minimalwert t_min schichtweise und/oder in zumindest einer aufgebrachten Schicht bereichsweise erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die automatische Ableitung der Breite d und/oder von deren Maximalwert d_max und/oder der Pausenzeit t_P und/oder von deren Minimalwert t_min datenbankbasiert durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei einem Nutzer ein Wert für die Breite d des spaltförmigen Bereichs und/oder für deren Maximalwert d_max und/oder für die Pausenzeit t_P und/oder für deren Minimalwert t_min zur Modifikation und/oder Bestätigung ausgegeben wird.
Vorrichtung zur Herstellung mindestens eines dreidimensionalen Objekts mittels eines generativen Schichtbauverfahrens, wobei in dem generativen Schichtbauverfahren das zumindest eine Objekt hergestellt wird durch schichtweises Aufbringen eines Aufbaumaterials, vorzugsweise eines pulverförmigen Aufbaumaterials, und Verfestigen des Aufbaumaterials mittels Wärmezufuhr zu den Stellen in einer Schicht, die dem Querschnitt des zumindest einen Objekts in dieser Schicht entsprechen, indem diese Stellen der Schicht mit einem Energiestrahl abgetastet werden, wobei die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgelegt ist.
Steuereinheit zur Aus- und/oder Nachrüstung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei die Steuereinheit so ausgelegt ist, dass sie die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 veranlasst.
Computerprogramm, mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen, wenn das Computerprogramm auf einer Vorrichtung zur Herstellung mindestens eines dreidimensionalen Objekts mittels eines generativen Schichtbauverfahrens oder auf einer dieser zugeordneten Steuereinheit ausgeführt wird.