DE102019206207A1 - 3D PRINTING METHOD AND 3D PRINTING DEVICE - Google Patents

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Abstract

Ein 3D-Druckverfahren umfasst Ablegen eines Modelliermaterials in Materiallagen; Verschmelzen des Modelliermaterials mit einem Energiestrahl entlang einer Schmelzbahn in der jeweiligen Materiallage; Erfassen eines lokalen Materialzustands des verschmolzenen Modelliermaterials mit einer Bildgebungseinrichtung entlang der Schmelzbahn, wobei die Bildgebungseinrichtung das verschmolzene Modelliermaterial dem Energiestrahl in der Schmelzbahn nachfolgend lokal entlang der Schmelzbahn erfasst; simultanes Analysieren des erfassten lokalen Materialzustands des verschmolzenen Modelliermaterials in der Schmelzbahn auf Qualitätsmängel mit einer Analyseeinrichtung; und erneutes Verschmelzen des Modelliermaterials mit dem Energiestrahl in der Schmelzbahn im Bereich des Qualitätsmangels, wenn ein Qualitätsmangel festgestellt wird.A 3D printing process includes depositing a modeling material in layers of material; Fusing the modeling material with an energy beam along a melting path in the respective material layer; Detecting a local material state of the fused modeling material with an imaging device along the melting path, wherein the imaging device detects the melted modeling material following the energy beam in the melting path locally along the melting path; simultaneous analysis of the detected local material condition of the fused modeling material in the melt path for quality defects with an analysis device; and remelting the modeling material with the energy beam in the melt path in the area of the quality defect if a quality defect is detected.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein 3D-Druckverfahren und eine 3D-Druckvorrichtung.The present invention relates to a 3D printing method and a 3D printing apparatus.

Bei generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren, auch allgemein als „3D-Druckverfahren“ bezeichnet, werden ausgehend von einem digitalisierten geometrischen Modell eines Objekts ein oder mehrere Ausgangsmaterialien sequentiell in Lagen übereinandergeschichtet und ausgehärtet. So wird beispielsweise beim Selektiven Laserschmelzen (SLM) ein Bauteil schichtweise aus einem Modelliermaterial, beispielsweise ein Kunststoff oder ein Metall, aufgebaut, indem das Modelliermaterial in Pulverform auf eine Unterlage aufgebracht wird und gezielt durch lokale Laserbestrahlung verflüssigt wird, wodurch sich nach Abkühlung ein festes, zusammenhängendes Bauteil ergibt. 3D-Drucken bietet außergewöhnliche Designfreiheit und erlaubt es unter anderem Objekte mit überschaubaren Aufwand herzustellen, welche mit herkömmlichen Methoden nicht oder nur unter erheblichem Aufwand herstellbar wären. Aus diesem Grund sind 3D-Druckverfahren derzeit weit verbreitet im Industriedesign, in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrtindustrie oder generell in der industriellen Produktentwicklung, in der eine ressourceneffiziente Prozesskette zur bedarfsgerechten Klein- und Großserienfertigung individualisierter Bauteile eingesetzt wird.In generative or additive manufacturing processes, also generally referred to as “3D printing processes”, starting from a digitized geometric model of an object, one or more starting materials are sequentially stacked in layers and cured. In selective laser melting (SLM), for example, a component is built up in layers from a modeling material, for example a plastic or a metal, by applying the modeling material in powder form to a base and deliquely liquefying it through local laser irradiation, whereby a solid connected component results. 3D printing offers exceptional freedom of design and, among other things, allows objects to be produced with manageable effort that could not be produced using conventional methods or only with considerable effort. For this reason, 3D printing processes are currently widespread in industrial design, in the automotive industry, the aerospace industry or in general in industrial product development, in which a resource-efficient process chain is used for the needs-based small and large-scale production of individualized components.

Um sicherzustellen, dass die gedruckten Bauteile vorgegebene Qualitätsanforderungen erfüllen, können diese mit unterschiedlichen Verfahren untersucht werden. To ensure that the printed components meet the specified quality requirements, they can be examined using different methods.

Häufig werden solche Verfahren jedoch erst nach Fertigstellung des Bauteils angewendet, um defekte Bauteile auszusortieren, die nicht den vorgegebenen Anforderungen oder Spezifikationen entsprechen. Neuerdings werden darüber hinaus jedoch zunehmend auch Echtzeit- und/oder Online-Überwachungsmethoden vorgeschlagen, um eine Beurteilung des jeweiligen Bauteils bereits während des Fertigungsprozesses zu erhalten.Frequently, however, such methods are only used after the component has been completed in order to sort out defective components that do not meet the specified requirements or specifications. Recently, however, real-time and / or online monitoring methods have also increasingly been proposed in order to obtain an assessment of the respective component already during the manufacturing process.

Beispielsweise beschreibt die Druckschrift WO 2016/183210 A1 die Verwendung von optischer Kohärenztomografie um ein Objekt während der additiven Fertigung schichtweise zu überwachen. Wird ein Qualitätsmangel bzw. ein Defekt in einer Schicht entdeckt, so kann die jeweilige Schicht neu gedruckt werden. Hierzu kann die fehlerhafte Stelle zunächst mit einem Laserstrahl abgetragen werden.For example, the document describes WO 2016/183210 A1 the use of optical coherence tomography to monitor an object layer by layer during additive manufacturing. If a quality defect or a defect is discovered in a layer, the respective layer can be reprinted. For this purpose, the defective point can first be removed with a laser beam.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, verbesserte Lösungen für die Erfassung und Behebung von Qualitätsmängeln bereits während der additiven Fertigung zu finden.Against this background, the present invention is based on the object of finding improved solutions for the detection and elimination of quality defects already during additive manufacturing.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein 3D-Druckverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine 3D-Druckvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.According to the invention, this object is achieved by a 3D printing method with the features of claim 1 and a 3D printing device with the features of claim 10.

Demgemäß ist ein 3D-Druckverfahren vorgesehen. Das 3D-Druckverfahren umfasst Ablegen eines Modelliermaterials in Materiallagen; Verschmelzen des Modelliermaterials mit einem Energiestrahl entlang einer Schmelzbahn in der jeweiligen Materiallage; Erfassen eines lokalen Materialzustands des verschmolzenen Modelliermaterials mit einer Bildgebungseinrichtung entlang der Schmelzbahn, wobei die Bildgebungseinrichtung das verschmolzene Modelliermaterial dem Energiestrahl in der Schmelzbahn nachfolgend lokal entlang der Schmelzbahn erfasst; simultanes Analysieren des erfassten lokalen Materialzustands des verschmolzenen Modelliermaterials in der Schmelzbahn auf Qualitätsmängel mit einer Analyseeinrichtung; und erneutes Verschmelzen des Modelliermaterials mit dem Energiestrahl in der Schmelzbahn im Bereich des Qualitätsmangels, wenn ein Qualitätsmangel festgestellt wird.Accordingly, a 3D printing process is provided. The 3D printing process includes depositing a modeling material in layers of material; Fusing the modeling material with an energy beam along a melting path in the respective material layer; Detecting a local material state of the fused modeling material with an imaging device along the melting path, wherein the imaging device detects the melted modeling material following the energy beam in the melting path locally along the melting path; simultaneous analysis of the detected local material condition of the fused modeling material in the melt path for quality defects with an analysis device; and remelting the modeling material with the energy beam in the melt path in the area of the quality defect if a quality defect is detected.

Ferner ist eine 3D-Druckvorrichtung vorgesehen. Die 3D-Druckvorrichtung ist dazu ausgebildet, Modelliermaterial in Materiallagen abzulegen und das abgelegte Modelliermaterial mit einem Energiestrahl entlang einer Schmelzbahn in der jeweiligen Materiallage zu verschmelzen. Die 3D-Druckvorrichtung umfasst eine Bildgebungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, dem Energiestrahl in der Schmelzbahn nachzufolgen und einen lokalen Materialzustand des verschmolzenen Modelliermaterials lokal entlang der Schmelzbahn zu erfassen; und eine Analyseeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, den erfassten lokalen Materialzustand des verschmolzenen Modelliermaterials simultan in der Schmelzbahn auf Qualitätsmängel zu analysieren, wobei die 3D-Druckvorrichtung ferner dazu ausgebildet ist, das Modelliermaterial erneut mit dem Energiestrahl in der Schmelzbahn im Bereich des Qualitätsmangels zu verschmelzen, wenn ein Qualitätsmangel festgestellt wird.A 3D printing device is also provided. The 3D printing device is designed to deposit modeling material in material layers and to fuse the deposited modeling material with an energy beam along a melt path in the respective material layer. The 3D printing device comprises an imaging device which is designed to follow the energy beam in the melt path and to detect a local material state of the melted modeling material locally along the melt path; and an analysis device which is designed to analyze the detected local material state of the fused modeling material simultaneously in the melt path for quality defects, wherein the 3D printing device is further configured to re-fuse the modeling material with the energy beam in the melt path in the area of the quality defect if a quality defect is found.

Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, das verschmolzene bzw. verschweißte Modelliermaterial unmittelbar im Anschluss an die Bestrahlung mit dem jeweiligen Energiestrahl, z.B. einem Laserstrahl, mit der Bildgebungseinrichtung auf Mängel zu überprüfen, indem der Zustand des Materials in einem räumlich begrenzten Bereich innerhalb der Strahlbahn ausgewertet wird. Die Analyseeinrichtung untersucht den mit der Bildgebungseinrichtung erfassten lokalen Materialzustand hierzu simultan zu dem Druckprozess, d.h. in Echtzeit. Wird ein Problem entdeckt, so kann die entsprechende Stelle unmittelbar im Anschluss ausgebessert werden. Zu diesem Zweck wird der Energiestrahl in der vorliegenden Erfindung erneut an der problematischen Stelle appliziert.An idea on which the present invention is based is to use the imaging device to check the fused or welded modeling material for defects immediately after exposure to the respective energy beam, e.g. a laser beam, by checking the condition of the material in a spatially limited area within the beam path is evaluated. For this purpose, the analysis device examines the local material condition detected with the imaging device simultaneously with the printing process, ie in real time. If a problem is discovered, the corresponding area can be corrected immediately afterwards. For this purpose the Energy beam applied again to the problematic location in the present invention.

Beispielsweise kann ein Laserstrahl beim Selektiven Lasersintern (SLS) oder Selektiven Laserschmelzen (SLM) oder ähnlichen Verfahren nach dem Feststellen einer problematischen Stelle zunächst gestoppt, um eine entsprechende Strecke zurück bewegt werden und anschließend mit einer reduzierten Strahlenergie erneut auf die Stelle eingestrahlt werden. Im Falle von SLS kann die mängelbehaftete Stelle somit beispielsweise nachgesintert werden. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass das Modelliermaterial an der fehlerhaften Stelle in ausreichender Weise verschmolzen wird. Anschließend kann der Laserstrahl weiter entlang der Schmelzbahn bewegt werden. Sollte die entsprechende Stelle auch nach der Ausbesserung noch nicht die vorgegebenen Qualitätsanforderungen erfüllen, so kann der obige Ablauf mehrfach wiederholt werden, bis die Stelle für gut befunden wird oder eine maximale Anzahl an Korrekturversuchen erreicht wird. In letzterem Fall kann der Druckprozess pausiert oder vollständig abgebrochen werden.For example, in selective laser sintering (SLS) or selective laser melting (SLM) or similar processes, after a problematic point has been identified, a laser beam can first be stopped, moved back a corresponding distance and then re-beamed onto the point with reduced beam energy. In the case of SLS, the defective area can thus be re-sintered, for example. This can ensure that the modeling material is sufficiently fused at the defective location. The laser beam can then be moved further along the melt path. If the corresponding point does not yet meet the specified quality requirements even after the repair, the above process can be repeated several times until the point is found to be good or a maximum number of correction attempts is reached. In the latter case, the printing process can be paused or canceled completely.

Aus strukturmechanischer Sicht bietet die erfindungsgemäße Lösung erhebliche Vorteile gegenüber bekannten Ansätzen aus dem Stand der Technik, da die Korrektur unmittelbar nach der ersten Energiebeaufschlagung durchgeführt werden kann und das erhitzte Modelliermaterial somit keine Zeit hat, vollständig abkühlen. In herkömmlichen Lösungen wird eine aktuelle Schicht erst vollständig fertiggestellt, bevor einzelne Fehlstellen nachkorrigiert werden. Im vorliegenden Fall können temperaturbezogene Spannungen oder dergleichen nun praktisch vollständig vermieden werden. Darüber hinaus werden keine exakten Positions- bzw. Richtungsdaten zu den Fehlstellen benötigt. Der Energiestrahl muss lediglich um den entsprechenden Betrag in der Schmelzbahn zurückbewegt werden und erneut appliziert werden (ggf. mit geänderten Parametern). Der erfindungsgemäße Ansatz kann als geschlossene Regelschleife beispielsweise für die additive Fertigung von Metall- und/oder Kunststoffbauteilen umgesetzt werden. Prinzipiell könnten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenso jedoch auch weitere Materialien gedruckt werden, z.B. faserverstärkte Verbundmaterialien usw. Die von der Bildgebungseinrichtung aufgezeichneten Informationen bzw. Bilddaten können beispielsweise in Echtzeit auf einem Bildschirm angezeigt und durch einen Bediener begutachtet, ausgewertet und/oder überwacht werden. Alternativ oder zusätzlich kann die 3D-Druckvorrichtung jedoch ein Bauteil auch vollautomatisiert drucken und dabei dessen Qualität überwachen und eventuelle Fehlstellen korrigieren.From a structural mechanical point of view, the solution according to the invention offers considerable advantages over known approaches from the prior art, since the correction can be carried out immediately after the first application of energy and the heated modeling material therefore does not have time to cool completely. In conventional solutions, a current layer is first completely completed before individual defects are corrected. In the present case, temperature-related stresses or the like can now be practically completely avoided. In addition, no exact position or direction data is required for the defects. The energy beam only needs to be moved back in the melt path by the corresponding amount and reapplied (with changed parameters if necessary). The approach according to the invention can be implemented as a closed control loop, for example for the additive manufacturing of metal and / or plastic components. In principle, however, other materials could also be printed with the device according to the invention, e.g. fiber-reinforced composite materials, etc. The information or image data recorded by the imaging device can, for example, be displayed in real time on a screen and examined, evaluated and / or monitored by an operator. Alternatively or additionally, however, the 3D printing device can also print a component fully automatically and monitor its quality and correct any defects.

Qualitätsmängel im Sinne der Erfindung umfassen insbesondere Materialverfestigungsfehler und/oder Verschmelzungsdefizite des verschmolzenen, verschweißten und/oder gesinterten Modelliermaterials. Weitere Qualitätsmängel beinhalten beispielsweise thermische Risse, Gas- bzw. Lufteinschlüsse, anderweitige Hohl- und/oder Fehlstellen usw.Quality defects within the meaning of the invention include, in particular, material consolidation defects and / or fusing deficits in the fused, welded and / or sintered modeling material. Further quality defects include, for example, thermal cracks, gas or air inclusions, other cavities and / or defects, etc.

3D-Druckverfahren sind insbesondere vorteilhaft, da sie die Herstellung von dreidimensionalen Komponenten in urformenden Verfahren ermöglichen, ohne spezielle, auf die äußere Form der Komponenten abgestimmte Fertigungswerkzeuge zu benötigen. Dadurch werden hocheffiziente, Material sparende und Zeit sparende Herstellungsprozesse für Bauteile und Komponenten ermöglicht. Besonders vorteilhaft sind derartige 3D-Druckverfahren für strukturelle Bauteile im Luft- und Raumfahrtbereich, da dort sehr viele verschiedene, auf spezielle Einsatzzwecke abgestimmte Bauteile eingesetzt werden, die in solchen 3D-Druckverfahren mit geringen Kosten, geringer Fertigungsvorlaufzeit und mit geringer Komplexität in den für die Herstellung benötigten Fertigungsanlagen herstellbar sind.3D printing processes are particularly advantageous because they enable the production of three-dimensional components in primary molding processes without the need for special production tools that are tailored to the external shape of the components. This enables highly efficient, material-saving and time-saving manufacturing processes for parts and components. Such 3D printing processes are particularly advantageous for structural components in the aerospace sector, since there a large number of different components are used that are tailored to special purposes and that are used in such 3D printing processes with low costs, short production lead times and with low complexity in the Production required manufacturing facilities can be produced.

3D-Druckverfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfassen alle generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren, bei welchen auf der Basis von geometrischen Modellen Objekte vordefinierter Form aus formlosen Materialien wie Flüssigkeiten und Pulvern oder formneutralen Halbzeugen wie etwa band- oder drahtförmigem Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse in einem speziellen generativen Fertigungssystem hergestellt werden. 3D-Druckverfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung verwenden dabei additive Prozesse, bei denen das Ausgangsmaterial schichtweise in vorgegebenen Formen sequentiell aufgebaut wird.3D printing processes in the sense of the present application include all generative or additive manufacturing processes in which, on the basis of geometric models, objects of a predefined shape made from shapeless materials such as liquids and powders or shape-neutral semi-finished products such as strip or wire-shaped material using chemical and / or physical Processes are produced in a special generative manufacturing system. 3D printing processes within the meaning of the present application use additive processes in which the starting material is sequentially built up in layers in predetermined shapes.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous refinements and developments emerge from the further subclaims and from the description with reference to the figures.

Gemäß einer Weiterbildung kann die Bildgebungseinrichtung derart ausgebildet und bezogen auf den Energiestrahl angeordnet sein, dass die Bildgebungseinrichtung dem Energiestrahl in einem vorgegebenen Abstand in der Schmelzbahn folgt. Somit ist die genaue Position der Mängelstelle jederzeit relativ zu dem Energiestrahl nachvollziehbar, da die Richtung und der Verlauf der Schmelzbahn aus den Steuerdaten des Energiestrahls bekannt sind. Beispielsweise ist es derart nicht notwendig die Koordinaten von einer oder mehreren mängelbehafteten Schmelzstellen aufzuzeichnen.According to a development, the imaging device can be designed and arranged in relation to the energy beam in such a way that the imaging device follows the energy beam at a predetermined distance in the melt path. In this way, the exact position of the defect point relative to the energy beam can be traced at any time, since the direction and course of the melt path are known from the control data of the energy beam. For example, it is not necessary to record the coordinates of one or more defective melting points.

Gemäß einer Weiterbildung kann die 3D-Druckvorrichtung dazu ausgebildet sein, den Energiestrahl um den vorgegebenen Abstand in der Schmelzbahn zurückzuversetzen, um das Modelliermaterial im Falle eines Qualitätsmangels erneut zu verschmelzen. In dieser besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung werden der Energiestrahl und die Bildgebungseinrichtung somit einfach um den entsprechenden Abstand entlang der Schmelzbahn zurückgefahren. Anschließend kann der Energiestrahl erneut - ggf. mit geänderten Parametern wie Strahlleistung oder Strahlgeschwindigkeit - über die Stelle entlangbewegt werden, um diese auszubessern.According to a development, the 3D printing device can be designed to move the energy beam back by the specified distance in the melt path in order to achieve the To re-fuse modeling material in the event of a quality defect. In this particularly simple embodiment of the invention, the energy beam and the imaging device are thus simply moved back by the corresponding distance along the melt path. The energy beam can then be moved over the point again - if necessary with changed parameters such as beam power or beam speed - in order to repair it.

Gemäß einer Weiterbildung kann die Bildgebungseinrichtung dazu ausgebildet sein, eine innere räumliche Struktur des verschmolzenen Modelliermaterials entlang der Schmelzbahn in der jeweiligen Materiallage aufzunehmen, um den lokalen Materialzustand zu erfassen. Es können somit präzise und umfassende Informationen über die Qualität der Materialverfestigung und/oder Materialverschmelzung auch im Innern der jeweiligen Lage gewonnen werden. Beispielsweise können derart Fehlstellen, Risse, Hohlstellen und/oder poröse Bereiche ausfindig gemacht werden.According to a development, the imaging device can be designed to record an internal spatial structure of the fused modeling material along the melt path in the respective material layer in order to detect the local material state. Precise and comprehensive information about the quality of the material consolidation and / or material fusion can thus also be obtained in the interior of the respective layer. For example, defects, cracks, cavities and / or porous areas can be identified in this way.

Gemäß einer Weiterbildung kann die Bildgebungseinrichtung als Tomograf ausgebildet sein. Insbesondere kann die Bildgebungseinrichtung als Computertomograf ausgebildet sein, d.h. Röntgenstrahlen verwenden.According to a development, the imaging device can be designed as a tomograph. In particular, the imaging device can be designed as a computer tomograph, i.e. Use x-rays.

Gemäß einer Weiterbildung kann ein Typ und/oder eine Kritikalität des Qualitätsmangels festgestellt und der Energiestrahl darauf aufbauend gesteuert werden. Beispielsweise kann der Typ des Qualitätsmangel auf einen Materialverfestigungsfehler, ein Verschmelzungsdefizit, Hohlstellen usw. hinweisen. Die Kritikalität des Qualitätsmangels kann beispielsweise Informationen darüber umfassen, ob der Fehler überhaupt ausbesserbar ist oder er sich als derart schwerwiegend herausstellt, dass das teilgefertigte Bauteil ggf. aussortiert werden muss. Andererseits kann der Fehler eher geringfügig sein, sodass eine Ausbesserung möglicherweise nicht erforderlich ist. Die Kritikalität des Defekts bzw. Mangels kann hierbei von dem jeweiligen Anwendungsfall abhängen. Für manche Komponenten können strengere Qualitätsanforderungen gelten als für andere. Sofern eine Ausbesserung ausgehend von dem festgestellten Typ bzw. der ausgewerteten Kritikalität des Qualitätsmangels als sinnvoll bzw. notwendig erachtet wird, kann der Energiestrahl erneut mit einer angepassten Steuerstrategie über die problematische Stelle in der Schmelzbahn geführt werden. Beispielsweise kann eine mangelhaft gesinterte Stelle mit reduzierter Strahlleistung nachgesintert werden.According to one development, a type and / or a criticality of the quality defect can be determined and the energy beam can be controlled based on this. For example, the type of quality defect can indicate a material consolidation defect, a fusion deficit, voids, etc. The criticality of the quality defect can, for example, include information about whether the defect can be repaired at all or whether it turns out to be so serious that the partially manufactured component may have to be sorted out. On the other hand, the defect may be minor, so it may not be necessary to fix it. The criticality of the defect or defect can depend on the particular application. Some components may have stricter quality requirements than others. If a repair based on the ascertained type or the evaluated criticality of the quality defect is considered sensible or necessary, the energy beam can again be guided over the problematic point in the melt path with an adapted control strategy. For example, a poorly sintered point can be re-sintered with reduced beam power.

Gemäß einer Weiterbildung kann das erneute Verschmelzen mit geänderten Druckparametern erfolgen. Derartige Druckparameter können beispielsweise eine Energiestrahlleistung, eine Scangeschwindigkeit, eine Position einer Werkplattform, ein Ausrichtungswinkel der Werkplattform oder dergleichen sein. Die Druckparameter können beispielsweise in Abhängigkeit von dem Typ des Qualitätsmangels, des verwendeten Modelliermaterials und/oder des eingesetzten Energiestrahls angepasst werden.According to a further development, the re-merging can take place with changed printing parameters. Such printing parameters can be, for example, an energy beam power, a scanning speed, a position of a work platform, an orientation angle of the work platform or the like. The printing parameters can, for example, be adapted depending on the type of quality defect, the modeling material used and / or the energy beam used.

Gemäß einer Weiterbildung kann die 3D-Druckvorrichtung als Pulverbettvorrichtung ausgebildet sein. Entsprechend kann das Modelliermaterial pulverförmig abgelegt werden.According to a further development, the 3D printing device can be designed as a powder bed device. Accordingly, the modeling material can be deposited in powder form.

Gemäß einer Weiterbildung kann das Modelliermaterial aus der Gruppe metallischer Materialien, Kunststoffe und Verbundmaterialien ausgewählt sein.According to a development, the modeling material can be selected from the group of metallic materials, plastics and composite materials.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.The above configurations and developments can be combined with one another as desired, provided that it makes sense. Further possible configurations, developments and implementations of the invention also include combinations, not explicitly mentioned, of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

  • 1 schematische Ansicht einer 3D-Druckvorrichtung zur Durchführung eines 3D-Druckverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 schematisches Ablaufdiagramm des 3D-Druckverfahrens, welches von der 3D-Druckvorrichtung in 1 durchgeführt wird; und
  • 3 bis 6 schematische Ansichten aufeinanderfolgender Verfahrensschritte des Verfahrens aus 2.
The present invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments specified in the schematic figures. It shows:
  • 1 schematic view of a 3D printing device for performing a 3D printing method according to an embodiment of the invention;
  • 2 schematic flowchart of the 3D printing process, which is used by the 3D printing device in 1 is carried out; and
  • 3 to 6th schematic views of successive process steps of the process 2 .

Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.The accompanying figures are intended to provide a further understanding of the embodiments of the invention. They illustrate embodiments and, in conjunction with the description, serve to explain principles and concepts of the invention. Other embodiments and many of the advantages mentioned emerge with a view to the drawings. The elements of the drawings are not necessarily shown to scale with one another.

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures of the drawing are identical, functionally identical and identically acting elements, features and components - unless otherwise is executed - each provided with the same reference numerals.

1 zeigt eine schematische Ansicht einer 3D-Druckvorrichtung 1 zur Durchführung eines 3D-Druckverfahrens M gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 1 shows a schematic view of a 3D printing device 1 for performing a 3D printing process M. according to one embodiment of the invention.

Ein schematisches Ablaufdiagramm des 3D-Druckverfahrens M ist in 2 dargestellt.A schematic flow diagram of the 3D printing process M. is in 2 shown.

Das 3D-Druckverfahren M dient der additiven Fertigung von Bauteilen 14. Hierzu umfasst das 3D-Druckverfahren M unter M1 Ablegen eines Modelliermaterials 2 in Materiallagen 3 und unter M2 Verschmelzen des Modelliermaterials 2 mit einem Energiestrahl 4 entlang einer Schmelzbahn 5 in der jeweiligen Materiallage 3.The 3D printing process M. is used for the additive manufacturing of components 14th . This includes the 3D printing process M. under M1 Depositing a modeling material 2 in material layers 3 and under M2 Fusion of the modeling material 2 with an energy beam 4th along a melt path 5 in the respective material layer 3 .

Das Modelliermaterial 2 kann hierbei ein Kunststoff sein oder beispielsweise aus der Gruppe metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Modelliermaterial 2 um Titan, Aluminium, Nickel, Stahl und/oder eine Legierung bzw. Materialkombination von diesen handeln. Ebenso kann das Modelliermaterial jedoch ein Verbundmaterial aus mehreren dieser oder anderer Materialien sein, ggf. können darüber hinaus Verstärkungselemente wie Fasern oder dergleichen vorgesehen sein. Grundsätzlich kann das Modelliermaterial 2 ferner pulverförmig, draht- oder bandförmig zugeführt und abgelegt werden. In dem im Weiteren näher erläuterten Beispiel wird ein pulverförmiges Modelliermaterial 2 verwendet.The modeling material 2 can be a plastic or, for example, be selected from the group of metallic materials, metallic material combinations and metallic alloys. For example, it can be the modeling material 2 be titanium, aluminum, nickel, steel and / or an alloy or material combination of these. Likewise, however, the modeling material can be a composite material made of several of these or other materials; reinforcement elements such as fibers or the like can also be provided if necessary. Basically, the modeling material 2 can also be supplied and deposited in powder, wire or tape form. In the example explained in more detail below, a powdery modeling material is used 2 used.

Grundsätzlich sieht die vorliegende Erfindung vielfältige Möglichkeiten vor, das Modelliermaterial 2 zu verflüssigen, bei welchen Wärme gezielt lokal in abgelegtes Modelliermaterial 2 eingeleitet werden kann. Besonders die Verwendung von Lasern und/oder Teilchenstrahlen, z.B. Elektronenstrahlen, ist vorteilhaft, da hierbei Hitze sehr gezielt und kontrolliert erzeugbar ist. Das 3D-Druckverfahren M kann somit beispielsweise aus der Gruppe selektiven Lasersinterns, selektiven Laserschmelzens, selektiven Elektronenstrahlsinterns und selektiven Elektronenstrahlschmelzens oder dergleichen ausgewählt sein. Grundsätzlich kann jedoch ein beliebiges additives Verfahren zur Anwendung kommen, bei welchem ein Energiestrahl verwendet wird. Im Folgenden wird das 3D-Druckverfahren M beispielhaft im Zusammenhang mit selektiven Laserschmelzen (SLM) erläutert, bei welchem das Modelliermaterial 2 in Pulverform auf eine Werkplattform 11 aufgebracht wird und gezielt durch lokale Laserbestrahlung mit einem Energiestrahl 4 von einem Laser 9 verflüssigt wird, wodurch sich nach Abkühlung ein festes, zusammenhängendes Bauteil 14 ergibt.In principle, the present invention provides a wide range of possibilities for the modeling material 2 to liquefy, at which heat is targeted locally in deposited modeling material 2 can be initiated. The use of lasers and / or particle beams, for example electron beams, is particularly advantageous, since heat can be generated in a very targeted and controlled manner. The 3D printing process M. can thus be selected, for example, from the group of selective laser sintering, selective laser melting, selective electron beam sintering and selective electron beam melting or the like. In principle, however, any additive method can be used in which an energy beam is used. The following is the 3D printing process M. exemplified in connection with selective laser melting (SLM), in which the modeling material 2 in powder form on a work platform 11 is applied and targeted by local laser irradiation with an energy beam 4th from a laser 9 is liquefied, creating a solid, coherent component after cooling 14th results.

Das 3D-Druckverfahren M wird mit der 3D-Druckvorrichtung 1 in 1 durchgeführt. Eine Energiequelle in Form eines Lasers 9, beispielsweise ein Nd:YAG-Laser, sendet einen Energiestrahl 4 ortsselektiv auf einen bestimmten Teil einer Pulveroberfläche der jeweilig zuletzt abgelegten Materiallage 3 des pulverförmigen Modelliermaterials 2, welches in einer Arbeitskammer 12 auf einer Werkplattform 11 aufliegt. Dazu kann der Laser 9 eine entsprechende verstellbare optische Linse aufweisen, über die der Energiestrahl 4 auf einen bestimmten Teil der Pulveroberfläche des Modelliermaterials 2 abgelenkt werden kann. An der Auftreffstelle des Energiestrahls 4 wird das Modelliermaterial 2 erhitzt, so dass die Pulverpartikel lokal aufgeschmolzen werden und bei einem Abkühlen ein Agglomerat bilden. In Abhängigkeit von einem beispielsweise durch ein CAD-System („computer-aided design“) bereitgestellten und gegebenenfalls aufbereiteten digitalen Fertigungsmodell rastert bzw. fährt der Energiestrahl 4 die Pulveroberfläche entlang einer Schmelzbahn 5 in jeder Materiallage 3 ab. Nach dem selektiven Schmelzen und lokalen Agglomerieren der Pulverpartikel in der Oberflächenschicht des Modelliermaterials 2 kann überschüssiges, nicht agglomeriertes Modelliermaterial 2 ausgesondert werden. Danach wird die Werkplattform 11 mittels eines Arbeitskolbens 13 abgesenkt (siehe Pfeil in 1) und mit Hilfe eines Materialzuführers 10, wie einer Schaufel oder einer anderen geeigneten Einrichtung, wird neues Modelliermaterial 2 aus einer Materialkammer 16 in die Arbeitskammer 12 überführt. Hierzu ist in der Materialkammer 16 ein entsprechender Zuführkolben 17 vorgesehen, der das pulverförmige Modelliermaterial 2 schrittweise nach oben zu dem Materialzuführer 10 transportiert. Das Modelliermaterial 2 kann zur Beschleunigung des Schmelzprozesses durch Infrarotlicht auf eine knapp unter der Schmelztemperatur des Modelliermaterial 2 liegende Arbeitstemperatur vorgewärmt werden. Auf diese Weise entsteht in einem iterativen generativen Aufbauprozess ein dreidimensionales gesintertes bzw. „gedrucktes“ Bauteil 14 aus agglomeriertem Modelliermaterial 2. Das umliegende pulverförmige Modelliermaterial 2 kann dabei der Abstützung des bis dahin aufgebauten Teils des Bauteils 14 dienen. Durch die kontinuierliche Abwärtsbewegung der Werkplattform 11 entsteht das Bauteil 14 in schichtweiser Modellerzeugung.The 3D printing process M. is made with the 3D printing device 1 in 1 carried out. A source of energy in the form of a laser 9 , for example a Nd: YAG laser, sends a beam of energy 4th location-selective on a certain part of a powder surface of the respectively most recently deposited material layer 3 of the powdery modeling material 2 , which in a working chamber 12th on a work platform 11 rests. The laser can do this 9 have a corresponding adjustable optical lens through which the energy beam 4th on a certain part of the powder surface of the modeling material 2 can be distracted. At the point of impact of the energy beam 4th becomes the modeling material 2 heated so that the powder particles are melted locally and form an agglomerate when cooled. Depending on a digital production model provided and possibly processed by a CAD system (“computer-aided design”), for example, the energy beam scans or travels 4th the powder surface along a melt path 5 in every material layer 3 from. After the selective melting and local agglomeration of the powder particles in the surface layer of the modeling material 2 can use excess, non-agglomerated modeling material 2 be weeded out. Then the work platform 11 by means of a working piston 13 lowered (see arrow in 1 ) and with the help of a material feeder 10 such as a shovel or other suitable device, becomes new modeling material 2 from a material chamber 16 in the working chamber 12th convicted. This is done in the material chamber 16 a corresponding feed piston 17th provided that the powdery modeling material 2 gradually up to the material feeder 10 transported. The modeling material 2 can accelerate the melting process by using infrared light to just below the melting temperature of the modeling material 2 lying working temperature are preheated. In this way, a three-dimensional sintered or “printed” component is created in an iterative generative build-up process 14th made of agglomerated modeling material 2 . The surrounding powdery modeling material 2 can provide support for the part of the component that has been built up until then 14th serve. Due to the continuous downward movement of the work platform 11 the component is created 14th in layered model generation.

Das 3D-Druckverfahren M umfasst des Weiteren unter M3 Erfassen eines lokalen Materialzustands des verschmolzenen Modelliermaterials 2 mit einer Bildgebungseinrichtung 6 der 3D-Druckvorrichtung 1 entlang der Schmelzbahn 5. Hierbei folgte die Bildgebungseinrichtung 6 dem Energiestrahl 4 in der Schmelzbahn 5 nach und erfasst das verschmolzene Modelliermaterial 2 lokal entlang der Schmelzbahn 5. Die Bildgebungseinrichtung 6 ist hierzu derart ausgebildet und bezogen auf den Energiestrahl 4 angeordnet, dass die Bildgebungseinrichtung 6 dem Energiestrahl 4 in einem vorgegebenen Abstand 8 in der Schmelzbahn 5 folgt.The 3D printing process M. also includes under M3 Detection of a local material condition of the fused modeling material 2 with an imaging device 6th the 3D printing device 1 along the melt path 5 . The imaging facility followed 6th the energy beam 4th in the melting line 5 gradually and captures the fused modeling material 2 locally along the melting line 5 . The imaging facility 6th is designed for this purpose and based on the energy beam 4th arranged that the imaging device 6th the Energy beam 4th at a given distance 8th in the melting line 5 follows.

Bei der Bildgebungseinrichtung 6 handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um einen Computertomografen, der mittels Röntgenstrahlen 15 Rückschlüsse auf eine innere räumliche Struktur und damit den lokalen Materialzustand des verschmolzenen Modelliermaterials 2 entlang der Schmelzbahn 5 in der jeweiligen Materiallage 3 ermöglicht. Eine Eindringtiefe der Bildgebungseinrichtung 6 in das abgelegte Modelliermaterial 2 kann hierbei an die Dicke der Materiallagen 3 angepasst werden. Beispielsweise kann genau eine einzelne Materiallage 3 erfasst werden. Ebenso kann eine Abtastbreite der Bildgebungseinrichtung 6 auf der Materiallage 3 an die Breite der durch den Energiestrahl 4 erzeugten Schmelzbahn 5 angepasst werden.At the imaging facility 6th In this exemplary embodiment, it is a computer tomograph that uses X-rays 15th Conclusions about an internal spatial structure and thus the local material condition of the fused modeling material 2 along the melt path 5 in the respective material layer 3 enables. A depth of penetration of the imaging device 6th into the deposited modeling material 2 can depend on the thickness of the material layers 3 be adjusted. For example, exactly a single layer of material can 3 are recorded. A scanning width of the imaging device can also be used 6th on the material layer 3 to the width of the energy beam 4th generated melt path 5 be adjusted.

Die Bildgebungseinrichtung 6 und der Laser 9 sind in der gezeigten Ausführung gemeinsam an einem Halter 19 angebracht, über den beide Vorrichtungen gemeinsam entlang der Schmelzbahn 5 bewegt werden können. Konkret sind die beiden Einrichtungen in einem vorgegebenen Abstand 8 voneinander an dem Halter 19 angeordnet. Die relative Position der Bildgebungseinrichtung 6 ist somit bezogen auf den Laser 9 festgelegt. Die Bildgebungseinrichtung 6 folgt dem Laser 9 in die Bewegungsrichtung bzw. die Ausrichtung der Schmelzbahn 5 nach, d.h. die Bildgebungseinrichtung 6 ist bezogen auf die Bewegungsrichtung hinter dem Laser 9 und somit auch hinter dem Energiestrahl 4 angeordnet. Der vorgegebene Abstand 8 kann beispielsweise mehrere Zentimeter groß sein.The imaging facility 6th and the laser 9 are in the embodiment shown together on a holder 19th attached over the two devices together along the melting path 5 can be moved. Specifically, the two facilities are at a given distance 8th from each other on the holder 19th arranged. The relative position of the imaging device 6th is therefore related to the laser 9 set. The imaging facility 6th follows the laser 9 in the direction of movement or the alignment of the melt path 5 after, ie the imaging device 6th is related to the direction of movement behind the laser 9 and thus also behind the energy beam 4th arranged. The default distance 8th can for example be several centimeters tall.

Das 3D-Druckverfahren M umfasst unter M4 weiterhin simultanes Analysieren des erfassten lokalen Materialzustands des verschmolzenen Modelliermaterials 2 in der Schmelzbahn 5 auf Qualitätsmängel 18 mit einer Analyseeinrichtung 7 der 3D-Druckvorrichtung 1. Hierzu kann die Analyseeinrichtung 7 mit der Bildgebungseinrichtung 6 und dem Laser 6 kommunikativ verbunden sein, z.B. über eine drahtlose oder drahtgebundene Verbindung. Die Analyseeinrichtung 7 kann beispielsweise Bestandteil einer Steuervorrichtung der 3D-Druckvorrichtung 1 sein oder zumindest kommunikativ mit dieser in Verbindung stehen. Ferner kann die Analyseeinrichtung 7 beispielsweise einen Mikroprozessor oder dergleichen aufweisen, der mit Hilfe einer entsprechenden Software Analysealgorithmen zur Auswertung der mit der Bildgebungseinrichtung 6 aufgenommenen Daten ausführen kann. Prinzipiell kann zudem ein Display, ein Monitor oder dergleichen vorgesehen sein (nicht abgebildet), über den sowohl die Daten der Bildgebungseinrichtung 6 als auch die Auswertungsergebnisse der Analyseeinrichtung 7 angezeigt und beispielsweise durch einen Bediener überprüft und/oder überwacht werden können. Natürlich kann die 3D-Druckvorrichtung 1 auch teilweise oder vollständig automatisiert bzw. autonom das Verfahren M ausführen, ohne dass eine menschliche Eingabe notwendig ist.The 3D printing process M. includes under M4 furthermore simultaneous analysis of the detected local material condition of the fused modeling material 2 in the melting line 5 on quality defects 18th with an analysis device 7th of the 3D printing device 1. The analysis device 7th with the imaging facility 6th and the laser 6th be communicatively connected, for example via a wireless or wired connection. The analysis facility 7th can for example be part of a control device of the 3D printing device 1 or at least be in communication therewith. Furthermore, the analysis device 7th for example have a microprocessor or the like which, with the aid of appropriate software, analyzes algorithms for evaluating the with the imaging device 6th can execute recorded data. In principle, a display, a monitor or the like can also be provided (not shown) via which both the data from the imaging device 6th as well as the evaluation results of the analysis device 7th can be displayed and checked and / or monitored, for example, by an operator. Of course, the 3D printing device 1 can also partially or fully automate or autonomously the method M. run without human input.

Die Analyseeinrichtung 6 ist unter anderem dazu ausgebildet, einen Typ und/oder eine Kritikalität des Qualitätsmangels 18 festzustellen. Die Analyseeinrichtung 6 kann somit unterschiedliche Qualitätsmängel 18 identifizieren und voneinander trennen, z.B. Materialverfestigungsfehler, Verschmelzungsdefizite, thermische Risse, Gaseinschlüsse, Hohl- und/oder Fehlstellen usw. Ferner kann die Analyseeinrichtung 6 einschätzen, ob eine Ausbesserung des Qualitätsmangels 18 erforderlich ist oder ob der Qualitätsmangel 18 im Extremfall nicht behoben werden kann und das Bauteil 14 auszusortieren ist. Beispielsweise können eine oder mehrere Fehlerschwellen definiert werden, die akzeptable Größen für Fehlstellen, z.B. Hohlräume oder Poren, definieren, wobei bei Überschreitung dieser Fehlerschwellen automatisch eine Ausbesserung der entsprechenden Stelle eingeleitet wird. Hierbei kann vorgesehen sein, dass diese Fehlerschwellen an die entsprechende Anwendung angepasst werden können, z.B. durch einen Bediener und/oder in automatisierter Weise durch die 3D-Druckvorrichtung 1.The analysis facility 6th is designed, among other things, to identify a type and / or a criticality of the quality defect 18th ascertain. The analysis facility 6th can thus different quality defects 18th identify and separate from one another, for example material consolidation defects, fusion deficits, thermal cracks, gas inclusions, cavities and / or defects, etc. Furthermore, the analysis device 6th assess whether a repair of the quality defect 18th is required or whether the quality defect 18th in extreme cases cannot be remedied and the component 14th is to be sorted out. For example, one or more defect thresholds can be defined which define acceptable sizes for defects, for example cavities or pores, with a repair of the corresponding point being automatically initiated when these defect thresholds are exceeded. It can be provided here that these error thresholds can be adapted to the corresponding application, for example by an operator and / or in an automated manner by the 3D printing device 1.

Für den Fall, dass ein Qualitätsmangel 18 festgestellt wird und dieser behebbar ist, umfasst das 3D-Druckverfahren M unter M5 erneutes Verschmelzen des Modelliermaterials 2 mit dem Energiestrahl 4 in der Schmelzbahn, wobei das erneute Verschmelzen mit geänderten Druckparametern entsprechend dem Typ des Qualitätsmangels 18 erfolgt. Hierzu wird der Energiestrahl 4 um den vorgegebenen Abstand 8 in der Schmelzbahn 5 zurückversetzt, um derart ausschließlich den zuletzt mit Energie beaufschlagten Bereich in der Schmelzbahn 5 erneut mit dem Energiestrahl 4 zu bearbeiten. Hierbei kann der Energiestrahl 4 mit angepassten Parametern betrieben werden, die auf eine Nachbesserung abgestimmt sind. Beispielsweise kann es in typischen Anwendungen ausreichend sein, wenn die fehlerhafter Stelle in der Schmelzbahn 5 mit geringerer Leistung bzw. Energie bestrahlt wird, um diese lediglich nachzubessern, z.B. um vorhandene Poren, Risse oder dergleichen zu schließen.In the event that a quality defect 18th is detected and this can be remedied, includes the 3D printing process M. under M5 re-fusing of the modeling material 2 with the energy beam 4th in the melting path, the remelting with changed printing parameters according to the type of quality defect 18th he follows. For this purpose the energy beam 4th by the specified distance 8th in the melting line 5 set back in such a way only the last energized area in the melt path 5 again with the energy beam 4th to edit. Here the energy beam can 4th be operated with adapted parameters that are tailored to a subsequent improvement. For example, in typical applications it can be sufficient if the faulty point is in the melt path 5 is irradiated with lower power or energy in order to improve it, for example to close existing pores, cracks or the like.

Die 3D-Druckvorrichtung 1 fährt somit in jeder Materiallage 3 solange mit der Fertigung fort, bis Hohlräume, Poren usw. auftreten, die größer als ein vordefinierter Grenzwert sind. In diesem Fall stoppt die 3D-Druckvorrichtung 1 die Vorwärtsbewegung. Der Halter 19 bewegt sich um den vorgegebenen Abstand 8 rückwärts, bis sich der Laser 6 über der fehlerhaften Stelle befindet. Das Modelliermaterial 2 wird nun mit reduzierter Energie bzw. Leistung erneut aufgeschmolzen bzw. verschweißt. Anschließend bewegt sich der Halter 19 weiter nach vorne und der ausgebesserte Bereich wird erneut von der Bildgebungseinrichtung 6 begutachtet. Eventuell können mehrere Ausbesserungsdurchgänge notwendig sein. Konnte der Fehler hingegen beseitigt werden, so kann der Halter 19 weiter entlang der Materiallage 3 zur Fertigstellung des Bauteils 14 bewegt werden.The 3D printing device 1 thus moves in every material layer 3 Production continues until cavities, pores, etc. occur that are greater than a predefined limit value. In this case, the 3D printing device 1 stops moving forward. The holder 19th moves the specified distance 8th backwards until the laser is 6th is above the faulty location. The modeling material 2 is now melted or welded again with reduced energy or power. Then the holder moves 19th further forward and the The patched area is reassigned by the imaging facility 6th appraised. Several repair passes may be necessary. If, however, the error could be eliminated, the owner can 19th further along the material layer 3 to complete the component 14th be moved.

3 bis 6 zeigen ein Beispiel für einen derartigen Verfahrensablauf. Zunächst wird in 3 eine neue Materiallage 3 des pulverförmigen Modelliermaterials 2 aufgebracht. Anschließend wird die neue Materiallage 3 in 4 mit dem Energiestrahl 4 entlang einer Schmelzbahn 5 abgetastet, wobei das Modelliermaterial 2 verschmolzen wird (dunkle Schraffur). Gleichzeitig wird der Zustand des verschmolzenen Modelliermaterials 2 von der Bildgebungseinrichtung 6 lokal hinter dem Energiestrahl 4 erfasst und begutachtet. In 5 wird beispielhaft ein Qualitätsmangel 18 festgestellt, z.B. wurde das Modelliermaterial 2 in diesem Fall nicht ordnungsgemäß verschmolzen (helle Schraffur). Der Energiestrahl 4 wird nun gestoppt und der Halter 19 mit dem Laser 9 und der Bildgebungseinrichtung 6 wird um den vorgegebenen Abstand 8 zwischen dem Energiestrahl 4 und der Bildgebungseinrichtung 6 zurückgefahren. Anschließend wird die fehlerhafter Stelle in 6 erneut mit dem Energiestrahl 4 bearbeitet, um das Modelliermaterial 2 ausreichend zu verschmelzen. 3 to 6th show an example of such a process sequence. First, in 3 a new material layer 3 of the powdery modeling material 2 upset. Then the new material layer 3 in 4th with the energy beam 4th along a melt path 5 scanned, the modeling material 2 is merged (dark hatching). At the same time, the state of the fused modeling material 2 from the imaging facility 6th locally behind the energy beam 4th recorded and assessed. In 5 becomes an example of a quality defect 18th found, for example, the modeling material 2 in this case not properly merged (light hatching). The energy beam 4th is now stopped and the holder 19th with the laser 9 and the imaging device 6th will move the specified distance 8th between the energy beam 4th and the imaging device 6th pulled back. The faulty location is then displayed in 6th again with the energy beam 4th machined to the modeling material 2 to fuse sufficiently.

Auftretende Qualitätsmängel, Defekte und/oder Druckfehler werden somit in unmittelbarem Anschluss an das Applizieren des Energiestrahls 4 behoben, sodass temperaturbezogene Spannungen oder dergleichen vermieden werden, welche beispielsweise auftreten könnten, wenn das Bauteil 14 oder zumindest die aktuelle Materiallage 3 im Vorfeld von Reparaturmaßnahmen zunächst abgekühlt würden. Aus strukturmechanischer Sicht bietet das Verfahren somit erhebliche Vorteile. Gleichzeitig kann die Ausschussrate aufgrund fehlerhafter Bauteile drastisch reduziert werden. Das beschriebene Verfahren M kann als geschlossener Regelkreis umgesetzt werden, auf dessen Basis die 3D-Druckvorrichtung 1 in automatisierter Weise ein Bauteil 14 fertigen und relevante Qualitätsmängel 18 zumindest weitestgehend selbstständig bereinigen kann.Any quality defects, defects and / or printing errors that occur are thus immediately after the application of the energy beam 4th corrected so that temperature-related stresses or the like are avoided, which could occur, for example, when the component 14th or at least the current material situation 3 would initially cool down in the run-up to repair work. From a structural mechanical point of view, the process offers considerable advantages. At the same time, the reject rate due to defective components can be drastically reduced. The procedure described M. can be implemented as a closed control loop, on the basis of which the 3D printing device 1 automatically creates a component 14th finished and relevant quality defects 18th can at least largely clean up independently.

In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.In the preceding detailed description, various features have been summarized in one or more examples in order to improve the stringency of the presentation. It should be clear, however, that the above description is merely illustrative and in no way restrictive in nature. It serves to cover all alternatives, modifications, and equivalents of the various features and exemplary embodiments. Many other examples will be immediately and immediately apparent to those skilled in the art on the basis of their technical knowledge in view of the above description.

Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend“ und „aufweisend“ als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend“ verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein“, „einer“ und „eine“ eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.The exemplary embodiments were selected and described in order to be able to present the principles on which the invention is based and their possible applications in practice as well as possible. As a result, those skilled in the art can optimally modify and use the invention and its various exemplary embodiments with regard to the intended use. In the claims and the description, the terms “including” and “having” are used as neutral terms for the corresponding terms “comprising”. Furthermore, the use of the terms “a”, “an” and “an” should not fundamentally exclude a plurality of features and components described in this way.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
3D-Druckvorrichtung3D printing device
22
ModelliermaterialModeling material
33
MateriallageMaterial position
44th
EnergiestrahlEnergy beam
55
SchmelzbahnMelting line
66th
BildgebungseinrichtungImaging facility
77th
AnalyseeinrichtungAnalysis facility
88th
vorgegebener Abstandspecified distance
99
Laserlaser
1010
MaterialzuführerMaterial feeder
1111
WerkplattformWork platform
1212
ArbeitskammerLabor Chamber
1313
ArbeitskolbenWorking piston
1414th
BauteilComponent
1515th
RöntgenstrahlX-ray
1616
MaterialkammerMaterial chamber
1717th
ZuführkolbenFeed piston
1818th
QualitätsmangelLack of quality
1919th
Halterholder
MM.
3D-Druckverfahren3D printing process
M1-M5M1-M5
VerfahrensschrittProcess step

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • WO 2016/183210 A1 [0005]WO 2016/183210 A1 [0005]

Claims (15)

3D-Druckverfahren (M), mit: Ablegen (M1) eines Modelliermaterials (2) in Materiallagen (3); Verschmelzen (M2) des Modelliermaterials (2) mit einem Energiestrahl (4) entlang einer Schmelzbahn (5) in der jeweiligen Materiallage (3); Erfassen (M3) eines lokalen Materialzustands des verschmolzenen Modelliermaterials (2) mit einer Bildgebungseinrichtung (6) entlang der Schmelzbahn (5), wobei die Bildgebungseinrichtung (6) das verschmolzene Modelliermaterial (2) dem Energiestrahl (4) in der Schmelzbahn (5) nachfolgend lokal entlang der Schmelzbahn (5) erfasst; simultanes Analysieren (M4) des erfassten lokalen Materialzustands des verschmolzenen Modelliermaterials (2) in der Schmelzbahn (5) auf Qualitätsmängel (18) mit einer Analyseeinrichtung (7); und erneutes Verschmelzen (M5) des Modelliermaterials (2) mit dem Energiestrahl (4) in der Schmelzbahn (5) im Bereich des Qualitätsmangels (18), wenn ein Qualitätsmangel (18) festgestellt wird.3D printing process (M), with: Depositing (M1) a modeling material (2) in material layers (3); Fusing (M2) the modeling material (2) with an energy beam (4) along a melting path (5) in the respective material layer (3); Detection (M3) of a local material state of the fused modeling material (2) with an imaging device (6) along the melt path (5), the imaging device (6) following the melted modeling material (2) after the energy beam (4) in the melt path (5) detected locally along the melt path (5); simultaneous analysis (M4) of the detected local material condition of the fused modeling material (2) in the melt path (5) for quality defects (18) with an analysis device (7); and renewed melting (M5) of the modeling material (2) with the energy beam (4) in the melt path (5) in the area of the quality defect (18) if a quality defect (18) is detected. 3D-Druckverfahren (M) nach Anspruch 1, wobei die Bildgebungseinrichtung (6) dem Energiestrahl (4) in einem vorgegebenen Abstand (8) in der Schmelzbahn (5) folgt.3D printing process (M) according to Claim 1 , wherein the imaging device (6) follows the energy beam (4) at a predetermined distance (8) in the melt path (5). 3D-Druckverfahren (M) nach Anspruch 2, wobei der Energiestrahl (4) um den vorgegebenen Abstand (8) in der Schmelzbahn (5) zurückversetzt wird, um das Modelliermaterial (2) im Falle eines Qualitätsmangels (18) erneut zu verschmelzen.3D printing process (M) according to Claim 2 , wherein the energy beam (4) is set back by the predetermined distance (8) in the melting path (5) in order to remelt the modeling material (2) in the event of a quality defect (18). 3D-Druckverfahren (M) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bildgebungseinrichtung (6) eine innere räumliche Struktur des verschmolzenen Modelliermaterials (2) entlang der Schmelzbahn (5) in der jeweiligen Materiallage (3) aufnimmt, um den lokalen Materialzustand zu erfassen.3D printing process (M) according to one of the Claims 1 to 3 , wherein the imaging device (6) records an internal spatial structure of the fused modeling material (2) along the melt path (5) in the respective material layer (3) in order to detect the local material state. 3D-Druckverfahren (M) nach Anspruch 4, wobei die Bildgebungseinrichtung (6) den lokalen Materialzustand des verschmolzenen Modelliermaterials (2) auf der Basis eines tomografischen Verfahrens erfasst.3D printing process (M) according to Claim 4 wherein the imaging device (6) detects the local material state of the fused modeling material (2) on the basis of a tomographic method. 3D-Druckverfahren (M) nach Anspruch 5, wobei das tomografische Verfahren Röntgenstrahlung verwendet.3D printing process (M) according to Claim 5 , the tomographic technique using X-rays. 3D-Druckverfahren (M) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei einen Typ und/oder eine Kritikalität des Qualitätsmangels (18) festgestellt und der Energiestrahl (4) darauf aufbauend gesteuert wird.3D printing process (M) according to one of the Claims 1 to 6th , whereby a type and / or a criticality of the quality defect (18) is determined and the energy beam (4) is controlled based on this. 3D-Druckverfahren (M) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erneute Verschmelzen (M5) mit geänderten Druckparametern erfolgt.3D printing process (M) according to one of the Claims 1 to 7th , the renewed merging (M5) taking place with changed printing parameters. 3D-Druckverfahren (M) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Modelliermaterial (2) pulverförmig abgelegt wird.3D printing process (M) according to one of the Claims 1 to 8th , wherein the modeling material (2) is deposited in powder form. 3D-Druckvorrichtung (1), welche dazu ausgebildet ist, Modelliermaterial (2) in Materiallagen (3) abzulegen und das abgelegte Modelliermaterial (2) mit einem Energiestrahl (4) entlang einer Schmelzbahn (5) in der jeweiligen Materiallage (3) zu verschmelzen, wobei die 3D-Druckvorrichtung (1) umfasst: eine Bildgebungseinrichtung (6), welche dazu ausgebildet ist, dem Energiestrahl (4) in der Schmelzbahn (5) nachzufolgen und einen lokalen Materialzustand des verschmolzenen Modelliermaterials (2) lokal entlang der Schmelzbahn (5) zu erfassen; und eine Analyseeinrichtung (7), welche dazu ausgebildet ist, den erfassten lokalen Materialzustand des verschmolzenen Modelliermaterials (2) simultan in der Schmelzbahn (5) auf Qualitätsmängel (18) zu analysieren, wobei die 3D-Druckvorrichtung (1) ferner dazu ausgebildet ist, das Modelliermaterial (2) erneut mit dem Energiestrahl (4) in der Schmelzbahn (5) im Bereich des Qualitätsmangels (18) zu verschmelzen, wenn ein Qualitätsmangel (18) festgestellt wird.3D printing device (1), which is designed to deposit modeling material (2) in material layers (3) and to fuse the deposited modeling material (2) with an energy beam (4) along a melting path (5) in the respective material layer (3) , wherein the 3D printing device (1) comprises: an imaging device (6) which is designed to follow the energy beam (4) in the melt path (5) and to detect a local material state of the melted modeling material (2) locally along the melt path (5); and an analysis device (7) which is designed to analyze the detected local material state of the fused modeling material (2) simultaneously in the melt path (5) for quality defects (18), the 3D printing device (1) also being designed to To fuse the modeling material (2) again with the energy beam (4) in the melt path (5) in the area of the quality defect (18) when a quality defect (18) is detected. 3D-Druckvorrichtung (1) nach Anspruch 10, wobei die Bildgebungseinrichtung (6) derart ausgebildet und bezogen auf den Energiestrahl (4) angeordnet ist, dass die Bildgebungseinrichtung (6) dem Energiestrahl (4) in einem vorgegebenen Abstand (8) in der Schmelzbahn (5) folgt.3D printing device (1) Claim 10 , the imaging device (6) being designed and arranged in relation to the energy beam (4) in such a way that the imaging device (6) follows the energy beam (4) at a predetermined distance (8) in the melt path (5). 3D-Druckvorrichtung (1) nach Anspruch 11, wobei die 3D-Druckvorrichtung (1) dazu ausgebildet ist, den Energiestrahl (4) um den vorgegebenen Abstand (8) in der Schmelzbahn (5) zurückzuversetzen, um das Modelliermaterial (2) im Falle eines Qualitätsmangels (18) erneut zu verschmelzen.3D printing device (1) Claim 11 , wherein the 3D printing device (1) is designed to move the energy beam (4) back by the predetermined distance (8) in the melt path (5) in order to melt the modeling material (2) again in the event of a quality defect (18). 3D-Druckvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Bildgebungseinrichtung (6) dazu ausgebildet ist, eine innere räumliche Struktur des verschmolzenen Modelliermaterials (2) entlang der Schmelzbahn (5) in der jeweiligen Materiallage (3) aufzunehmen, um den lokalen Materialzustand zu erfassen.3D printing device (1) according to one of the Claims 10 to 12th , wherein the imaging device (6) is designed to record an inner spatial structure of the fused modeling material (2) along the melt path (5) in the respective material layer (3) in order to detect the local material state. 3D-Druckvorrichtung (1) nach Anspruch 13, wobei die Bildgebungseinrichtung (6) als Tomograf, insbesondere Computertomograf, ausgebildet ist.3D printing device (1) Claim 13 , wherein the imaging device (6) is designed as a tomograph, in particular a computer tomograph. 3D-Druckvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die 3D-Druckvorrichtung (1) als Pulverbettvorrichtung ausgebildet ist.3D printing device (1) according to one of the Claims 10 to 14th , wherein the 3D printing device (1) is designed as a powder bed device.
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WO2016183210A1 (en) * 2015-05-11 2016-11-17 Board Of Regents, The University Of Texas System Optical-coherence-tomography guided additive manufacturing and laser ablation of 3d-printed parts
DE102016218568A1 (en) * 2016-09-27 2018-03-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Device for in situ quality control in the additive manufacturing of components
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