DE102019219276A1

DE102019219276A1 - Hatchumkehr mit Keyhole-Übergabe

Info

Publication number: DE102019219276A1
Application number: DE102019219276.9A
Authority: DE
Inventors: Peter Holfelder; Jochen Philippi; Christoph Seyfert
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2021-06-10
Also published as: EP4072754A1; WO2021115756A1; US20230008970A1

Abstract

Ein Verfahren zur Bereitstellung von Steuerdaten für eine additive Herstellvorrichtung (1) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (2) weist auf:einen ersten Schritt (S1) des Zugriffs auf computerbasierte Modelldaten zumindest eines Abschnitts des herzustellenden Objekts,einen zweiten Schritt (S2) des Erzeugens zumindest eines Datenmodells eines zur Herstellung des zumindest einen Objektabschnitts selektiv zu verfestigenden Bereichs einer Aufbaumaterialschicht, wobei in dem Datenmodell ein Abtasten von Orten des selektiv zu verfestigenden Bereichs entlang einer ersten Trajektorie (74a, 84) und einer dazu im Wesentlichen parallelen zweiten Trajektorie (75, 85) mit zumindest einem Strahlbündel spezifiziert ist, wobei die Bewegungsvektoren der Strahlbündel in der Bauebene bei der Abtastung entlang der beiden Trajektorien einander entgegengesetzte Richtungskomponenten aufweisen,wobei spezifiziert ist, dass ein Anfangspunkt (75A, 85A) der zweiten Trajektorie (75, 85) einen Abstand zu einem Endpunkt (74aE, 84E) der zuvor abgetasteten ersten Trajektorie (74a, 84) aufweist, der geringer ist als eine halbe Strahlbreite (B) des Strahlbündels an dem Endpunkt (74aE, 84E) der ersten Trajektorie (74a, 84) undeinen dritten Schritt (S3), in dem Steuerdaten entsprechend dem im zweiten Schritt (S2) erzeugten zumindest einen Datenmodell für die Generierung eines Steuerdatensatzes für die additive Herstellvorrichtung bereitgestellt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung von Steuerdaten für eine additive Herstellvorrichtung, auf ein entsprechend angepasstes additives Herstellverfahren, eine entsprechende Vorrichtung zur Ansteuerung von Energieeintragseinrichtungen einer additiven Herstellvorrichtung, eine entsprechend angepasste additive Herstellvorrichtung und ein entsprechend angepasstes Computerprogramm.
Additive Herstellvorrichtungen und zugehörige Verfahren sind allgemein dadurch charakterisiert, dass in ihnen Objekte durch Verfestigen eines formlosen Aufbaumaterials Schicht für Schicht hergestellt werden. Die Verfestigung kann beispielsweise durch Zufuhr von Wärmeenergie zum Aufbaumaterial mittels Bestrahlens desselben mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung (z.B. Lasersintern (SLS oder DMLS) oder Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen) herbeigeführt werden. Beispielsweise beim Lasersintern oder Laserschmelzen wird ein Laserstrahl über jene Stellen einer Schicht des Aufbaumaterials bewegt, die dem Objektquerschnitt des herzustellenden Objekts in dieser Schicht entsprechen, so dass an diesen Stellen das Aufbaumaterial verfestigt wird.
10 zeigt das übliche Vorgehen bei der additiven Herstellung von Objekten durch Bestrahlen von Aufbaumaterial mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung (z. B. Lasersintern (SLS oder DMLS)) oder Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen). In 10 ist ein Objektquerschnitt 50 in einen Innenbereich bzw. Kernbereich 52 und einen Konturbereich 51 unterteilt, wobei in der Regel dem Konturbereich 51 andere Parameter für den Energieeintrag in das Aufbaumaterial zugewiesen werden als dem Innenbereich 52, Beispielsweise wird der Konturbereich 51 mit einem Laserstrahl als Beispiel für ein Strahlbündel dergestalt abgetastet, dass der Laserstrahl entlang des Verlaufs der Kontur verfahren wird. Der Innenbereich 52 wird üblicherweise dergestalt verfestigt, dass der Innenbereich 52 in Teilbereiche 53 unterteilt wird, die üblicherweise eine annähernd rechteckige oder quadratische Gestalt haben und daher auch als „Streifen“ bzw. „Quadrate“ bezeichnet werden. Der Innenbereich 52 wird dann Teilbereich für Teilbereich mit dem Laserstrahl abgetastet.
Wie in 10 gezeigt, wird in jedem Teilbereich 53 der Laserstrahl entlang paralleler Bahnen (Hatchlinien) 54 über das Aufbaumaterial bewegt, woraus ein schraffurartiges Bewegungsmuster beim Abtasten jedes Teilbereichs 53 mit dem Laserstrahl resultiert. Dieser Vorgang wird im Fachjargon auch als „Hatchen“ bezeichnet. In 10 ist dabei die Bewegungsrichtung des Laserstrahls durch Pfeile veranschaulicht. Man erkennt, dass die Bewegungsrichtungen für benachbarte Hatchlinien 54 einander entgegengesetzt sind.
11 veranschaulicht, wie solch ein Bewegungsmuster des Laserstrahls erzielt werden kann, wobei lediglich zwei Hatchlinien 64, 65 des Bereichs 53 dargestellt sind. Bei der Hatchlinie bzw. Trajektorie 64 sind der Anfangspunkt und der Endpunkt mit den Bezugszeichen 64A bzw. 64E bezeichnet. Bei der Hatchlinie 65 sind der Anfangspunkt und der Endpunkt mit den Bezugszeichen 65A bzw. 65E bezeichnet. Der Laserstrahl tritt in 11 links oben in den Bereich 53 ein und tastet das Aufbaumaterial im Bereich 53 entlang der oberen Hatchlinie 64 ab. Am Ende 64E der Hatchlinie, also wenn der Laserstrahl am Rand des Teilbereichs 53 angekommen ist, wird der Laserstrahl abgeschaltet und ohne Strahlungszufuhr zum Aufbaumaterial die Bewegungsrichtung des Laserstrahls innerhalb des Umkehrbereichs 55 verändert, so dass danach der Laserstrahl entlang der zweitobersten Hatchlinie 65 in entgegengesetzter Bewegungsrichtung über das Aufbaumaterial im Teilbereich 53 bewegt werden kann. Diesem Bewegungsmuster folgend wird dann der gesamte Teilbereich 53 abgetastet, wie es in 11 veranschaulicht ist.
Bei diesem aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehen konnten die Erfinder insbesondere für Metallpulver als Aufbaumaterial feststellen, dass es am Beginn einer neuen Hatchlinie, z.B. am rechten Ende 65A der zweitobersten Hatchlinie 65 in 11, zu vermehrtem Materialauswurf (Spratzern) kommt, wenn der Laserstrahl wieder angeschaltet wird. Dies kann lokal zu einer Beeinträchtigung der Qualität des hergestellten Objekts führen. Insbesondere können die mechanischen Eigenschaften des hergestellten Objekts verschlechtert sein.
Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels welchen die Bauteilhomogenität von durch ein additives Herstellverfahren hergestellten Objekten verbessert werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein computergestütztes Verfahren nach Anspruch 1, ein additives Herstellverfahren nach Anspruch 10, eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Steuerdaten nach Anspruch 12, eine Vorrichtung nach Anspruch 13, eine additive Herstellvorrichtung nach Anspruch 14 und ein Computerprogramm nach Anspruch 15. Weiterbildungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht. Insbesondere kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch durch untenstehende bzw. in den abhängigen Ansprüchen ausgeführte Merkmale der erfindungsgemäßen Verfahren weitergebildet sein und umgekehrt. Ferner können die im Zusammenhang mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Merkmale auch zur Weiterbildung einer anderen erfindungsgemäßen Vorrichtung benutzt werden, selbst wenn dies nicht explizit angegeben wird.
Ein erfindungsgemäßes computergestütztes Verfahren zur Bereitstellung von Steuerdaten für eine additive Herstellvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wobei das Objekt mittels der additiven Herstellvorrichtung hergestellt wird durch Aufbringen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht und Verfestigen des Aufbaumaterials in einer Bauebene mittels Zufuhr von Strahlungsenergie zu Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, indem diese Stellen mit mindestens einem Strahlbündel gemäß einem Satz von Energieeintragsparameterwerten entlang einer Mehrzahl von Trajektorien abgetastet werden, weist auf:

einen ersten Schritt des Zugriffs auf computerbasierte Modelldaten zumindest eines Abschnitts des herzustellenden Objekts,
einen zweiten Schritt des Erzeugens zumindest eines Datenmodells eines zur Herstellung des zumindest einen Objektabschnitts selektiv zu verfestigenden Bereichs einer Aufbaumaterialschicht, wobei in dem Datenmodell ein Abtasten von Orten des selektiv zu verfestigenden Bereichs entlang einer ersten Trajektorie und einer dazu im Wesentlichen parallelen zweiten Trajektorie mit zumindest einem Strahlbündel spezifiziert ist, wobei die Bewegungsvektoren der Strahlbündel in der Bauebene bei der Abtastung entlang der beiden Trajektorien einander entgegengesetzte Richtungskomponenten aufweisen,
wobei spezifiziert ist, dass ein Anfangspunkt der zweiten Trajektorie einen Abstand zu einem Endpunkt der zuvor abgetasteten ersten Trajektorie aufweist, der geringer ist als eine halbe Strahlbreite des Strahlbündels an dem Endpunkt der ersten Trajektorie und
einen dritten Schritt, in dem Steuerdaten entsprechend dem im zweiten Schritt erzeugten zumindest einen Datenmodell für die Generierung eines Steuerdatensatzes für die additive Herstellvorrichtung bereitgestellt werden.

Additive Herstellvorrichtungen und -verfahren, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, sind insbesondere solche, bei denen Energie als elektromagnetische Strahlung oder Teilchenstrahlung selektiv einer Schicht eines formlosen Aufbaumaterials zugeführt wird. Die Arbeitsebene (auch als Bauebene bezeichnet) ist dabei eine Ebene, in der die Oberseite der Schicht liegt, welcher die Energie zugeführt wird. Hierbei kann die Energieeintragseinrichtung beispielsweise einen Laser oder eine Elektronenstrahlquelle aufweisen. Die dem Aufbaumaterial zugeführte Strahlung erwärmt dieses und bewirkt dadurch einen Sinter- oder Schmelzvorgang. Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung Lasersinter-, Laserschmelz- und Elektronenstrahlschmelzvorrichtungen sowie die zugehörigen Verfahren.
Von besonderem Vorteil ist eine Anwendung der Erfindung in Zusammenhang mit additiven Herstellverfahren und -vorrichtungen, bei denen ein metallenes oder zumindest metallhaltiges Aufbaumaterial verwendet wird, beispielsweise ein Metallpulver oder Metalllegierungspulver.
Es sei an dieser Stelle bemerkt, dass mittels einer erfindungsgemäßen additiven Herstellvorrichtung nicht nur ein Objekt, sondern auch mehrere Objekte gleichzeitig hergestellt werden können. Wenn in der vorliegenden Anmeldung von der Herstellung eines Objekts die Rede ist, dann versteht es sich, dass die jeweilige Beschreibung in gleicher Weise auch auf additive Herstellverfahren und -vorrichtungen anwendbar ist, bei denen mehrere Objekte gleichzeitig hergestellt werden.
Als Steuerdatensatz (oft auch als Steuerbefehlssatz bezeichnet) wird hier eine Abfolge von Anweisungen angesehen, Schichten des Aufbaumaterials nacheinander aufzutragen und Bereiche der jeweiligen Schichten, die dem Querschnitt eines herzustellenden Objektes entsprechen, mit Strahlung abzutasten, um das Aufbaumaterial zu verfestigen.
Im Detail basiert ein Steuerdatensatz auf einem computerbasierten Modell des oder der herzustellenden Objekte, bevorzugt einem CAD-Modell. Der Steuerdatensatz legt für jede Schicht während der Herstellung die Stellen, an denen durch Strahlungszufuhr eine Verfestigung des Aufbaumaterials bewirkt werden soll, fest und optional eine Dicke der Schicht. Des Weiteren enthält ein Steuerdatensatz oftmals auch herstellvorrichtungsspezifische Informationen, beispielsweise bezüglich der Lage und Orientierung der Objekte in der additiven Herstellvorrichtung. In der Regel enthält der Steuerdatensatz dabei alle zur Steuerung der Energieeintragseinrichtung erforderlichen Daten, wodurch u. a. die Strahlungsleistung im Strahlbündel und/oder die Verfahrgeschwindigkeit des Strahlbündels über das Aufbaumaterial und/oder ein Bestrahlungsmuster festgelegt werden.
Hier wird der Begriff „Strahlbündel“ anstelle von „Strahl“ verwendet, um zum Ausdruck zu bringen, dass der Durchmesser des Strahls nicht notwendigerweise sehr klein sein muss, insbesondere wenn die Strahlung schräg auf das Aufbaumaterial auftrifft oder aber Strahlung verwendet wird, die beim Auftreffen auf das Aufbaumaterial bewusst einen größeren Flächenbereich abdecken soll (beispielsweise wenn ein Zeilenbelichter zum Einsatz kommt).
Der Steuerdatensatz kann als Gesamtheit aller für die Steuerung des Herstellungsvorgangs in einer additiven Herstellvorrichtung vorgegebenen Steuerdaten angesehen werden. Die auf eine einzelne Schicht bezogenen Steuerdaten werden dabei üblicherweise als Schichtdatensatz bezeichnet. In der vorliegenden Anmeldung wird insbesondere angenommen, dass ein Schichtdatensatz ein Datenmodell von während des Herstellungsverfahrens zu verfestigenden Stellen eines Objektquerschnitts enthält. Solch ein Datenmodell wird aus computerbasierten Modelldaten des herzustellenden Objekts insbesondere einem CAD-Modell des herzustellenden Objekts, gewonnen, indem das CAD-Modells in Schichten zerlegt wird (im Fachjargon als Slicing bezeichnet). Es ist aber auch denkbar, eine zweidimensionale Repräsentation des in einer Schicht mittels eines oder mehrerer Strahlenbündel zu verfestigenden Objektquerschnitts auf anderweitige Weise aus dem computerbasierten Modelldaten des Objekts zu extrahieren. In dem Schichtdatensatz sind einem Objektquerschnitt entsprechende Stellen, die in der zugehörigen Aufbaumaterialschicht zu verfestigen sind, spezifiziert. Darüber hinaus können noch weitere Informationen hinsichtlich der Herstellung des Objektquerschnitts enthalten sein, insbesondere die zeitliche Reihenfolge, in der einem Objektquerschnitt entsprechende Stellen zu verfestigen sind, also eine Scanlinie bzw. eine Trajektorie, entlang derer das Strahlbündel bewegt werden soll, oder z. B. die Schichtdicke oder Bestrahlungsparameterwerte, wie beispielsweise der Durchmesser oder die Verfahrgeschwindigkeit eines auf das Aufbaumaterial auftreffenden Strahlbündels, etc. Es sei betont, dass es auch Sonderfälle gibt, in denen sich ein Schichtdatensatz nicht auf einen kompletten Objektquerschnitt bezieht, sondern nur auf einen Teil desselben.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass anzusteuernde Energieeintragseinrichtungen oftmals eine Trägheit aufweisen, die dazu führen kann, dass die tatsächliche Bewegung eines Strahlbündels über die Bauebene von einer in einem Datenmodell spezifizierten Trajektorie abweicht (beispielsweise an Ecken, also Stellen, an denen eine abrupte Richtungsänderung stattfindet). Es ist dem Fachmann bekannt (siehe z.B. DE 10 2018 205 689 A1 ), wie diese Abweichungen durch entsprechende Abänderungen am Datenmodell bereits bei der Festlegung der Steuerdaten berücksichtigt werden können. In der vorliegenden Anmeldung wird daher nicht weiter auf diese gegebenenfalls notwendigen Abänderungen am Datenmodell eingegangen und angenommen, dass die Bewegung eines Strahlbündels auch tatsächlich so vonstatten geht, wie es in den Steuerdaten spezifiziert ist. Die gegebenenfalls notwendigen Abänderungen am Datenmodell können vom Fachmann jederzeit an den erfindungsgemäß bereitgestellten Steuerdaten zusätzlich vorgenommen werden.
Bei den computerbasierten Modelldaten kann es sich beispielsweise um ein Modell des herzustellenden Objektabschnitts handeln, das z. B. als CAD-Modell oder konvertiert in das STL-Format vorliegt, und noch keine Informationen über die Zerlegung in Schichten für eine schichtweise Herstellung enthält. Denkbar ist auch ein Vorliegen der Modelldaten in einer GML (Generative Modelling Language)-Beschreibung. Alternativ kann es sich bei den computerbasierten Modelldaten um eine Anzahl von Schichtdatensätzen handeln, von denen jeder ein Datenmodell eines während der Herstellung selektiv zu verfestigenden Bereichs einer Aufbaumaterialschicht aufweist, der einem Querschnitt des Objektabschnitts entspricht. An dieser Stelle sei vermerkt, dass in der vorliegenden Anmeldung der Begriff „Anzahl“ stets im Sinne von „ein oder mehrere“ zu verstehen ist. Ferner sei bemerkt, dass der Objektabschnitt sich nicht notwendigerweise nur auf einen Teil des herzustellenden Objekts beziehen muss, sondern auch das ganze herzustellende Objekt umfassen kann.
Ein Zugriff auf die Modelldaten kann so aussehen, dass die Modelldaten aus einem Speicher ausgelesen werden oder aber über ein Netzwerk entgegengenommen werden. Dabei müssen die Modelldaten des gesamten Objektabschnitts nicht zwangsläufig auf einmal eingelesen werden. Es ist auch möglich, dass es einen größeren zeitlichen Abstand zwischen den Zugriffsvorgängen auf Teile der Modelldaten gibt, beispielsweise Teile der Modelldaten jeweils bei Bedarf während eines Herstellungsvorgangs des Objektabschnitts aus einem Speicher (auf den z. B. auch von Seiten der additiven Herstellvorrichtung aus zugegriffen werden kann) oder über ein Netzwerk eingelesen werden und ein erzeugtes Datenmodell dann während des Herstellungsvorgangs in den Steuerdatensatz integriert wird. Eine additive Herstellvorrichtung kann also unter Zugrundelegung des erfindungsgemäßen Verfahrens den Steuerdatensatz für ihre Ansteuerung selbst abändern.
Wenn die Modelldaten, auf die im ersten Schritt zugegriffen wird, bereits eine Anzahl von Schichtdatensätzen aufweisen, dann kann die Erzeugung zumindest eines Datenmodells im zweiten Schritt in der Abänderung eines bereits in den Modelldaten vorhandenen Datenmodells einer Aufbaumaterialschicht bestehen. Andernfalls kann ein Datenmodell einer Aufbaumaterialschicht (bzw. eines Teils davon) erstmalig im zweiten Schritt erzeugt werden.
Einer Verfestigungsbahn in der Arbeitsebene, entlang derer das Aufbaumaterial ohne zeitliche und örtliche Unterbrechungen, d. h. in einem Zug oder, mit anderen Worten, durch kontinuierliche Verlagerung des Schmelzbades in einer Richtung parallel zur Bauebene, bevorzugt durch einen Tiefschweißprozess, verfestigt werden soll, ist eine in dem Datenmodell spezifizierte Trajektorie eines Strahlbündels zugeordnet. Insbesondere kann man also als Verfestigungsbahnen jene Scanlinien(abschnitte) ansehen, bei denen beim Abtasten des Aufbaumaterials durch das zumindest eine Strahlbündel tatsächlich eine Verfestigung desselben und nicht lediglich eine Erwärmung desselben bewirkt wird. Eine Verfestigungsbahn kann z. B. eine gerade Strecke einer gewissen Breite sein, entlang derer durch das Abtasten das Aufbaumaterial verfestigt wird. Es gibt aber auch Fälle, in denen beim Bewegen eines Strahlbündels entlang der Verfestigungsbahn ein oder mehrere Richtungsänderungen stattfinden, insbesondere die Verfestigungsbahn geometrisch als gekrümmte Linie einer gewissen Breite vorliegt. Der selektiv zu verfestigende Bereich, in dem die erste und die zweite Trajektorie spezifiziert werden, kann z.B. einen oder mehrere der Teilbereiche 53 in 10 umfassen.
Wenn in dem im zweiten Schritt erzeugten Datenmodell ein Abtasten mit zumindest einem Strahlbündel spezifiziert wird, dann ist damit gemeint, dass bei dem Abtastvorgang das zumindest eine Strahlbündel so auf das Aufbaumaterial einwirkt, dass eine Verfestigung zumindest einer obersten Schicht des Aufbaumaterials bewirkt wird, das Aufbaumaterial also nicht lediglich vorerwärmt oder nacherwärmt wird, sondern zumindest teilweise aufgeschmolzen wird.
Beim Verfestigen des Aufbaumaterials entlang einer Trajektorie wird infolge der Energiezufuhr durch das Strahlbündel beim Abtasten des Aufbaumaterials letzteres teilweise oder vollständig aufgeschmolzen, wodurch sich die Bestandteile des Aufbaumaterials (beispielsweise Pulverkörner) miteinander verbinden. Nach seiner Abkühlung liegt das Aufbaumaterial dann als Festkörper vor.
Es sei erwähnt, dass es Aufbaumaterialien, wie z. B. Legierungen, geben kann, für die kein eindeutiger Schmelzpunkt, sondern ein Schmelzintervall definiert ist. Im Prinzip kann man in solch einem Fall bereits bei einer Überschreitung der Solidustemperatur, also der unteren Grenze des Schmelzintervalls, von einem teilweisen Aufschmelzen sprechen. Bevorzugt lässt sich die vorliegende Erfindung aber auf Fälle anwenden, in denen das Aufbaumaterial vollständig aufgeschmolzen wird, also die Liquidustemperatur bzw. die obere Grenze des Schmelzintervalls überschritten wird.
Da die Übergänge zwischen teilweisem (bei Pulverkörnern also oberflächlichem) Aufschmelzen (z. B. Flüssigphasensintern) und vollständigem Aufschmelzen (Schmelzen) fließend sind, werden die Begriffe Sintern und Schmelzen in der vorliegenden Anmeldung synonym verwendet. In jedem Fall kann die vorliegende Erfindung gerade in additiven Herstellverfahren eingesetzt werden, bei denen es beim Richten eines Strahlbündels auf das Aufbaumaterial zu einem vollständigen Aufschmelzen des Aufbaumaterials, insbesondere mittels eines Tiefschweißprozesses, kommt.
Die Länge einer Verfestigungsbahn entspricht beispielsweise der Breite eines zu verfestigenden (häufig streifenförmigen oder rechteckigen) Teilbereichs eines Querschnitts des herzustellenden Objekts. Wird ein Objektquerschnitt mittels eines Strahlbündels in Form eines Schraffurmusters verfestigt, bezeichnet man solche Verfestigungsbahnen auch als „Hatchlinien“. Insbesondere kann dabei die Länge einer Verfestigungsbahn auch der Abmessung des Objektquerschnitts in Richtung des Verlaufs der Hatchlinien entsprechen, wobei gegebenenfalls noch ungefähr die Breite einer den Querschnitt rahmenden Konturlinie von dieser Abmessung abgezogen werden muss. Alternativ kann die Länge einer Verfestigungsbahn auch dem Abstand zwischen dem Rand eines zu verfestigenden (häufig rechteckigen oder quadratischen) Teilbereichs eines Objektquerschnitts und dem Rand des Objektquerschnitts bzw. der Konturlinie entsprechen.
Beim Abtasten des Aufbaumaterials mit einem Strahlbündel entlang einer Trajektorie wird man als Mindestbreite der resultierenden Verfestigungsbahn die Ausdehnung des Strahlbündels senkrecht zur Bewegungsrichtung des Strahlbündels, also die Strahlbreite, definieren. Die vorliegende Erfindung bezieht sich hierbei auf eine erste und eine zweite Trajektorie, die zueinander benachbart sind, womit gemeint ist, dass ein Abstand der zweiten Trajektorie zur ersten Trajektorie maximal der fünffachen Strahlbreite des Strahlbündels bei der Bewegung des Strahlbündels entlang der ersten Trajektorie, bevorzugt maximal der dreifachen Strahlbreite, noch bevorzugter maximal der Strahlbreite entspricht. Der Abstand wird dabei senkrecht zur Bewegungsrichtung des Strahlbündels auf der ersten Trajektorie ermittelt. Abschnitte der ersten Trajektorie, bei denen eine Senkrechte auf die Bewegungsrichtung des Strahlbündels entlang der ersten Verfestigungsbahn keinen Schnittpunkt mit der zweiten Trajektorie hat, bleiben dabei für die Ermittlung des maximalen Abstands außer Betracht.
Bevorzugt verlaufen die erste und die zweite Trajektorie im Wesentlichen parallel nebeneinander, z.B. auf mindestens 80%, bevorzugt mindestens 95%, der Länge der kürzeren von beiden. Es ist aber auch möglich, dass die erste und die zweite Trajektorie nebeneinander unter einem Winkel von weniger als 30°, bevorzugt weniger als 20°, noch bevorzugter weniger als 10°, am Bevorzugtesten von weniger als 5° zueinander verlaufen. Mit nebeneinander verlaufen ist gemeint, dass auf mindestens 90%, bevorzugt mindestens 95%, der Länge der kürzeren der beiden Trajektorien eine Senkrechte auf der kürzeren Trajektorie die andere Trajektorie schneidet.
Allgemein ist die vorliegende Erfindung insbesondere auf Hatchlinien als erste und zweite Trajektorien gerichtet, die für die flächige Verfestigung von Bereichen verwendet werden. Wenn die Erfindung auf die Verfestigung von streifenförmigen oder quadratischen Teilbereichen angewendet wird, die erste und zweite Trajektorie also Hatchlinien beim Abtasten solcher Teilbereiche sind, dann weisen die erste und zweite Trajektorie die gleiche Länge auf. Andernfalls, insbesondere wenn die zu verfestigenden Bereiche nicht rechteckig sind bzw. die Trajektorien nicht senkrecht zu den Rändern eines Teilbereichs verlaufen, können die Hatchlinien auch unterschiedliche Längen aufweisen.
Dem Anfangs- bzw. Endpunkt einer Trajektorie ist der Anfangs- und Endpunkt einer Verfestigungsbahn in der Bauebene zugeordnet. Während ein Punkt auf einer Trajektorie in einem Datenmodell aber an sich keine Ausdehnung hat, entspricht diesem Punkt in der Bauebene eine Fläche, innerhalb derer das Aufbaumaterial durch die Einwirkung des Strahlbündels mit von Null verschiedenem Durchmesser aufgeschmolzen wird. Die Ausdehnung des entstehenden Schmelzbades beeinflusst dabei die Breite der Verfestigungsbahn, also des später ausgehärteten Bereichs. Die Ausdehnung des Schmelzbades wiederum hängt von der Ausdehnung des Strahlbündels (seinem Durchmesser) beim Auftreffen auf das Aufbaumaterial ab. Typischerweise werden zu bestrahlende Stellen des Aufbaumaterials in den Steuerdaten zur Ansteuerung des zumindest einen Strahlbündels als Punkte innerhalb eines Koordinatensystems kodiert, die zweidimensional (bezogen auf eine Schicht) und/oder dreidimensional (bezogen auf ein Bauvolumen der Herstellvorrichtung, d. h. auf eine Mehrzahl von Schichten) definiert sein können. Mit diesen Punkten kann dann eine Information über eine jeweilige Ausdehnung des Strahlbündels beim Auftreffen auf die Bauebene verknüpft werden. In einem Datenraum zur Vorbereitung eines Herstellungsprozesses können ein Anfangs- und/oder ein Endpunkt einer Verfestigungsbahn also durchaus als mathematische Punkte vorliegen und die Verfestigungsbahn als Linie (Trajektorie) vorliegen. Die Richtung eines Abtastens entlang einer Trajektorie bzw. Verfestigens entlang einer Verfestigungsbahn verläuft in der Regel vom Anfangs- zum Endpunkt, mit dem Anfangspunkt als zeitlich als Erstes abgetastetem Ort einer Trajektorie und dem Endpunkt als zeitlich als Letztes abgetastetem Ort einer Trajektorie. Um Missverständnisse zu vermeiden, sei hier betont, dass bei der Definition eines Anfangs- oder Endpunkts einer Trajektorie etwaige Schwenkbewegungen des Strahlbündels um den Anfangs- oder Endpunkt herum (Wobbeln) außer Acht gelassen werden.
Wenn der Abstand zwischen den Verfestigungsbahnen hinreichend gering ist, dann muss die zweite Trajektorie nicht unmittelbar neben der ersten Trajektorie liegen, sondern die zweite Trajektorie kann sich auch auf die übernächste oder überübernächste Verfestigungsbahn beziehen. In solch einem Fall berührt also eine Verfestigungsbahn die übernächste oder überübernächste Verfestigungsbahn. An dieser Stelle sei betont, dass benachbarte Verfestigungsbahnen durchaus nicht voneinander beabstandet sein müssen, sondern auch um 5% oder 10% miteinander überlappen können. Ferner muss die Abtastung der zweiten Trajektorie nicht zwangsläufig zeitlich unmittelbar auf die Abtastung der ersten Trajektorie folgen. Vielmehr kann auch in der Zeit dazwischen entlang anderer Trajektorien abgetastet werden, wenn auch eine zeitlich unmittelbar auf die Abtastung entlang der ersten Trajektorie folgende Abtastung entlang der zweiten Trajektorie ein bevorzugtes Vorgehen ist.
Ein Abstand zwischen einem Endpunkt einer Trajektorie und einem Anfangspunkt der zeitlich folgenden Trajektorie kann anhand eines Vergleichs der Positionen von Anfangspunkt und Endpunkt im Datenmodell bzw. Datenraum festgelegt werden. Alternativ zur halben Strahlbreite des Strahlbündels als Maximalwert des Abstands zwischen Anfangspunkt und Endpunkt kann auch der halbe Abstand der Strahlachsen des Energiestrahls am Endpunkt, also der Position des Auskoppelns, und am Anfangspunkt, also der Position des Wiedereinkoppelns, als Maximalwert gewählt werden. Dieser Abstand der Strahlachsen muss dann so gewählt werden, dass er kleiner als 50% der größeren der beiden Strahlbreiten, bevorzugt kleiner als 30%, noch bevorzugter kleiner als 10% der größeren der beiden Strahlbreiten ist. Bei einer weiteren Alternative wird der Abstand zwischen Anfangs- und Endpunkt so gewählt, dass die Auftreffflächen der Strahlbündel am Anfangs- und Endpunkt einander zu mindestens 50 % überdecken.
Die Strahlachse eines Energiestrahls ist dabei so definiert, dass sie durch den geometrischen Schwerpunkt einer virtuellen Auftrefffläche des Energiestrahls verläuft, die in einer senkrecht zur Strahlachse stehenden Schnittebene durch den Energiestrahl liegt. Die Strahlachse kann durch einen Mittelpunkt der virtuellen Auftrefffläche verlaufen und/oder identisch mit einer Strahlpropagationsrichtung sein. Beispielsweise kann sie bei einem Energiestrahl mit gaußförmiger Intensitätsverteilung durch das zentrale Intensitätsmaximum verlaufen. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung umfasst eine Intensitätsverteilung eines Energiestrahls die räumliche Form bzw. Ausdehnung des Energiestrahls in der Schnittebene (Querschnittsfläche) senkrecht zur Strahlachse und auch die räumliche Verteilung der Intensität über der Querschnittsfläche, also insbesondere die Positionen von Maxima und Minima etc. Die Intensitätsverteilung in der Schnittebene senkrecht zur Strahlrichtung bzw. Einfallsrichtung entspricht - wenn eine Schnittebene an dem Baufeld betrachtet wird, also kurz vor dem Auftreffen auf das Baufeld - in den meisten Situationen nicht genau der Intensitätsverteilung direkt auf der Oberfläche des Baufelds (also innerhalb der Auftrefffläche des Strahlbündels), da der Energiestrahl meist schräg auf das Baufeld auftrifft. Dies schließt aber nicht aus, dass es im Laufe des Verfahrens immer wieder dazu kommt, dass die besagte Schnittebene bzw. virtuelle Auftrefffläche mit der tatsächlichen Auftrefffläche übereinstimmt, wenn der Energiestrahl gerade senkrecht auf der Auftrefffläche steht.
Unter einer Strahlausdehnung ist in diesem Sinne eine beliebige Abmessung bzw. Ausdehnung der Auftrefffläche des Strahlbündels quer zur Bewegungsrichtung des Strahlbündels in der Bauebene zu verstehen, insbesondere eine Strahlbreite, wobei unter einer Strahlbreite immer die Ausdehnung senkrecht zur aktuellen Bewegungsrichtung der Auftrefffläche auf dem Baufeld zu verstehen ist. Dabei muss die Strahlausdehnung nicht zwingend durch die Strahlachse bzw. das Zentrum der Intensitätsverteilung in der Bauebene verlaufen, insbesondere wenn der Energiestrahl keine rotationssymmetrische Intensitätsverteilung aufweist und/oder schräg auftrifft. Die Strahlausdehnung wird hierbei so definiert, dass sie von einem Rand zum gegenüberliegenden Rand der Intensitätsverteilung in der Bauebene verläuft, wobei der Rand hier willkürlich so definiert wird, dass 95%, bevorzugt 99 % der Strahlungsleistung des Energiestrahls innerhalb des Randes (d. h. in der durch den Rand eingeschlossenen Fläche) auf die Bauebene auftreffen.
Eine Strahlausdehnung bzw. Strahlbreite eines Strahlbündels kann insbesondere so ermittelt werden, dass zunächst bei senkrechtem Einfall der Strahlung die Fläche eines Bereichs der Bauebene bestimmt wird, in den 95% bzw. 99% der Strahlungsleistung gelangen. Dies kann beispielsweise so geschehen, dass in der Bauebene eine Strahlungsmessvorrichtung, z.B. ein Halbleiterdetektor oder eine IR-Kamera, angeordnet wird. Bevorzugt wird die Bestimmung der Strahlausdehnung bei einer Strahlungsleistung durchgeführt, die in der gleichen Größenordnung liegt wie die zum Verfestigen des Aufbaumaterials eingesetzte Strahlungsleistung.
Insbesondere wenn die Auftrefffläche des Strahlbündels eine Exzentrizität aufweist, worunter hier das Verhältnis zwischen größtem Durchmesser und kleinstem Durchmesser verstanden wird, kann anstelle der halben Strahlbreite die Hälfte eines mittleren Durchmessers des Strahlbündels als maximaler Abstand zwischen dem Anfangspunkt der zweiten Trajektorie und dem Endpunkt der zuvor abgetasteten ersten Trajektorie festgelegt werden. Hierbei entspricht der Mittelwert über alle Schnitte durch die Auftrefffläche des Strahlbündels dem mittleren Durchmesser.
Der mittlere Durchmesser kann so bestimmt werden, dass zunächst die Fläche des Bereichs der Bauebene bestimmt wird, in den 95% bzw. 99% der Strahlungsleistung gelangen. Anschließend wird als mittlerer Durchmesser ein Durchmesser einer symmetrischen Figur mit derselben Fläche festgelegt. Falls die Auftrefffläche eine ellipsenartige Gestalt hat, kann beispielsweise der Durchmesser eines Kreises mit der ermittelten Fläche bzw. dem ermittelten Flächeninhalt als mittlerer Durchmesser des Strahlbündels angesehen werden. In Fällen, in denen die Auftrefffläche eine polygonartige Gestalt hat, kann alternativ der Durchmesser eines Umkreises um ein regelmäßiges Polygon, beispielsweise ein Fünfeck, als mittlerer Durchmesser festgelegt werden.
Es sei noch bemerkt, dass die für die Generierung eines Steuerdatensatzes bereitgestellten Steuerdaten zum einen aus dem im zweiten Schritt erzeugten zumindest einen Datenmodell selbst bestehen können, zum anderen das zumindest eine Datenmodell auch entsprechend etwaigen Formatanforderungen für die Integration in den Steuerdatensatz noch aufbereitet werden kann.
Die Erfinder konnten feststellen, dass sich die Prozessqualität beim Herstellen der Objekte verbessern lässt, wenn beim Verfestigen von Teilbereichen 53, dem sogenannten „Hatchen“, auf die beschriebene Weise vorgegangen wird. Insbesondere gilt dies bei Herstellungsverfahren, bei denen bei der Einwirkung der Strahlung auf das Aufbaumaterial ein Tiefschweißprozess stattfindet. Eine Erklärung hierfür ist Folgende:

Zum Verfestigen von Metallpulver wird beim selektiven Laserstrahlsintern bzw. Laserstrahlschmelzen das Aufbaumaterial mittels eines Tiefschweißprozesses aufgeschmolzen. Bei einem Tiefschweißprozess werden im Material so hohe Temperaturen erzeugt, dass es zu einer Verdampfung kommt und insbesondere die Strahlung in eine Dampfkapillare an der Materialoberfläche eindringt. Durch Mehrfachreflexion an den Rändern der Dampfkapillare kann dann insbesondere mehr Energie in das Material eingetragen werden. Die temporär gebildete Dampfkapillare wird auch als „Keyhole“ bezeichnet. Wenn am Anfangspunkt einer Verfestigungsbahn die auf den Anfangspunkt auftreffende Strahlungsleistung erhöht wird, dann muss für einen stabilen Aufschmelzprozess zunächst erst ein Keyhole ausgebildet werden. Hierbei wird ein Schmelzbad erzeugt, das sich in eine größere Tiefe erstreckt als die Schichtdicke der zuletzt aufgetragenen Pulverschicht. Beispielsweise reicht das Schmelzbad in eine Tiefe, die dem Zwei- bis Dreifachen der Schichtdicke entspricht. Insbesondere bedeutet dies, dass zunächst Material verdampft werden muss, was zu erhöhter Spratzerbildung führen kann.

Gemäß der Erfindung überschneidet sich der Anfangspunkt (besser Anfangsbereich) einer Verfestigungsbahn mit dem Endpunkt (besser Endbereich) einer vorangegangenen Verfestigungsbahn. Dadurch kann man sich folgenden Effekt am Endpunkt einer Verfestigungsbahn zunutze machen:

Wenn am Endpunkt einer Verfestigungsbahn die auf den Endpunkt auftreffende Strahlungsleistung zu abrupt so stark verringert wird, dass die eingetragene Energie pro Flächeneinheit unter die zum Aufschmelzen des Aufbaumaterials notwendige Energie pro Flächeneinheit absinkt (beispielsweise durch Ausschalten des Strahlbündels), dann kann infolge des raschen Erstarrungsvorgangs des geschmolzenen Aufbaumaterials im verfestigten Objekt die temporär gebildete Dampfkapillare, also das „Keyhole“, sich nicht mehr mit geschmolzenem Material füllen, so dass ein Krater entsteht. Da beim beschriebenen Vorgehen der Anfangspunkt einer Trajektorie sehr nahe am Endpunkt einer zuvor abgetasteten Trajektorie liegt, dringt beim Wiederanschalten des Strahlbündels am Anfangspunkt der nachfolgenden Trajektorie das Strahlbündel zumindest teilweise in diesen Krater ein. Durch eine Mehrfachreflektion des Strahlbündels an den Kraterwänden ist die Absorption von Strahlung verbessert und dadurch kann trotz der Weiterbewegung des Strahlbündels bereits nahe dem Anfangspunkt der stabile Endzustand erreicht werden, in dem ein Tiefschweißprozess stattfindet. Als Folge kommt es zu weniger Materialauswurf, woraus eine bessere Bauteilqualität resultiert. Weiterhin wird der an sich nachteilige Krater am Endpunkt einer Verfestigungsbahn während der Bewegung des Strahlbündels vom Anfangspunkt weg beim Abtasten der zweiten Verfestigungsbahn zumindest teilweise beseitigt.

Je mehr der Anfangspunkt einer Verfestigungsbahn mit dem Endpunkt einer vorangehenden Verfestigungsbahn überlappt, desto besser lässt sich der bereits vorhandene Krater verwenden und desto rascher kann ein stabiler Endzustand erreicht werden. Jedoch lässt sich die Bauteilqualität auch bereits bei einer nur teilweisen Überlappung schon verbessern, da bereits bei einer teilweisen Überlappung der Aufheizvorgang des Aufbaumaterials am Anfangspunkt rascher vonstatten gehen kann. Bevorzugt weisen die Positionen des Anfangspunkts und des Endpunkts, die in dem im zweiten Schritt erzeugten Datenmodell spezifiziert werden, einen Abstand zueinander auf, der geringer ist als 50% der Strahlbreite des Strahlbündels an dem Endpunkt der ersten Trajektorie, noch bevorzugter einen Abstand, der geringer ist als 30% der Strahlbreite, am Bevorzugtesten einen Abstand, der geringer ist als 10% der Strahlbreite.
Die Erfindung in all ihren Ausgestaltungen ist nicht nur auf den Übergang von einer ersten Trajektorie zu einer zweiten Trajektorie beschränkt. Vielmehr kann für alle Übergänge von einer Trajektorie zu einer darauffolgenden Trajektorie in einem Objektabschnitt in der beschriebenen Weise vorgegangen werden. Insbesondere kann das Vorgehen innerhalb eines gesamten Objektquerschnitts bzw. eines Teilbereichs desselben, ja sogar für ein ganzes herzustellendes Objekt, gleichbleibend durchgeführt werden. Mit anderen Worten erfolgt ein Übergang von einer Trajektorie zur nächsten immer in der gleichen Weise.
Bevorzugt werden in dem Verfahren Steuerdaten zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts aus metallbasiertem Aufbaumaterial bereitgestellt und die auf den Anfangspunkt auftreffende Strahlungsleistung, bevorzugt die für die zweite Trajektorie spezifizierte Strahlungsleistung während der Abtastung der gesamten zweiten Trajektorie, und/oder die auf den Endpunkt auftreffende Strahlungsleistung, bevorzugt die für die erste Trajektorie spezifizierte Strahlungsleistung während der gesamten Abtastung entlang der ersten Trajektorie, so festgelegt, dass bei der Einwirkung der Strahlung auf das Aufbaumaterial ein Tiefschweißprozess stattfindet.
Die Untersuchung der Art des Schweißprozesses kann z. B. durch die Beobachtung des Schmelzbades mittels einer Kamera (optisch, IR, UV), durch die Analyse der vom Schmelzbad emittierten Strahlung oder aber durch Analysen an in Vorversuchen hergestellten Testobjekten ermittelt werden. Als Kriterium für das Vorliegen eines Tiefschweißprozesses können Emissionen, die durch die beim Tiefschweißprozess erzeugte Dampfkapillare bedingt sind, also Spratzer bzw. Jets sowie Metalldampf verwendet werden. Ein weiteres Kriterium ist das Aspektverhältnis des Schmelzbades (Breite des Schmelzbades parallel zur Arbeitsebene im Verhältnis zur Tiefe, d. h. senkrecht zur Arbeitsebene), welches beim Tiefschweißprozess unterhalb von 1 liegen sollte, oder aber die Oberflächentemperatur des Aufbaumaterials. Wenn letztere unter dem Verdampfungspunkt einer bzw. aller Komponenten des Aufbaumaterials liegt, dann kann sich nicht das für den Tiefschweißprozess erforderliche „Keyhole“ ausbilden. In der Regel liegt ein Tiefschweißprozess vor, wenn die eingebrachte Leistung pro Fläche 1 MW/cm² übersteigt.
Weiter bevorzugt wird in dem Verfahren für die Bewegung des Strahlbündels entlang der ersten Trajektorie eine erste Bewegungsgeschwindigkeit v1 festgelegt, wobei das Strahlbündel mit mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90%, noch bevorzugter mit 100% des Wertes der ersten Bewegungsgeschwindigkeit v1 über den Endpunkt bewegt wird, und/oder für die Bewegung des Strahlbündels entlang der zweiten Trajektorie eine zweite Bewegungsgeschwindigkeit v2 festgelegt, wobei das Strahlbündel mit mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90%, noch bevorzugter mit 100% und/oder höchstens 120%, bevorzugt höchstens 110% des Wertes der zweiten Bewegungsgeschwindigkeit v2 über den Anfangspunkt bewegt wird.
Während bei der Bewegung entlang der Verfestigungsbahnen das Ziel die Verfestigung von Aufbaumaterial ist, ist für die Bewegung zwischen Endpunkt und Anfangspunkt genau das Gegenteil der Fall. Hier soll kein Aufbaumaterial verfestigt werden. Durch die Spezifizierung einer Mindestgeschwindigkeit für die Abtastung des Endpunkts der ersten Trajektorie kann die für den Übergang zur nachfolgenden zweiten Trajektorie erforderliche Zeit begrenzt werden. Weiterhin sind normalerweise die Prozessverhältnisse für eine Abtastung entlang der ersten Trajektorie mit der spezifizierten Geschwindigkeit genau untersucht. Eine zu starke Abweichung von dieser Geschwindigkeit birgt die Gefahr, dass der Verfestigungsvorgang unter weniger gut untersuchten Prozessverhältnissen stattfinden muss.
Durch die Spezifizierung einer Mindestgeschwindigkeit für die Abtastung des Anfangspunkts der zweiten Trajektorie kann für möglichst gleichförmige Prozessverhältnisse bei der Abtastung der zweiten Trajektorie gesorgt werden. Normalerweise sind die Prozessverhältnisse für eine Abtastung entlang der zweiten Trajektorie mit der spezifizierten Geschwindigkeit genau untersucht. Eine zu starke Abweichung von dieser Geschwindigkeit birgt die Gefahr, dass der Verfestigungsvorgang unter weniger eng definierten Prozessverhältnissen stattfinden muss. Bevorzugt wird für die Abtastgeschwindigkeiten der ersten und zweiten Trajektorie der gleiche Wert gewählt. Noch bevorzugter wird für die Abtastgeschwindigkeiten des Anfangs- und Endpunktes der gleiche Wert gewählt.
Weiter bevorzugt wird bei dem Verfahren die Strahleinfallsrichtung des Strahlbündels am Anfangspunkt der zweiten Trajektorie so gewählt wird, dass sie mit der Strahleinfallsrichtung des Strahlbündels am Endpunkt der ersten Trajektorie einen Winkel einschließt, der kleiner als 15°, bevorzugt kleiner als 10°, noch weiter bevorzugt kleiner als 5°, besonders bevorzugt kleiner als 1° ist.
Gerade wenn bei der Abtastung des Endpunkts der ersten Trajektorie das Strahlbündel nicht senkrecht, sondern schräg auf die Bauebene einfällt, wird sich die Dampfkapillare so ausbilden, dass sie sich nicht senkrecht, sondern unter einem Winkel in die Tiefe erstreckt. Damit dann das Strahlbündel bei der Abtastung des Anfangspunkts der zweiten Trajektorie gut in den zurückgebliebenen Krater eindringen kann, sollte das Strahlbündel ungefähr aus der gleichen Richtung auf die Bauebene einfallen. Die Einfallsrichtung lässt sich dabei gut durch Kugelkoordinaten mit Koordinatenursprung im Anfangspunkt bzw. Endpunkt, also durch Spezifikation eines Winkels in der Bauebene und eines Winkels gegen die Senkrechte auf die Bauebene, definieren. Natürlich sollte auch in dem Fall, in dem bei der Abtastung des Endpunkts der ersten Trajektorie das Strahlbündel senkrecht auf die Bauebene einfällt, bei der Abtastung des Anfangspunkts der zweiten Trajektorie das Strahlbündel ebenfalls möglichst senkrecht auf die Bauebene einfallen. Insbesondere wenn die zweite Trajektorie mit einem anderen Strahlbündel abgetastet wird als die erste Trajektorie, ist es wichtig darauf zu achten, dass der Raumwinkel, den die beiden Einfallsrichtungen einschließen, begrenzt ist. Wenn das Strahlbündel zum Abtasten der zweiten Trajektorie mittels eines anderen Scanners auf die Bauebene gerichtet wird als Strahlbündel zum Abtasten der ersten Trajektorie, dann hat in der Regel der andere Scanner eine andere Position oberhalb der Bauebene, woraus automatisch eine andere Einfallsrichtung resultiert. Die Spezifizierung eines oberen Grenzwerts für den Winkel hat dadurch Einfluss auf die Entscheidung, mit welchem Strahlbündel welche Trajektorie abgetastet werden kann.
Weiter bevorzugt ist bei dem Verfahren spezifiziert, dass auf den Anfangspunkt der zweiten Trajektorie ein anderes Strahlbündel gerichtet wird als jenes, das auf den Endpunkt der ersten Trajektorie gerichtet wurde.
Wenn die zweite Trajektorie mit einem anderen Strahlbündel abgetastet wird als die erste Trajektorie, dann kann der Übergang von der Abtastung der ersten Trajektorie zur Abtastung der zweiten Trajektorie rasch vonstatten gehen. In diesem Fall muss nicht in eventuell aufwändiger Weise eine Abänderung der Bewegungsrichtung des Strahlbündels und/oder eine Verzögerung/Beschleunigung der Bewegung vorgenommen werden, da das andere Strahlbündel unter Zuhilfenahme einer anderen Umlenkvorrichtung als jener zum Abtasten der ersten Trajektorie auf die zweite Trajektorie gerichtet wird.
Weiter bevorzugt wird bei dem Verfahren im zweiten Schritt ein Verfestigen des Aufbaumaterials Teilbereich für Teilbereich spezifiziert, wobei jeder Teilbereich eine Mehrzahl der ersten und zweiten Trajektorien aufweist,
wobei mindestens ein erster und zweiter Teilbereich an einer Grenze so aneinandergrenzen, dass Anfangs- und Endpunkte der ersten und zweiten Trajektorien des ersten Teilbereichs an Anfangs- und Endpunkte der ersten und zweiten Trajektorien des zweiten Teilbereichs angrenzen,
wobei Anfangspunkte der zweiten Trajektorien des einen Teilbereichs an der Grenze einem Zwischenraum zwischen Anfangspunkten der zweiten Trajektorien in dem anderen Teilbereich gegenüber liegen und/oder einem Zwischenraum zwischen den zweiten Trajektorien des anderen Teilbereichs gegenüber liegen.
Bei den erwähnten Teilbereichen kann es sich beispielsweise um die in 10 dargestellten Teilbereiche 53, also streifenförmige oder quadratische Bereiche, handeln. In jedem dieser Teilbereiche wird dabei das Aufbaumaterial schraffurartig entlang von Trajektorien (Hatchlinien) mit einem Strahlbündel abgetastet, wobei die Trajektorien oft im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die Anfangs- und Endpunkte der einzelnen Trajektorien definieren dabei in der Regel die Grenze ihres Teilbereichs, so dass an einer Grenze zwischen zwei Teilbereichen Anfangs- und Endpunkte von Trajektorien zu jenen im anderen Teilbereich benachbart sind, diese also aneinandergrenzen. Bei dieser Umsetzung der Erfindung werden die Lagen der Anfangs- und Endpunkte in den jeweiligen Teilbereichen so gewählt, dass Anfangs- und Endpunkte sich an der zwischen beiden Teilbereichen verlaufenden Grenzlinie nicht genau gegenüberliegen, so dass ein Anfangspunkt in dem einen Teilbereich dem Zwischenraum zwischen zwei Anfangspunkten in dem anderen Teilbereich gegenüber liegt bzw. ein Endpunkt in dem einen Teilbereich dem Zwischenraum zwischen zwei Endpunkten in dem anderen Teilbereich gegenüber liegt. Durch solch eine Anordnung kann jenen Stellen im anderen Teilbereich, an denen ein Abstand zu benachbarten Anfangs-/Endpunkten des anderen Teilbereichs groß ist, bei der Verfestigung von Anfangs-/Endpunkten in dem einen Teilbereich Wärmeenergie zugeführt, so dass dadurch für eine gleichförmigere Verfestigung des Aufbaumaterials an der Grenze zwischen den Teilbereichen gesorgt ist.
Die Abstände der Anfangs-/Endpunkte zur Grenze zwischen den Teilbereichen sollten bevorzugt weniger als 10% des Minimalwerts für die Strahlbreiten der Strahlbündel an den an die Grenze angrenzenden Endpunkten von Trajektorien betragen, weiter bevorzugt weniger als 5%. Noch bevorzugter sollten die beiden Teilbereiche einander an der Grenze überlappen, besonders bevorzugt um mindestens 50% der Strahlbreite. In diesem Fall sind Anfangs-/Endpunkte des einen Teilbereichs zwischen Trajektorien des anderen Teilbereichs angeordnet, wodurch für eine noch größere Homogenität der Eigenschaften des Objekts nach seiner Verfestigung gesorgt werden kann, da die beiden Teilbereiche an ihrer Grenze eine Verzahnung von Trajektorien aufweisen.
Weiter bevorzugt ist am Endpunkt der ersten Trajektorie eine Verringerung der auf den Endpunkt auftreffenden Strahlungsleistung um mindestens 50%, bevorzugt um mindestens 80%, noch bevorzugter um mindestens 90%, noch weiter bevorzugt um 100%, spezifiziert.
Damit ein Tiefschweißprozess auch exakt am Endpunkt einer Verfestigungsbahn endet, muss die auf den Endpunkt auftreffende Strahlungsleistung so weit abgesenkt werden, dass jenseits des Endpunkts keine Verdampfung von Aufbaumaterial (Keyhole-Ausbildung) stattfindet. Bevorzugt findet jenseits des Endpunkts keine Verfestigung bzw. Aufschmelzung von Aufbaumaterial statt. Eine 100%-ige Verminderung der Strahlungsleistung, die dies bewirkt, kann dadurch herbeigeführt werden, dass die Strahlungsquelle, also z.B. der Laser, abgeschaltet wird oder aber das Strahlbündel so abgelenkt wird, dass es auf andere Stellen der Bauebene trifft oder die Bauebene überhaupt nicht mehr trifft. Alternativ kann die Strahlungsleistung zumindest so stark abgesenkt werden, dass sie bei der Weiterbewegung des Strahlbündels jenseits des Endpunkts keine Überschreitung der Schmelztemperatur bzw. Solidus- oder Liquidustemperatur des Aufbaumaterials bewirken kann. In der Regel ist dies bei einer Absenkung der Strahlungsleistung um mehr als 50% der Fall. Eine Verringerung der auf den Endpunkt auftreffenden Strahlungsleistung kann z.B. durch eine Verringerung der Ausgangsleistung der Strahlenquelle oder durch Hinzuschalten eines Abschwächers geschehen. Bei der Verwendung einer gepulsten Strahlungsquelle können z.B. auch das Tastverhältnis und/oder die Pulsfrequenz entsprechend abgeändert werden. Alternativ kann auch das Strahlbündel so stark defokussiert werden, dass der Energieeintrag pro Zeit und Flächeneinheit nicht mehr ausreicht, um eine Verfestigung bzw. Aufschmelzung von Aufbaumaterial zu bewirken.
Weiter bevorzugt wird am Anfangspunkt der zweiten Trajektorie eine Erhöhung der auf den Anfangspunkt auftreffenden Strahlungsleistung auf mindestens 50%, bevorzugt mindestens 80%, noch bevorzugter mindestens 90%, noch weiter bevorzugt mindestens 100% der mittleren auf die zweite Trajektorie auftreffenden Strahlungsleistung bei der Bewegung des Strahlbündels entlang der zweiten Trajektorie spezifiziert.
Damit ein Tiefschweißprozess exakt am Anfangspunkt einer Verfestigungsbahn beginnt, darf die Strahlungsleistung nicht bereits vor Erreichen des Startpunkts Werte aufweisen, bei denen bei der Bewegung des Strahlbündels über das Aufbaumaterial eine Verdampfung von Aufbaumaterial stattfindet. Entsprechend darf erst am Anfangspunkt der zweiten Verfestigungsbahn die auf die zweite Verfestigungsbahn auftreffende Strahlungsleistung auf Werte erhöht werden, die für eine Verdampfung von Aufbaumaterial geeignet sind. Bevorzugt weist bei einer Bewegung eines Strahlbündels zum Startpunkt hin die Strahlungsleistung einen Wert auf, bei dem noch kein Versintern bzw. Aufschmelzen von Aufbaumaterial stattfindet, also eine Solidus- bzw. Liquidustemperatur des Aufbaumaterials noch nicht überschritten wird.
Der Begriff der „mittleren auf die zweite Trajektorie auftreffenden Strahlungsleistung“ nimmt darauf Bezug, dass die auftreffende Strahlungsleistung beim Abtasten der zweiten Trajektorie variieren kann. Wenn während der Abtastung der zweiten Trajektorie die auf die zweite Trajektorie auftreffende Strahlungsleistung nicht variiert, dann ist der Wert der mittleren auftreffenden Strahlungsleistung gleich dem konstanten Wert der auf die zweite Trajektorie auftreffenden Strahlungsleistung beim Abtasten der zweiten Trajektorie. Eine Erhöhung der Strahlungsleistung kann z.B. durch eine Erhöhung der Ausgangsleistung der Strahlenquelle geschehen. Bei der Verwendung einer gepulsten Strahlungsquelle können z.B. auch das Tastverhältnis und/oder die Pulsfrequenz entsprechend abgeändert werden. Alternativ kann auch das Strahlbündel stärker fokussiert werden, so dass der Energieeintrag pro Zeit und Flächeneinheit ausreicht, um eine Verfestigung bzw. Aufschmelzung von Aufbaumaterial zu bewirken.
Weiter bevorzugt wird bei dem Verfahren zwischen dem Endpunkt und dem Anfangspunkt eine Bewegung des bevorzugt fiktiven Strahlbündels auf einer kontinuierlichen Umkehrbahn spezifiziert, die sich vorzugsweise in zumindest einem Punkt schneidet.
Insbesondere wenn die Bewegungsrichtung des Strahlbündels beim Verlassen des Anfangspunkts der zweiten Trajektorie von der Bewegungsrichtung des Strahlbündels beim Erreichen des Endpunkts der ersten Trajektorie abweicht, bietet es sich an, das Strahlbündel ohne sprunghaften örtlichen Versatz, d.h. entlang einer kontinuierlichen Umkehrbahn, zu bewegen, da dadurch zu große Verzögerungen und/oder Beschleunigungen beim Übergang zur Abtastung der zweiten Trajektorie vermieden werden können. Beliebig große Verzögerungen und Beschleunigungen sind aufgrund der Trägheit der Strahlumlenk- bzw. Scanvorrichtungen zum Bewegen eines Strahlbündels über die Bauebene nicht möglich. Hinsichtlich der Gestalt der kontinuierlichen Umkehrbahn gibt es keinerlei Beschränkungen, es kann z.B. ein Oval oder ein Polygon abgefahren werden, wobei dort, wo der Anfangs-/Endpunkt liegt, eine Ecke vorhanden ist, deren Innenwinkel gleich dem Winkel zwischen der Bewegungsrichtung des Strahlbündels zum Endpunkt hin und der Bewegungsrichtung des Strahlbündels vom Anfangspunkt weg ist. Die Gestalt kann so gewählt werden, dass eine Übergangszeit von der ersten Trajektorie zur zweiten Trajektorie möglichst klein ist oder z.B. die Umlenk- bzw. Scanvorrichtung bei der Bewegung möglichst wenig thermisch und/oder mechanisch belastet wird. Vorzugsweise ist das Strahlbündel beim Abfahren der kontinuierlichen Umkehrbahn ausgeschaltet und eine Strahlumlenkeinrichtung (z.B. ein Scanner) wird dennoch so bewegt bzw. angesteuert, als sei das Strahlbündel angeschaltet, d.h. es handelt sich um ein fiktives Strahlbündel.
Bevorzugt schließen bei der Bewegung entlang der Umkehrbahn die Richtung in der Bauebene, in der das Strahlbündel vom Endpunkt der ersten Trajektorie weg bewegt wird und die Richtung in der Bauebene, in der das Strahlbündel zum Anfangspunkt der zweiten Trajektorie hin bewegt wird (entsprechend der Bewegungsrichtung vom Anfangspunkt der zweiten Trajektorie weg entlang der zweiten Trajektorie), einen Winkel ein, der größer oder gleich 20° und/oder kleiner oder gleich 100° ist.
Wenn der Endpunkt der ersten Verfestigungsbahn und der Anfangspunkt der zweiten Verfestigungsbahn einander überlappen sollen, dann resultiert daraus, dass die erste Verfestigungsbahn und die zweite Verfestigungsbahn einander an ihrem Ende berühren müssen. Damit eine zu starke Krümmung der Verfestigungsbahnen bei ihrer Annäherung aneinander vermieden wird, ist es von Vorteil, wenn die Bewegungsrichtungen des Strahlbündels am Endpunkt der ersten Trajektorie und am Anfangspunkt der zweiten Trajektorie voneinander um einen Mindestwinkel abweichen. Gleichzeitig sollte ein Maximalwinkel zwischen den Bewegungsrichtungen nicht überschritten werden: Wenn es eine zu große Abweichung der Bewegungsrichtungen voneinander gibt, dann ist das Eindringen des Strahlbündels am Anfangspunkt in den durch die Verringerung der Strahlungsleistung am Endpunkt entstandenen Krater erschwert. Der erste Winkel kann beispielsweise so festgelegt werden, dass in der Bauebene der Winkel zwischen den jeweiligen Tangenten an die Verfestigungsbahnen im Anfangs- bzw. Endpunkt bestimmt wird.
Bevorzugt weisen die erste Trajektorie und/oder die zweite Trajektorie einen gekrümmten Bahnabschnitt auf.
Wie bereits erwähnt, bezieht sich die vorliegende Erfindung in erster Linie auf Schraffurlinien (Hatchlinien). Üblicherweise wird durch ein schraffurartiges Abtasten (Scannen) des Aufbaumaterials dieses in einem Bereich flächig verfestigt. Hierfür sind die Hatchlinien im Regelfall auf mindestens 70% ihrer Länge, bevorzugt mindestens 90% ihrer Länge geradlinig. Lediglich nahe dem Anfangspunkt und/oder Endpunkt existiert dann eine Abweichung vom geradlinigen Verlauf. Damit benachbarte Verfestigungsbahnen mit ihrem Anfangs-/Endpunkt überlappen können, ist es dabei nicht erforderlich, dass beide Verfestigungsbahnen an ihrem entsprechenden Ende einen krummlinigen Verlauf aufweisen. Vielmehr kann eine der beiden Verfestigungsbahnen zu 100% geradlinig sein, während nur die andere einen gekrümmten Bahnabschnitt an ihrem Ende aufweist. Allgemein sind beliebige Variationen der Verläufe von benachbarten Trajektorien möglich, die zu einer Überlappung von Anfangspunkt und Endpunkt führen. Hierbei können die erste und zweite Trajektorie zueinander (achsen-)symmetrisch sein, wodurch der Anfangs-/Endpunkt dann in der Mitte zwischen beiden Trajektorien liegt. Denkbar sind aber auch zueinander asymmetrische Verläufe der ersten und zweiten Trajektorie, woraus dann eine Lage des Anfangs-/Endpunkts resultiert, die näher zu einer der beiden Trajektorien ist. Bevorzugt wird die Lage des Anfangs-/Endpunkts bezüglich der ersten und zweiten Trajektorie für einen gesamten Teilbereich eines Querschnitts des herzustellenden Objekts bzw. einen gesamten Querschnitt bzw. das gesamte herzustellende Objekt beibehalten.
Weiterhin ist das erfinderische Vorgehen in gleicher Weise von Vorteil, wenn die Trajektorien nicht nur an ihren Enden krummlinige Abschnitte aufweisen, also auch abseits des Anfangs-/Endpunkts der Trajektorien vom geradlinigen Verlauf abgewichen wird. Insbesondere können Trajektorien auch als Ganzes krummlinig sein.
Bevorzugt umfasst der gekrümmte Bahnabschnitt der ersten Trajektorie und/oder der zweiten Trajektorie mindestens 1%, vorzugsweise mindestens 5% und/oder maximal 50%, vorzugsweise maximal 30%, noch bevorzugter maximal 20% der Länge der Trajektorie. Durch eine untere Grenze für die Länge des gekrümmten Bahnabschnitts werden zu starke Krümmungen, insbesondere nahe dem Anfangs-/Endpunkt, vermieden. Kleine Krümmungsradien führen nämlich zu hohen Beschleunigungswerten an den Umlenkvorrichtungen (z.B. Galvanometerspiegeln) und damit zu Ungenauigkeiten infolge der Trägheit der Umlenkvorrichtung und weiterhin zu hohen Belastungen für die Galvanometerantriebe. Die Obergrenze für die Länge des gekrümmten Bahnabschnitts bringt zum Ausdruck, dass Trajektorien bevorzugt einen möglichst geradlinigen Verlauf haben sollten, zum einen um Kurvenbeschleunigungen zu vermeiden, zum anderen weil ein möglichst geradliniger Verlauf der Trajektorien eine einfachere Abtaststrategie für einen zu verfestigten Bereich erlaubt.
Bei einem erfindungsgemäßen additiven Herstellverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wobei das Objekt mittels einer additiven Herstellvorrichtung hergestellt wird durch Aufbringen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht und Verfestigen des Aufbaumaterials in einer Bauebene mittels Zufuhr von Strahlungsenergie zu Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, indem diese Stellen mit mindestens einem Strahlbündel gemäß einem Satz von Energieeintragsparameterwerten entlang einer Mehrzahl von Trajektorien abgetastet werden wird der Ablauf des additiven Herstellverfahrens durch einen Steuerdatensatz gesteuert, der unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bereitstellung von Steuerdaten generiert wurde.
Wenn erfindungsgemäß bereitgestellte Steuerdaten in einem Steuerdatensatz verwendet werden, der für die Steuerung eines additiven Herstellverfahrens generiert wurde, insbesondere die Steuerung eines schichtweisen additiven Herstellverfahrens, wie beispielsweise eines schichtweisen Pulverschmelz- oder Sinterverfahrens, wie z.B. SLS oder DMLS oder SLM, dann kann die Bauteilhomogenität des Objekts verbessert werden.
Insbesondere wird dabei ein selektiv zu verfestigender Bereich entlang einer ersten Verfestigungsbahn und einer dazu im Wesentlichen parallelen zweiten Verfestigungsbahn durch Bestrahlen mit zumindest einem Strahlbündel aufgeschmolzen, so dass nach einem Abkühlvorgang das Material in festem Zustand vorliegt. Bevorzugt haben dabei die Bewegungsvektoren der Strahlbündel in der Bauebene bei der Abtastung entlang der Verfestigungsbahnen einander entgegengesetzte Richtungskomponenten. Beispielsweise können die Bewegungsvektoren um 180° zueinander verdreht angeordnet sein. Weiterhin überlappt ein Endpunkt der ersten Verfestigungsbahn mit einem Anfangspunkt der zweiten Verfestigungsbahn mindestens so weit, dass das am Anfangspunkt der zweiten Verfestigungsbahn durch das Strahlbündel erzeugte Schmelzbad den am Endpunkt der ersten Verfestigungsbahn bei einem Tiefschweißprozess entstehenden Krater überdeckt. In der Regel ist dies der Fall, wenn der Endpunkt der ersten Verfestigungsbahn vom Anfangspunkt der zweiten Verfestigungsbahn einen Abstand hat, der kleiner als die halbe Strahlbreite des Strahlbündels am Endpunkt, bevorzugt kleiner als ein Viertel der Strahlbreite des Strahlbündels am Endpunkt ist. Der Endpunkt der ersten Verfestigungsbahn, der mit dem Endpunkt der ersten Trajektorie zusammenfällt, kann dabei näherungsweise als geometrische Mitte bzw. Flächenschwerpunkt des am Endpunkt durch das Strahlbündel in der Bauebene erzeugten Schmelzbades angesehen werden. In gleicher Weise fällt der Anfangspunkt der zweiten Verfestigungsbahn mit dem Anfangspunkt der zweiten Trajektorie zusammen und kann näherungsweise als geometrische Mitte des am Anfangspunkt durch das Strahlbündel in der Bauebene erzeugten Schmelzbades angesehen werden.
Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen additiven Herstellverfahren das Objekt aus einem metallbasierten Aufbaumaterial hergestellt und zum Verfestigen des Aufbaumaterials diesem so viel Strahlungsenergie zugeführt, dass es in einem Tiefschweißprozess aufgeschmolzen wird,
wobei die Strahlungsleistung des am Endpunkt der ersten Trajektorie anlangenden Strahlbündels so eingestellt wird, dass sich am Endpunkt im Aufbaumaterial infolge des Tiefschweißprozesses eine Vertiefung ausbildet und
wobei die Lage des Anfangspunkts der zweiten Trajektorie so gewählt wird, dass das auf den Anfangspunkt gerichtete Strahlbündel zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, auf die Vertiefung auftrifft.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bereitstellung von Steuerdaten für eine additive Herstellvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wobei das Objekt mittels der additiven Herstellvorrichtung hergestellt wird durch Aufbringen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht und Verfestigen des Aufbaumaterials in einer Bauebene mittels Zufuhr von Strahlungsenergie zu Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, indem diese Stellen mit mindestens einem Strahlbündel gemäß einem Satz von Energieeintragsparameterwerten entlang einer Mehrzahl von Trajektorien abgetastet werden, weist auf:

eine Datenzugriffseinheit, die ausgelegt ist zum Zugriff auf computerbasierte Modelldaten zumindest eines Abschnitts des herzustellenden Objekts,
eine Datenmodell-Erzeugungseinheit, die ausgelegt ist, zumindest ein Datenmodell eines zur Herstellung des zumindest einen Objektabschnitts selektiv zu verfestigenden Bereichs einer Aufbaumaterialschicht zu erzeugen, wobei in dem Datenmodell ein Verfestigen des Aufbaumaterials durch Abtasten von Orten des selektiv zu verfestigenden Bereichs entlang einer ersten Trajektorie und einer dazu benachbarten zweiten Trajektorie mit zumindest einem Strahlbündel spezifiziert ist, wobei die Bewegungsvektoren der Strahlbündel in der Bauebene bei der Abtastung der beiden Trajektorien einander entgegengesetzte Richtungskomponenten aufweisen,
wobei spezifiziert ist, dass ein Anfangspunkt der zweiten Trajektorie einen Abstand zu einem Endpunkt der zuvor abgetasteten ersten Trajektorie aufweist, der geringer ist als die halbe Strahlbreite des Strahlbündels an dem Endpunkt der ersten Trajektorie und
eine Steuerdaten-Bereitstellungseinheit, die ausgelegt ist, Steuerdaten entsprechend dem durch die Datenmodell-Erzeugungseinheit erzeugten zumindest einen Datenmodell für die Generierung eines Steuerdatensatzes für die additive Herstellvorrichtung bereit zu stellen.

Die Bereitstellung des im zweiten Schritt erzeugten Datenmodells für die Generierung eines Steuerdatensatzes kann durch die Steuerdaten-Bereitstellungseinheit selbst geschehen, indem diese das erzeugte Datenmodell in einen Steuerdatensatz für die additive Herstellvorrichtung integriert. Bereitstellen umfasst aber auch ein Weiterleiten des Datenmodells an eine Datenverarbeitungsvorrichtung, welche das Datenmodell in einen Steuerdatensatz integriert, oder ein direktes Weiterleiten an eine additive Herstellvorrichtung. Insbesondere ist es möglich, während eines Herstellvorgangs in der additiven Herstellvorrichtung dieser dynamisch Datenmodelle für noch herzustellende Objektquerschnitte zur Verfügung zu stellen. Insbesondere müssen im zweiten Schritt erzeugte Datenmodelle nicht einzeln für einen additiven Herstellvorgang bereitgestellt werden. Vielmehr können auch mehrere erzeugte Datenmodelle zunächst gesammelt und anschließend in ihrer Gesamtheit zur Integration in einen Steuerdatensatz bereitgestellt werden. Die Bereitstellung kann auch ein Erzeugen des Datenmodells umfassen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur computergestützten Ansteuerung einer Anzahl von Energieeintragseinrichtungen einer additiven Herstellvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels derselben,
wobei das Objekt mittels der additiven Herstellvorrichtung hergestellt wird durch Aufbringen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht und Verfestigen des Aufbaumaterials in einer Bauebene mittels Zufuhr von Strahlungsenergie zu Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, indem diese Stellen mit mindestens einem Strahlbündel gemäß einem Satz von Energieeintragsparametern entlang einer Mehrzahl von Trajektorien abgetastet werden, ist so ausgelegt, dass ein Verfestigen des Aufbaumaterials durch Abtasten von Orten des selektiv zu verfestigenden Bereichs entlang einer ersten Trajektorie und einer dazu benachbarten zweiten Trajektorie mit zumindest einem Strahlbündel spezifiziert ist, wobei die Bewegungsvektoren der Strahlbündel in der Bauebene bei der Abtastung der beiden Trajektorien einander entgegengesetzte Richtungskomponenten aufweisen,
wobei spezifiziert ist, dass ein Anfangspunkt der zweiten Trajektorie einen Abstand zu einem Endpunkt der zuvor abgetasteten ersten Trajektorie aufweist, der geringer ist als eine halbe Strahlbreite des Strahlbündels an dem Endpunkt der ersten Trajektorie.
Die Vorrichtung zur computergestützten Ansteuerung einer Anzahl von Energieeintragseinrichtungen kann alleine mittels Software-Komponenten, mittels einer Mischung aus Hardware- und Softwarekomponenten oder sogar alleine mittels Hardwarekomponenten realisiert werden. Eine alleine mittels Softwarekomponenten realisierte Vorrichtung kann zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts insbesondere mit einer Steuereinrichtung in einer additiven Herstellvorrichtung interagieren oder in solch eine Steuereinrichtung integriert sein. Mittels der Vorrichtung zur computergestützten Ansteuerung einer Anzahl von Energieeintragseinrichtungen kann die Bauteilhomogenität von durch ein additives Herstellverfahren hergestellten Objekten verbessert werden. Insbesondere kann die Vorrichtung eine Herstellung von Objekten durch ein additives Herstellverfahren unter Zugrundelegung eines Steuerdatensatzes implementieren, der mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bereitstellung von Steuerdaten generiert wurde.
Eine erfindungsgemäße additive Herstellvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wobei in der additiven Herstellvorrichtung das Objekt hergestellt wird durch Aufbringen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht und Verfestigen des Aufbaumaterials mittels Zufuhr von Strahlungsenergie zu Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, indem diese Stellen mit mindestens einem Strahlbündel gemäß einem Satz von Energieeintragsparametern entlang einer Mehrzahl von Trajektorien abgetastet werden, weist auf:

eine Schichtaufbringvorrichtung, die geeignet ist, eine Schicht eines Aufbaumaterials auf eine bereits vorhandene, bevorzugt bereits selektiv verfestigte, Aufbaumaterialschicht aufzubringen,
eine Energieeintragseinrichtung , die geeignet ist, dem Querschnitt des Objekts in einer Schicht zugeordneten Stellen Strahlungsenergie zuzuführen, indem diese Stellen mit mindestens einem Strahlbündel gemäß einem Satz von Energieeintragsparameterwerten entlang einer Mehrzahl von Trajektorien abgetastet werden,
wobei die erfindungsgemäße additive Herstellvorrichtung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur computergestützten Ansteuerung einer Anzahl von Energieeintragseinrichtungen einer additiven Herstellvorrichtung aufweist und/oder mit solch einer Vorrichtung signaltechnisch verbunden ist.

Eine Energieeintragseinrichtung kann hierbei eine Anzahl von Strahlungsquellen zur Erzeugung von Strahlung, z.B. elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung, sowie eine damit verbundene Anzahl von Strahlablenk- oder -umlenkeinrichtungen zum Richten der Strahlung auf das Aufbaumaterial umfassen. Insbesondere ist bevorzugt einer Strahlablenkeinrichtung genau ein Strahlbündel zugeordnet. Bei den Strahlungsquellen kann es sich beispielsweise um einen oder mehrere Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Lasern wie z.B. Laserdioden, insbesondere VCSELn (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSELn (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) oder eine Zeile dieser Laser handeln.
Insbesondere kann bei Erzeugung der Steuerdaten in der additiven Herstellvorrichtung diese während eines Herstellvorgangs mittels der Datenmodell-Erzeugungseinheit dynamisch Datenmodelle für noch herzustellende Objekt(teil)querschnitte erzeugen.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm weist Programmcodemittel auf, um alle Schritte eines erfindungsgemäßen computergestützten Verfahrens zur Bereitstellung von Steuerdaten für eine additive Herstellvorrichtung und/oder eines erfindungsgemäßen additiven Herstellverfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm mittels eines Datenprozessors, insbesondere eines mit einer additiven Herstellvorrichtung zusammenwirkenden Datenprozessors, ausgeführt wird.
„Zusammenwirken“ heißt hierbei, dass der Datenprozessor entweder in die additive Herstellvorrichtung integriert ist oder mit ihr Daten austauschen kann. Die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bereitstellung von Steuerdaten sowie der zugehörigen Vorrichtung mittels Software ermöglicht eine einfache Installierbarkeit auf verschiedenen EDV-Systemen an verschiedenen Orten (beispielsweise beim Ersteller des Designs des Objekts oder aber beim Betreiber der additiven Herstellvorrichtung).
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Figuren.

1 zeigt eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2 zeigt schematisch ein Beispiel für das erfindungsgemäße Vorgehen bei einer Verfestigung eines streifenförmigen Teilbereichs („Hatchen“) eines Objektquerschnitts,
3 und 4 zeigen schematisch weitere Beispiele für mögliche Verläufe der Trajektorien am Anfangs-/Endpunkt gemäß der Erfindung,
5 zeigt schematisch das Richten des Strahlbündels auf einen Anfangspunkt einer Verfestigungsbahn, der mit einem Endpunkt der vorangehenden Verfestigungsbahn zusammenfällt, wobei am Endpunkt eine Vertiefung zurückgeblieben ist infolge einer abrupten Verringerung der durch das nicht senkrecht auf die Bauebene auftreffende Strahlbündel zugeführten Strahlungsleistung,
6 zeigt schematisch ein bevorzugtes Vorgehen an der Grenze zwischen zwei Teilbereichen,
7 veranschaulicht den Ablauf eines Verfahrens zur Bereitstellung von Steuerdaten,
8 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Bereitstellung von Steuerdaten,
9 erläutert schematisch ein Beispiel für das Vorgehen bei einem erfindungsgemäßen Herstellvorgang,
10 zeigt ein der Anmelderin bekanntes Vorgehen zum Abtasten eines Objektquerschnitts mit Energiestrahlung,
11 dient der weiteren Erläuterung des in 10 gezeigten Vorgehens.

Für eine Beschreibung der Erfindung soll zunächst nachfolgend am Beispiel einer Lasersinter- oder -schmelzvorrichtung eine erfindungsgemäße additive Herstellvorrichtung 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 Baubehälter 5 mit einer Behälterwandung 6 angeordnet. Durch die obere Öffnung des Baubehälters 5 ist eine Arbeitsebene 7 (auch Bauebene genannt) definiert, wobei der innerhalb der Öffnung liegende Bereich der Arbeitsebene 7, der zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden kann, als Baufeld 8 bezeichnet wird.
In dem Baubehälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 10 angeordnet, an dem eine Grundplatte 11 angebracht ist, die den Behälter 5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte 11 kann eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein, die an dem Träger 10 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 10 ausgebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grundplatte 11 noch eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Das Objekt 2 kann aber auch auf der Grundplatte 11 selber aufgebaut werden, die dann als Bauunterlage dient. In 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bauplattform 12 zu bildende Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13.
Die Lasersinter- oder -schmelzvorrichtung 1 enthält weiterhin einen Vorratsbehälter 14 für ein Aufbaumaterial 15, in diesem Beispiel ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares Pulver, und einen in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter 16 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 15 innerhalb des Baufelds 8. Optional kann in der Prozesskammer 3 eine Heizvorrichtung, z.B. eine Strahlungsheizung 17 angeordnet sein, die zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials dient. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler vorgesehen sein.
Die beispielhafte additive Herstellvorrichtung 1 enthält ferner eine Energieeintragseinrichtung 20 mit einem Laser 21, der einen Laserstrahl 22 erzeugt, welcher über eine Umlenkvorrichtung 23, beispielsweise einer oder mehrere Galvanometerspiegel samt zugehörigem Antrieb, umgelenkt wird und durch eine Fokussiervorrichtung 24 über ein Einkoppelfenster 25, das an der Oberseite der Prozesskammer 3 in der Kammerwandung 4 angebracht ist, auf die Arbeitsebene 7 fokussiert wird.
Beim Lasersintern oder Laserschmelzen kann eine Energieeintragseinrichtung beispielsweise einen oder mehrere Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z.B. Laserdioden, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser), oder eine Zeile dieser Laser aufweisen. Der in 1 gezeigte spezifische Aufbau einer Lasersinter- oder -schmelzvorrichtung ist daher für die vorliegende Erfindung nur beispielhaft und kann natürlich auch abgewandelt werden, insbesondere bei Verwendung einer anderen Energieeintragseinrichtung als der gezeigten. Um kenntlich zu machen, dass die Fläche des Strahlungsauftreffbereichs auf dem Aufbaumaterial nicht notwendigerweise sehr klein („punktförmig“) sein muss, wird in dieser Anmeldung auch oftmals der Begriff „Strahlbündel“ synonym zu „Strahl“ verwendet.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält weiterhin eine Steuereinrichtung 29, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung 1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Alternativ kann die Steuereinrichtung auch teilweise oder ganz außerhalb der additiven Herstellvorrichtung angebracht sein. Die Steuereinrichtung kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann getrennt von der additiven Herstellvorrichtung in einer Speichervorrichtung gespeichert sein, von wo aus es (z.B. über ein Netzwerk) in die additive Herstellvorrichtung, insbesondere in die Steuereinrichtung, geladen werden kann.
Im Betrieb wird durch die Steuereinrichtung 29 der Träger 10 Schicht für Schicht abgesenkt, der Beschichter 16 zum Auftrag einer neuen Pulverschicht angesteuert und die Umlenkvorrichtung 23 und gegebenenfalls auch der Laser 21 und/oder die Fokussiervorrichtung 24 angesteuert zum Verfestigen der jeweiligen Schicht an den dem jeweiligen Objekt entsprechenden Stellen mittels des Lasers durch Abtasten dieser Stellen mit dem Laser.
Alle im weiteren Verlauf gemachten Ausführungen gelten nicht nur für Lasersinter- oder -schmelzvorrichtungen, sondern auch für anders geartete additive Herstellvorrichtungen, bei denen Wärmeenergie mittels Strahlung in das Aufbaumaterial eingetragen wird.
In der soeben beispielhaft beschriebenen additiven Herstellvorrichtung geht ein Herstellvorgang so vonstatten, dass die Steuereinheit 29 einen Steuerdatensatz abarbeitet.
Durch den Steuerdatensatz wird einer Energieeintragseinrichtung, im Falle der obigen Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung speziell der Umlenkvorrichtung 23, für jeden Zeitpunkt während des Verfestigungsvorgangs vorgegeben, auf welche Stelle der Arbeitsebene 7 Strahlung richten ist. Wie in 8 gezeigt, enthält eine Vorrichtung 100 zur Bereitstellung von Steuerdaten für eine additive Herstellvorrichtung eine Datenzugriffseinheit 101, eine Datenmodell-Erzeugungseinheit 102, und eine Steuerdaten-Bereitstellungseinheit 103. Die Funktionsweise der Vorrichtung 100 zur Bereitstellung von Steuerdaten wird unter Bezugnahme auf 7 beispielhaft beschrieben.
In der in 8 gezeigten Vorrichtung 100 zur Bereitstellung von Steuerdaten für eine additive Herstellvorrichtung greift zunächst die Datenzugriffseinheit 101 auf eine Anzahl, also einen oder mehrere, von Schichtdatensätzen zu, von denen jeder ein Datenmodell eines während der Herstellung selektiv zu verfestigenden Bereichs einer Aufbaumaterialschicht, bevorzugt des gesamten zu verfestigenden Bereichs einer Aufbaumaterialschicht aufweist, der einem Querschnitt eines Objektabschnitts entspricht. In dem in 7 gezeigten Verfahrensablauf ist dies der erste Schritt S1.
In dem in 7 gezeigten zweiten Schritt S2 spezifiziert nun die Datenmodell-Erzeugungseinheit 102 in zumindest einem Datenmodell des zumindest einen Objektabschnitts eine Verfestigung von Stellen einer Aufbaumaterialschicht in einer zeitlichen Reihenfolge, die der Bewegung eines Strahlbündels entlang einer Trajektorie über das Aufbaumaterial entspricht. Insbesondere wird dabei die Bewegung entlang von in 10 und 11 gezeigten Trajektorien 54 in einem Innenbereich 52 eines Objektquerschnitts 50 festgelegt, insbesondere in einem Teilbereich 53 des Innenbereichs 52, also z.B. einem Streifen.
Nachdem im zweiten Schritt S2 in 7 zumindest ein Datenmodell erzeugt wurde, werden anschließend durch die in 8 gezeigte Steuerdaten-Bereitstellungseinheit 103 Steuerdaten für die Generierung eines Steuerdatensatzes bereitgestellt (in 7 ist dies der Schritt S3). Dabei kann entweder das im zweiten Schritt S2 erzeugte, zumindest eine Datenmodell als Steuerinformation (Steuerdaten) bereitgestellt werden oder aber das Datenmodell wird für eine bessere Integrierbarkeit in einen Steuerdatensatz umformatiert. Das beschriebene Vorgehen kann für alle Trajektorien innerhalb eines streifenförmigen oder quadratischen Teilbereichs angewendet werden.
In einem additiven Herstellungsverfahren, das durch einen Steuerdatensatz gesteuert wird, der auf der Grundlage der im Schritt S3 bereitgestellten Steuerdaten generiert wurde, wird dann z.B. zur Verfestigung eines Innenbereichs 52 das Aufbaumaterial mit einem Strahlbündel entlang von Trajektorien (im Folgenden auch als Hatchlinien bezeichnet) abgetastet, die im Wesentlichen parallel zueinander liegen. Hierzu steuert dann die Steuervorrichtung 29 die Umlenkvorrichtung 23 entsprechend an. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Teilbereich 53 eines Innenbereichs 52, anhand dessen die Unterschiede zum in 11 gezeigten Vorgehen des Standes der Technik verdeutlicht werden sollen. In 2 sind wiederum die Richtungen, in denen ein Strahlbündel entlang der Hatchlinien bewegt wird, durch Pfeile angedeutet. Benachbarte Hatchlinien werden dabei in entgegengesetzter Richtung durchlaufen, so dass man in der Figur von links nach rechts durchlaufene Hatchlinien 74a, 74b und von rechts nach links durchlaufene Hatchlinien 75 unterscheiden kann. In der Figur wird dabei die Hatchlinie 75 nach der Hatchlinie 74a abgetastet und die Hatchlinie 74b nach der Hatchlinie 75 abgetastet.
Wie man in 2 erkennt, stimmt der Anfangspunkt 75A der zweiten Hatchlinie 75, also der zeitlich als Erstes abgetastete Ort dieser Hatchlinie, im Wesentlichen mit dem Endpunkt 74aE der ersten Hatchlinie 74a, also dem zeitlich als Letztes abgetasteten Ort dieser Hatchlinie, überein. Ebenso stimmt der Anfangspunkt 74bA der dritten Hatchlinie 74b im Wesentlichen mit dem Endpunkt 75E der zweiten Hatchlinie 75 überein. Beim Übergang vom Endpunkt einer Hatchlinie zum Anfangspunkt der nachfolgenden Hatchlinie wird in diesem Beispiel die Umlenkvorrichtung 23 so angesteuert, dass das Strahlbündel auf einer kontinuierlichen Umkehrbahn 76 bewegt wird. In diesem Abschnitt 76 ist entweder die durch das Strahlbündel dem Aufbaumaterial zugeführte Strahlungsleistung so stark abgeschwächt, dass es nicht zu einer Überschreitung einer Siedetemperatur, insbesondere nicht zu einer Überschreitung einer Schmelztemperatur bzw. Solidus- oder Liquidustemperatur des Aufbaumaterials kommt, mit anderen Worten keine Verfestigung des Aufbaumaterials bewirkt wird, oder die Strahlungsleistung pro Flächeneinheit (Bestrahlungsstärke) ist auf einen Wert nahe Null abgesenkt, z. B. durch Blockieren bzw. Unterbrechen der Strahlung oder Abschalten der Strahlungsquelle.
Eine Ansteuerung der Umlenkvorrichtung 23 derart, dass auch bei abgeschaltetem Laser das nicht vorhandene Strahlbündel entlang der kontinuierlichen Umkehrbahn 76 bewegt wird, ermöglicht, dass ein Abbremsvorgang der Galvanometerspiegel der Umlenkvorrichtung 23 zumindest teilweise nach einem Ausschalten der Energieeintragseinrichtung bzw. ein Beschleunigungsvorgang der Galvanometerspiegel der Umlenkvorrichtung 23 zumindest teilweise vor einem Einschalten der Energieeintragseinrichtung durchgeführt werden kann, wobei Abbremsen bzw. Beschleunigen unter Umständen auch vollständig in der Umkehr-Zone beim alternierenden Hatchen durchgeführt werden können.
Die kontinuierliche Umkehrbahn 76 wird dabei so gewählt, dass ein optimaler Umkehrprozess gewährleistet ist. Hierbei kann als Optimierungskriterium eine minimale oder maximale Umkehrzeit, also Zeit innerhalb derer die Bahn 76 durchlaufen wird, gewählt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Bahn 76 so gewählt werden, dass die Umlenkvorrichtung 23 möglichst energieeffizient betrieben wird bzw. ein Galvanometerantrieb möglichst wenig belastet wird.
Anhand von 9 wird nachfolgend erläutert, wie sich der in dem den Steuerdaten zugrunde gelegten Datenmodell spezifizierte Verlauf der Trajektorien auf den Herstellvorgang in der additiven Herstellvorrichtung auswirkt. Hierzu zeigt 9 schematisch eine Draufsicht auf die Bauebene im Bereich der ersten Hatchlinie (Trajektorie) 74a und der zweiten Hatchlinie (Trajektorie) 75 der 2. 9 veranschaulicht weiterhin die Ränder 740 und 750 der den beiden Trajektorien 74a bzw. 75 zugeordneten Bereiche (Verfestigungsbahnen), in denen durch die Bewegung des Laserstrahlbündels entlang der Trajektorie das Aufbaumaterial aufgeschmolzen wird und die aus diesem Grunde auch als Schmelzspuren bezeichnet werden. Weiterhin ist in 9 auf beiden Trajektorien ein beispielhaft kreisförmiges Strahlbündel 745, 755 dargestellt, um die Größenrelation zwischen der Breite B dieses Strahlbündels einerseits, also der Ausdehnung senkrecht zur jeweiligen Trajektorie, und der Breite B' der Schmelzspur andererseits zu veranschaulichen. Der durch jedes der beiden Strahlbündel aufgeschmolzene Bereich 746, 756 ist näherungsweise ebenfalls kreisförmig dargestellt. Insbesondere ist erkennbar, dass die Bereiche 740 und 750, die den ausgehärteten Verfestigungsbahnen entsprechen, miteinander überlappen, wie es oftmals der Fall ist, um Spalte aus nicht zufriedenstellend verfestigtem Aufbaumaterial zwischen den Verfestigungsbahnen zu vermeiden. Die Breite des Überlappungsbereichs wird z.B. zwischen 5% und 10% der Breite einer der Verfestigungsbahnen 740 bzw. 750 gewählt.
Weiterhin erkennt man in 9 einen am Ende 74aE der Trajektorie 74 durch das Abschalten bzw. Verringern der Strahlleistung zurückgebliebenen Krater 80, der bereits weiter oben erwähnt wurde. Es sei betont, dass dieser Krater 80 nur sehr schematisch gezeigt ist. Er wird nicht unbedingt die in der Figur gezeigte kreisrunde Form aufweisen und wird tendenziell einen geringeren Durchmesser als die Verfestigungsbahn 740 aufweisen. Auch wird normalerweise der Endpunkt 74aE nicht exakt im Zentrum des Kraters 80 liegen.
9 zeigt mittels eines gestrichelten Verlaufs eine durch die Strahlumlenkvorrichtung 23 bewirkte (fiktive) Bewegung des Strahlbündels entlang der Umkehrtrajektorie 76. Die Bewegung wird als fiktiv bezeichnet, da bei abgeschaltetem Strahlbündel nach dem Abtasten des Endpunkts 74aE eigentlich nicht von der Bewegung eines Strahlbündels gesprochen werden kann. Wenn das Strahlbündel nach dem Abtasten des Endpunkts 74aE nicht abgeschaltet wird, sondern lediglich die Strahlungsleistung verringert wird, dann veranschaulicht die gestrichelte Bahn 76 die Bewegung des Strahlbündels in der Bauebene bis zum Erreichen des Startpunkts 75A der Trajektorie 75. Wie man in 9 erkennt, findet aber vor Erreichen des Startpunkts 75A keine Aufschmelzung bzw. Verfestigung von Aufbaumaterial statt.
Wie man in 9 weiterhin erkennt, liegt der Startpunkt 75A in diesem Beispiel nicht exakt im Zentrum des Kraters 80 oder an der Stelle des Endpunkts 74aE, auch wenn dies wünschenswert wäre. Die Figur soll die Verhältnisse in der Realität veranschaulichen, wo es durchaus einen Abstand zwischen dem Endpunkt 74aE und dem Startpunkt 75A geben kann. Solch ein Abstand kann solange toleriert werden, solange er nicht größer ist als die halbe Strahlbreite B des Strahlbündels, mit dem die erste Trajektorie 74a am Endpunkt 74aE abgetastet wird, bevorzugt nicht größer als ein Viertel der Strahlbreite B, noch weiter bevorzugt geringer als 10% der Strahlbreite B des Strahlbündels ist. Wichtig ist dabei, dass das beim Abtasten der zweiten Trajektorie 75 entstehende Schmelzbad den Krater 80 möglichst weit bzw. vollständig ausfüllt. Wie bereits weiter oben erwähnt, kann dann gewährleistet sein, dass in beschleunigter Art und Weise ein Tiefschweißprozess beim Abtasten der zweiten Trajektorie 75 erreicht wird.
Man erkennt, dass durch das beschriebene Vorgehen zwei benachbarte Hatchlinien, die an sich im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, sich an ihren Enden einander annähern, mit anderen Worten findet nahe den Anfangs- und Endpunkten eine Abweichung von dem parallelen Verlauf der beiden Linien statt. Obwohl in 2 und 9 der Fall gezeigt ist, in dem der Anfangs-/Endpunkt symmetrisch zu den beiden Trajektorien bzw. Verfestigungsbahnen liegt, muss dies nicht so sein. 3 zeigt einen geradlinigen Verlauf der Hatchlinie 84 bis zu ihrem Endpunkt 84E, während, nach dem Durchlaufen der Umkehrbahn 86, die Hatchlinie 85 nahe ihrem Anfangspunkt 85A zunächst einen krummlinigen Verlauf zeigt, bevor sie im weiteren Verlauf parallel zur Hatchlinie 84 verläuft. Ebenso wäre der spiegelbildliche Fall möglich, in dem die Hatchlinie 84 nahe ihrem Endpunkt 84E einen krummlinigen Verlauf zeigt, während die Hatchlinie 85 beginnend mit ihrem Anfangspunkt 85A einen geradlinigen Verlauf zeigt, wie in 4 gezeigt. Im Grunde sind viele Möglichkeiten für die Lage der sich überschneidenden Anfangs-/Endpunkte möglich. Wo genau der Anfangs-/Endpunkt hingelegt wird, kann auch davon abhängig gemacht werden, welche Gestalt der kontinuierlichen Umkehrbahn 76, 86 zu einer möglichst geringen Übergangszeit von der ersten Hatchlinie zur zweiten Hatchlinie führt oder davon, welche Gestalt der kontinuierlichen Umkehrbahn 76, 86 zu einer möglichst geringen thermischen und/oder mechanischen Belastung der Umlenkvorrichtung führt.
Bevorzugt bewegt sich das Strahlbündel am Anfangspunkt der zweiten Hatchlinie in der Draufsicht auf die Bauebene im Wesentlichen in der gleichen Richtung, noch bevorzugter in exakt der gleichen Richtung, wie das Strahlbündel am Endpunkt der ersten Hatchlinie. In diesem Fall werden die besten Ergebnisse erzielt, da das Strahlenbündel dann besonders gut in den am Ende der ersten Hatchlinie vorhandenen Krater eindringen kann, insbesondere wenn der Winkel zwischen der Strahleinfallsrichtung am Anfangspunkt und jener am Endpunkt sehr klein ist, also kleiner als 10°, bevorzugt kleiner als 5°, besonders bevorzugt kleiner als 1°. Gute Ergebnisse lassen sich aber auch erzielen, wenn die Richtung beim Abtasten des Anfangspunkts von der Richtung beim Abtasten des Endpunkts um einen Winkel abweicht, der geringer als 100° ist, bevorzugter geringer als 90° ist und noch bevorzugter geringer als 20° ist.
Eine möglichst geringe Abweichung der Bewegungsrichtung des Strahlbündels beim Abtasten des Anfangspunkts gegenüber der Bewegungsrichtung des Strahlbündels beim Abtasten des Endpunkts ist insbesondere auch dann wichtig, wenn das Strahlbündel nicht senkrecht auf die Bauebene auftrifft. In solch einem Fall wird ein Krater am Endpunkt der ersten Verfestigungsbahn nicht senkrecht zur Bauebene verlaufen, wie dies anhand von 5 veranschaulicht ist. Für eine möglichst rasche Erreichung eines stabilen Zustands (insbesondere Tiefschweißregimes) nahe dem Anfangspunkt der zweiten Trajektorie sollte der Neigungswinkel α beim Abtasten des Anfangspunkts gleich oder zumindest ähnlich dem Neigungswinkel gegen die Bauebene beim Abtasten des Endpunkts sein.
Die Endpunkte der Hatchlinien definieren den Rand eines Teilbereichs 53. Wenn der Anfangs- und Endpunkt zweier benachbarter Hatchlinien einander überlappen, dann kann sich dadurch der Abstand zu anderen benachbarten Hatchlinien am Rand des Teilbereichs 53 vergrößern. Optional kann man diesem Umstand dadurch begegnen, dass der Verlauf der Trajektorien (Hatchlinien) in zwei benachbarten Teilbereichen 53 aufeinander abgestimmt wird, wie es in 6 gezeigt ist.
6 zeigt zwei aneinandergrenzende Teilbereiche 53a, 53b. Die Grenze 100 ist durch eine gestrichelte Linie veranschaulicht. Im oberen Teilbereich 53a tragen Hatchlinienpaare bzw. Trajektorienpaare, die an ihrem dem Teilbereich 53b zugewandten Ende mit ihrem Anfangs-/Endpunkt 97a überlappen, das Bezugszeichen 90 (in der Figur sind aus Gründen der besseren Darstellbarkeit nur zwei Hatchlinienpaare exemplarisch mit dem Bezugszeichen 90 versehen). Im unteren Teilbereich 53b tragen Hatchlinienpaare, die an ihrem dem Teilbereich 53a zugewandten Ende mit ihrem Anfangs-/Endpunkt 97b überlappen, das Bezugszeichen 91 (in der Figur sind aus Gründen der besseren Darstellbarkeit nur zwei Hatchlinienpaare exemplarisch mit dem Bezugszeichen 91 versehen). Man erkennt in 6, dass nahe der Grenzlinie 100 der horizontale Abstand zwischen jeweils benachbarten Hatchlinienpaaren 90 bzw. 91 maximal ist. Um zu gewährleisten, dass auch dort hinreichend Energie zur Verfestigung des Aufbaumaterials eingetragen wird, sind die Hatchlinienpaare 91 im Teilbereich 53b so positioniert, dass an der Grenze 100 zwischen den beiden Teilbereichen die Anfangs-/Endpunkte 97b der Hatchlinienpaare 91 genau zwischen den Anfangs-/Endpunkten 97a der Hatchlinienpaare 90 liegen. Dadurch wird jenen Stellen, an denen der Abstand zwischen benachbarten Hatchlinienpaaren 90 bzw. 91 maximal ist, bei der Verfestigung des unmittelbar angrenzenden Teilbereichs Wärmeenergie zugeführt, so dass dadurch für eine gleichförmigere Verfestigung des Aufbaumaterials an den Grenzen zwischen Teilbereichen gesorgt ist.
Weiterhin kann optional auch eine Überlappung der Teilbereiche 53a, 53b vorgesehen werden. In 6 würde also der Teilbereich 53a bzw. die Hatchlinienpaare 90 in ihm in Richtung des Teilbereichs 53b verschoben und/oder der Teilbereich 53b bzw. die Hatchlinienpaare 91 in ihm in Richtung des Teilbereichs 53a verschoben. Auf diese Weise kann für eine gleichförmigere Verfestigung gesorgt werden. Das Ausmaß der Verschiebung eines Teilbereichs in Richtung des andern kann so groß gewählt werden, dass es der halben Strahlbreite eines in diesem Teilbereich zum Einsatz kommenden Strahlbündels entspricht, bevorzugt aber darunter liegt, z.B. einem Viertel der Strahlbreite entspricht.
Abschließend sei noch erwähnt, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zur Bereitstellung von Steuerdaten für eine additive Herstellvorrichtung nicht nur allein durch Softwarekomponenten, sondern auch allein durch Hardware-Komponenten oder Mischungen aus Hard- und Software realisiert sein kann. In der vorliegenden Anmeldung erwähnte Schnittstellen müssen insbesondere nicht zwangsläufig als Hardware-Komponenten ausgebildet sein, sondern können auch als Softwaremodule realisiert sein, beispielsweise, wenn die eingespeisten bzw. ausgegebenen Daten von bereits auf dem gleichen Gerät realisierten anderen Komponenten übernommen werden können, oder an eine andere Komponente nur softwaremäßig übergeben werden müssen. Ebenso könnten die Schnittstellen aus Hardware- und Software-Komponenten bestehen, wie zum Beispiel einer Standard-Hardware-Schnittstelle, die durch Software für den konkreten Einsatzzweck speziell konfiguriert wird. Außerdem können mehrere Schnittstellen auch in einer gemeinsamen Schnittstelle, beispielsweise einer Input-Output-Schnittstelle, zusammengefasst sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018205689 A1 [0017]

Claims

Computergestütztes Verfahren zur Bereitstellung von Steuerdaten für eine additive Herstellvorrichtung (1) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (2), wobei das Objekt mittels der additiven Herstellvorrichtung hergestellt wird durch Aufbringen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht und Verfestigen des Aufbaumaterials in einer Bauebene (7) mittels Zufuhr von Strahlungsenergie zu Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, indem diese Stellen mit mindestens einem Strahlbündel (22) gemäß einem Satz von Energieeintragsparameterwerten entlang einer Mehrzahl von Trajektorien abgetastet werden, wobei das Verfahren zur Bereitstellung von Steuerdaten aufweist: einen ersten Schritt (S1) des Zugriffs auf computerbasierte Modelldaten zumindest eines Abschnitts des herzustellenden Objekts, einen zweiten Schritt (S2) des Erzeugens zumindest eines Datenmodells eines zur Herstellung des zumindest einen Objektabschnitts selektiv zu verfestigenden Bereichs einer Aufbaumaterialschicht, wobei in dem Datenmodell ein Abtasten von Orten des selektiv zu verfestigenden Bereichs entlang einer ersten Trajektorie (74a, 84) und einer dazu im Wesentlichen parallelen zweiten Trajektorie (75, 85) mit zumindest einem Strahlbündel spezifiziert ist, wobei die Bewegungsvektoren der Strahlbündel in der Bauebene bei der Abtastung entlang der beiden Trajektorien einander entgegengesetzte Richtungskomponenten aufweisen, wobei spezifiziert ist, dass ein Anfangspunkt (75A, 85A) der zweiten Trajektorie (75, 85) einen Abstand zu einem Endpunkt (74aE, 84E) der zuvor abgetasteten ersten Trajektorie (74a, 84) aufweist, der geringer ist als eine halbe Strahlbreite (B) des Strahlbündels an dem Endpunkt (74aE, 84E) der ersten Trajektorie (74a, 84) und einen dritten Schritt (S3), in dem Steuerdaten entsprechend dem im zweiten Schritt (S2) erzeugten zumindest einen Datenmodell für die Generierung eines Steuerdatensatzes für die additive Herstellvorrichtung bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Steuerdaten zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts aus metallbasiertem Aufbaumaterial bereitgestellt werden und bei dem die auf den Anfangspunkt (75A, 85A) auftreffende Strahlungsleistung, bevorzugt die für die zweite Trajektorie (75, 85) spezifizierte Strahlungsleistung während der Abtastung der gesamten zweiten Trajektorie (75, 85), und/oder die auf den Endpunkt (74aE, 84E) auftreffende Strahlungsleistung, bevorzugt die für die erste Trajektorie (74a, 84) spezifizierte Strahlungsleistung während der gesamten Abtastung entlang der ersten Trajektorie (74a, 84), so festgelegt werden, dass bei der Einwirkung der Strahlung auf das Aufbaumaterial ein Tiefschweißprozess stattfindet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem für die Bewegung des Strahlbündels entlang der ersten Trajektorie (74a, 84) eine erste Bewegungsgeschwindigkeit v1 festgelegt wird, wobei das Strahlbündel mit mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90%, noch bevorzugter mit 100% des Wertes der ersten Bewegungsgeschwindigkeit v1 über den Endpunkt (74aE, 84E) bewegt wird, und/oder für die Bewegung des Strahlbündels entlang der zweiten Trajektorie (75, 85) eine zweite Bewegungsgeschwindigkeit v2 festgelegt wird, wobei das Strahlbündel mit mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90%, noch bevorzugter mit 100% und/oder höchstens 120%, bevorzugt höchstens 110% des Wertes der zweiten Bewegungsgeschwindigkeit v2 über den Anfangspunkt (75A, 85A) bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Strahleinfallsrichtung des Strahlbündels am Anfangspunkt (75A, 85A) der zweiten Trajektorie (75, 85) so gewählt wird, dass sie mit der Strahleinfallsrichtung des Strahlbündels am Endpunkt (74aE, 84E) der ersten Trajektorie (74a, 84) einen Winkel einschließt, der kleiner als 15°, bevorzugt kleiner als 10°, noch weiter bevorzugt kleiner als 5°, besonders bevorzugt kleiner als 1° ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem spezifiziert ist, dass auf den Anfangspunkt (75A, 85A) der zweiten Trajektorie (75, 85) ein anderes Strahlbündel gerichtet wird als jenes, das auf den Endpunkt (74aE, 84E) der ersten Trajektorie (74a, 84) gerichtet wurde.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem im zweiten Schritt (S2) ein Verfestigen des Aufbaumaterials Teilbereich für Teilbereich spezifiziert wird, wobei jeder Teilbereich eine Mehrzahl der ersten und zweiten Trajektorien (90, 91) aufweist, wobei mindestens ein erster und zweiter Teilbereich (53a, 53b) an einer Grenze (100) so aneinandergrenzen, dass Anfangs- und Endpunkte (97a) der ersten und zweiten Trajektorien (90) des ersten Teilbereichs (53a) an Anfangs- und Endpunkte (97b) der ersten und zweiten Trajektorien (91) des zweiten Teilbereichs (53b) angrenzen, wobei Anfangspunkte der zweiten Trajektorien des einen Teilbereichs (53a) an der Grenze (100) einem Zwischenraum zwischen Anfangspunkten der zweiten Trajektorien in dem anderen Teilbereich (53b) gegenüber liegen und/oder einem Zwischenraum zwischen den zweiten Trajektorien des anderen Teilbereichs gegenüber liegen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zwischen dem Endpunkt (74aE, 84E) und dem Anfangspunkt (75A, 85A) eine Bewegung des bevorzugt fiktiven Strahlbündels auf einer kontinuierlichen Umkehrbahn (76) spezifiziert wird, die sich vorzugsweise in zumindest einem Punkt schneidet.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Richtung in der Bauebene, in der das Strahlbündel vom Endpunkt (74aE, 84E) der ersten Trajektorie (74a, 84) weg bewegt wird und die Richtung in der Bauebene, in der das Strahlbündel zum Anfangspunkt (75A, 85A) der zweiten Trajektorie (75, 85) hin bewegt wird, einen Winkel einschließen, der größer oder gleich 20° und/oder kleiner oder gleich 100° ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Trajektorie (74a, 84) und/oder die zweite Trajektorie (75, 85) einen gekrümmten Bahnabschnitt aufweisen.
Additives Herstellverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wobei das Objekt mittels einer additiven Herstellvorrichtung hergestellt wird durch Aufbringen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht und Verfestigen des Aufbaumaterials in einer Bauebene mittels Zufuhr von Strahlungsenergie zu Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, indem diese Stellen mit mindestens einem Strahlbündel gemäß einem Satz von Energieeintragsparameterwerten entlang einer Mehrzahl von Trajektorien abgetastet werden, wobei der Ablauf des additiven Herstellverfahrens durch einen Steuerdatensatz gesteuert wird, der unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche generiert wurde.
Additives Herstellverfahren nach Anspruch 10, wobei das Objekt aus einem metallbasierten Aufbaumaterial hergestellt wird und zum Verfestigen des Aufbaumaterials diesem so viel Strahlungsenergie zugeführt wird, dass es in einem Tiefschweißprozess aufgeschmolzen wird, wobei die Strahlungsleistung des am Endpunkt (74aE, 84E) der ersten Trajektorie (74a, 84) anlangenden Strahlbündels so eingestellt wird, dass sich am Endpunkt (74aE, 84E) im Aufbaumaterial infolge des Tiefschweißprozesses eine Vertiefung ausbildet und wobei die Lage des Anfangspunkts (75A, 85A) der zweiten Trajektorie (75, 85) so gewählt wird, dass das auf den Anfangspunkt (75A, 85A) gerichtete Strahlbündel zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, auf die Vertiefung auftrifft.
Vorrichtung zur Bereitstellung von Steuerdaten für eine additive Herstellvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wobei das Objekt mittels der additiven Herstellvorrichtung hergestellt wird durch Aufbringen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht und Verfestigen des Aufbaumaterials in einer Bauebene mittels Zufuhr von Strahlungsenergie zu Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, indem diese Stellen mit mindestens einem Strahlbündel gemäß einem Satz von Energieeintragsparameterwerten entlang einer Mehrzahl von Trajektorien abgetastet werden, wobei die Vorrichtung zur Bereitstellung von Steuerdaten aufweist: eine Datenzugriffseinheit (101), die ausgelegt ist zum Zugriff auf computerbasierte Modelldaten zumindest eines Abschnitts des herzustellenden Objekts, eine Datenmodell-Erzeugungseinheit (102), die ausgelegt ist, zumindest ein Datenmodell eines zur Herstellung des zumindest einen Objektabschnitts selektiv zu verfestigenden Bereichs einer Aufbaumaterialschicht zu erzeugen, wobei in dem Datenmodell ein Verfestigen des Aufbaumaterials durch Abtasten von Orten des selektiv zu verfestigenden Bereichs entlang einer ersten Trajektorie (74a, 84) und einer dazu benachbarten zweiten Trajektorie (75, 85) mit zumindest einem Strahlbündel spezifiziert ist, wobei die Bewegungsvektoren der Strahlbündel in der Bauebene bei der Abtastung der beiden Trajektorien einander entgegengesetzte Richtungskomponenten aufweisen, wobei spezifiziert ist, dass ein Anfangspunkt (75A, 85A) der zweiten Trajektorie (75, 85) einen Abstand zu einem Endpunkt (74aE, 84E) der zuvor abgetasteten ersten Trajektorie (74a, 84) aufweist, der geringer ist als die halbe Strahlbreite des Strahlbündels an dem Endpunkt (74aE, 84E) der ersten Trajektorie (74a, 84) und eine Steuerdaten-Bereitstellungseinheit (103), die ausgelegt ist, Steuerdaten entsprechend dem durch die Datenmodell-Erzeugungseinheit (102) erzeugten zumindest einen Datenmodell für die Generierung eines Steuerdatensatzes für die additive Herstellvorrichtung bereit zu stellen.
Vorrichtung zur computergestützten Ansteuerung einer Anzahl von Energieeintragseinrichtungen einer additiven Herstellvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels derselben, wobei das Objekt mittels der additiven Herstellvorrichtung hergestellt wird durch Aufbringen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht und Verfestigen des Aufbaumaterials in einer Bauebene mittels Zufuhr von Strahlungsenergie zu Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, indem diese Stellen mit mindestens einem Strahlbündel gemäß einem Satz von Energieeintragsparametern entlang einer Mehrzahl von Trajektorien abgetastet werden, wobei die Vorrichtung so ausgelegt ist, dass ein Verfestigen des Aufbaumaterials durch Abtasten von Orten des selektiv zu verfestigenden Bereichs entlang einer ersten Trajektorie (74a, 84) und einer dazu benachbarten zweiten Trajektorie (75, 85) mit zumindest einem Strahlbündel spezifiziert ist, wobei die Bewegungsvektoren der Strahlbündel in der Bauebene bei der Abtastung der beiden Trajektorien einander entgegengesetzte Richtungskomponenten aufweisen, wobei spezifiziert ist, dass ein Anfangspunkt (75A, 85A) der zweiten Trajektorie (75, 85) einen Abstand zu einem Endpunkt (74aE, 84E) der zuvor abgetasteten ersten Trajektorie (74a, 84) aufweist, der geringer ist als eine halbe Strahlbreite (B) des Strahlbündels an dem Endpunkt (74a, 84) der ersten Trajektorie (74a, 84).
Additive Herstellvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wobei in der additiven Herstellvorrichtung das Objekt hergestellt wird durch Aufbringen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht und Verfestigen des Aufbaumaterials mittels Zufuhr von Strahlungsenergie zu Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, indem diese Stellen mit mindestens einem Strahlbündel gemäß einem Satz von Energieeintragsparametern entlang einer Mehrzahl von Trajektorien abgetastet werden, wobei die additive Herstellvorrichtung aufweist: eine Schichtaufbringvorrichtung (16), die geeignet ist, eine Schicht eines Aufbaumaterials auf eine bereits vorhandene, bevorzugt bereits selektiv verfestigte, Aufbaumaterialschicht aufzubringen, eine Energieeintragseinrichtung (20), die geeignet ist, dem Querschnitt des Objekts in einer Schicht zugeordneten Stellen Strahlungsenergie zuzuführen, indem diese Stellen mit mindestens einem Strahlbündel (22) gemäß einem Satz von Energieeintragsparameterwerten entlang einer Mehrzahl von Trajektorien abgetastet werden, wobei die additive Herstellvorrichtung eine Vorrichtung nach Anspruch 13 aufweist und/oder mit einer Vorrichtung nach Anspruch 13 signaltechnisch verbunden ist.
Computerprogramm, mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen, wenn das Computerprogramm mittels eines Datenprozessors, insbesondere eines mit einer additiven Herstellvorrichtung zusammenwirkenden Datenprozessors, ausgeführt wird.