DE102020112719A1

DE102020112719A1 - Verfahren sowie Anlage zum Bearbeiten eines pulverförmigen Werkstoffes zur additiven Herstellung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102020112719A1
Application number: DE102020112719.7A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Löwer; Alexander Klassen; Johann Tewes; Sebastian Pohl
Original assignee: Pro Beam GmbH and Co KG
Current assignee: Pro Beam GmbH and Co KG
Priority date: 2020-05-11
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2021-11-11
Also published as: WO2021228708A1; EP4149707A1; JP2023525343A; CN115867404A; US20240033820A1

Abstract

Ein Verfahren zum Bearbeiten eines pulverförmigen Werkstoffs zur additiven Herstellung eines Werkstücks (22) umfasst folgende Schritte: a) Bereitstellen einer Vorrichtung (15) zur Aufnahme eines Pulverbetts (20) aus dem zu bearbeitenden pulverförmigen Werkstoff und eines Strahlerzeugers (12), der dazu eingerichtet ist, einen Energiestrahl (13) auf lateral unterschiedliche Orte des Pulverbetts (20) zu richten; b) Schichtförmiges Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffes in das Pulverbett (20); c) Bestrahlen einer Fläche (30; 30a; 30b; 30c) im Pulverbett (20) mit dem Energiestrahl (13), wobei sich die Fläche (30; 30a; 30b; 30c) aus einer Vielzahl n von in zwei Dimensionen angeordneten Punkten P1...Pn zusammensetzt, die nacheinander bestrahlt werden. Um die Scanstrategie während des Schrittes c) zu verbessern ist vorgesehen, dass zumindest einmal während dem Bestrahlen der Fläche zwei aufeinanderfolgend bestrahlte Punkte Pi, Pi+1 derart voneinander beabstandet sind, dass in beiden Dimensionen jeweils mindestens ein anderer zu bestrahlender Punkt P1...Pi-1, Pi+2...Pn zwischen den beiden aufeinanderfolgend bestrahlten Punkten Pi, Pi+1 liegt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines pulverförmigen Werkstoffs zur additiven Herstellung eines Werkstücks. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Vorheizen des pulverförmigen Werkstoffs und ein Verfahren zum Schmelzen des pulverförmigen Werkstoffs.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zur Durchführung solcher Verfahren zum Bearbeiten von pulverförmigem Werkstoff.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Additive Fertigungsverfahren wie 3D-Drucken charakterisieren sich durch Aneinanderfügen von Volumenelementen zu einem Werkstück mit einer dreidimensionalen Struktur, insbesondere durch einen schichtweisen Aufbau. Dabei kommen unter anderem Verfahren zur Anwendung, bei welchen mit einem Energiestrahl ein pulverförmiger Werkstoff in einem Pulverbett durch selektives Verschmelzen der einzelnen Pulverpartikel des Werkstoffs Punkt für Punkt und Schicht für Schicht zu einer festen 3D-Struktur verbunden wird. Das Verfestigen des Werkstoffs kann durch Versintern, d.h. nur teilweisem Anschmelzen, oder vollständigem Aufschmelzen der Pulverpartikel mittels Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen und anschließendem Erstarren lassen erfolgen. Im Nachfolgenden werden unter dem Begriff Schmelzen beide Varianten verstanden.
Die Bearbeitung von pulverförmigem Werkstoff, insbesondere Metallpulver, durch selektives Schmelzen mit einem Elektronenstrahl (Selective Electron Beam Melting; SEBM) oder mit einem Laser (Selective Laser Melting; SLM) erlaubt die Fertigung komplexer Geometrien und Strukturen mit schneller und präziser Manipulierbarkeit und hohem Grad an Automatisierung.
Komplexe Geometrien stellen jedoch auch große Herausforderung an die Prozessführung dar, die von den bekannten Scanstrategien, mit welchen der Energiestrahl lateral über das Pulverbett geführt wird, teilweise nicht erfüllt werden können.
Übliche Scanstrategien basieren auf dem Führen des Energiestrahls entlang von parallelen Pfaden. Asymmetrien in der Bauform des Werkstücks wie Ecken oder Verjüngungen werden dabei energetisch nicht berücksichtigt. Dies führt zu Akkumulation von Wärme und/oder Ladungsträgern in bestimmten Gebieten des Werkstücks und in Folge zu ungewollten Veränderungen der Prozessbedingungen oder Materialeigenschaften, sodass die Qualität der erzeugten Werkstücke leiden kann. Denn sowohl bei Laser-, als auch bei Elektronenstrahlverfahren führen große Temperaturgradienten während der Herstellung zu Verzugserscheinungen und Eigenspannungen in den fertigen Werkstücken. Werden die Prozessbedingungen oder Materialeigenschaften hingegen überwacht, so führt dies zu häufigen Prozessabbrüchen.
Beim selektiven Schmelzen mit einem Elektronenstrahl (SEBM) kommt ein weiteres Problem hinzu: Das Bearbeiten des pulverförmigen Werkstoffs mit dem Elektronenstrahl bedingt durch die auftreffenden Elektronen eine örtlich und zeitlich begrenzte elektrostatische Aufladung des bestrahlten Pulverbetts, da beispielweise Metallpulverpartikel häufig von einer Oxidschicht umgeben sind, welche geringer leitfähig ist. Daher kann sich auch ein Metallpulverpartikel, obwohl er in seinem Inneren leitfähig ist, beim Auftreffen des Elektronenstrahls elektrisch aufladen.
Die Aufladung kann ein überkritisches Ausmaß erreichen und die im Auftreffbereich des Elektronenstrahls ruhenden Pulverpartikel kollektiv aus der Bearbeitungszone beschleunigen, d.h. aus dem Pulverbett in andere Bereiche der Elektronenstrahlanlage verteilen, bevor der Verschmelzungsprozess eintritt. Dies führt zu Materialverlusten und Prozessabbrüchen, da der Werkstoff noch vor Erreichen eines hinreichenden Sintergrades aus dem Pulverbett ausgetrieben wird.
Um Störfälle und Materialverlust durch den Pulveraustrieb zu vermeiden, ist es nach aktuellem Stand der Technik bekannt, nachdem eine Schicht des pulverförmigen Werkstoffs aufgetragen wurde, diese in einem Vorheizschritt durch Bestrahlung mit geringerer Energie, insbesondere geringerem Elektronenstrom, entlang von parallelen Pfaden vorzuheizen, um die einzelnen Pulverpartikel unter gegenüber dem Endprodukt geringerer Adhäsion miteinander zu verbinden.
Erst in einem zweiten Schritt, dem Schmelzschritt, werden dann die Pulverpartikel lateral selektiv in der jeweils zu generierenden Konturschicht der 3D-Struktur mit dem Elektronenstrahl soweit aufgeschmolzen, dass eine für den späteren Verwendungszweck des Werkstücks ausreichende Stabilität der 3D-Struktur zwischen den einzelnen Pulverpartikeln hergestellt wird.
Auch im Schmelzschritt wird der Energiestrahl - unabhängig davon, ob ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl verwendet wird - entlang von parallelen Pfaden auf die oberste Pulverschicht gerichtet und ein Schmelzbad erzeugt, welches sich dann entsprechend dem Bestrahlungsmuster linienförmig mitbewegt.
Viele Nachteile bekannter Verfahren lassen sich auf inhomogene Temperaturfelder zurückführen, die wiederum von der Scanstrategie abhängen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Bearbeitung eines pulverförmigen Werkstoffs zur additiven Herstellung eines Werkstücks anzugeben, welches hinsichtlich der Scanstrategie verbessert ist. Vorzugsweise können dadurch auch Inhomogenitäten des Werkstücks verringert werden. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine entsprechende Anlage zum Bearbeiten des pulverförmigen Werkstoffs anzugeben.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bearbeiten eines pulverförmigen Werkstoffs zur additiven Herstellung eines Werkstücks umfassend folgende Schritte:

a) Bereitstellen
- - einer Vorrichtung zur Aufnahme eines Pulverbetts aus dem zu bearbeitenden pulverförmigen Werkstoff und
- - eines Strahlerzeugers, der dazu eingerichtet ist, einen Energiestrahl auf lateral unterschiedliche Orte des Pulverbetts zu richten;
b) Schichtförmiges Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffes in das Pulverbett;
c) Bestrahlen einer Fläche im Pulverbett mit dem Energiestrahl, wobei sich die Fläche aus einer Vielzahl n von in zwei Dimensionen angeordneten Punkten P1...Pn zusammensetzt, die nacheinander bestrahlt werden; dadurch gekennzeichnet, dass
d) zumindest einmal während dem Bestrahlen der Fläche zwei aufeinanderfolgend bestrahlte Punkte Pi, Pi+1 derart voneinander beabstandet sind, dass in beiden Dimensionen jeweils mindestens ein anderer zu bestrahlender Punkt P1...Pn zwischen den beiden aufeinanderfolgend bestrahlten Punkten Pi, Pi+1 liegt.

Die Erfinder haben erkannt, dass in bekannten Pulverbearbeitungsprozessen der Energiestrahl üblicherweise entlang von zueinander parallelen Pfaden auf die Pulveroberfläche gerichtet wird (siehe 2a). Die Erfinder haben ferner erkannt, dass sich dadurch der Energieeintrag stark um den gerade bearbeiteten Punkt herum konzentriert. Durch das Bestrahlen eines Punktes auf der Pulveroberfläche überträgt sich die Energie zwar durch Wärmeleitung auch auf benachbarte Regionen. Sehr viele Verfahren finden jedoch im Vakuum und Unterdruck statt, sodass der Wärmeabtransport vorwiegend auf das Pulver beschränkt bleibt. Bei der linienförmigen Bestrahlung wird hingegen in bereits erwärmte Regionen zusätzlich Energie eingebracht und somit lokale Hitzepunkte erzeugt, da dort die Wärmeleitung im Schmelzbad stärker zum Tragen kommt. Um Effekte wie Pulveraustrieb und unkontrolliertes Schmelzen zu vermeiden, wird in bekannten Verfahren daher oft mit Zeitabschnitten ohne oder sehr niedrigen Energieeintrag gearbeitet und somit die Prozesszeit verlängert.
Das erfindungsgemäße Verfahren löst das beschriebene Problem der inhomogenen Temperaturverteilung dahingehend, dass die Energie punktweise verteilt eingebracht wird und dadurch lokale Wärme- und Ladungsakkumulationen vermieden werden. Dazu werden die innerhalb einer Fläche zu bestrahlenden Punkte so nacheinander bestrahlt, dass auf einem Raster der zu bestrahlenden Punkte zumindest einmal, vorzugsweise mehr als 20 mal, nicht direkt benachbarte Punkte aufeinanderfolgend bestrahlt werden. Die Punkte der Fläche werden innerhalb ihres Rasters nicht Reihe für Reihe und Zeile für Zeile direkt aufeinander bestrahlt. Stattdessen werden in beiden Dimensionen Punkte des Raster zunächst ausgelassen, die dann im späteren Verlauf des Bestrahlungsscans bestrahlt werden.
Der genannte Abstand für zwei aufeinanderfolgend bestrahlte Punkten, wonach mindestens einmal in beiden Dimensionen jeweils mindestens ein anderer zu bestrahlender Punkt P1...Pn zwischen den beiden aufeinanderfolgend bestrahlten Punkten Pi, Pi+1 liegen soll, ist dabei als absolut unterste Grenze gegenüber bisherigen Scanstrategien anzusehen. Selbstverständlich kommen die Vorteile des Verfahrens vor allem dann besser zur Geltung, je größer die Abstände zwischen zwei aufeinander bestrahlten Punkten innerhalb der Fläche gewählt werden.
Vorzugsweise umfasst der Schritt d) daher mindestens mehr als 10 mal, vorzugsweise mehr als 20 mal, vorzugsweise mehr als 50 mal, dass zwischen den beiden aufeinanderfolgend bestrahlten Punkten Pi, Pi+1 in beiden Dimensionen des durch die insgesamt in der zu bestrahlenden Fläche liegenden Punkte gebildeten Rasters jeweils mindestens 1, vorzugsweise mindestens 5, vorzugsweise mindestens 10, vorzugsweise mindestens 20 Punkte liegen. Dabei können in den beiden Dimensionen des Rasters auch unterschiedlich viele zunächst ausgelassene zu bestrahlende Punkte dazwischenliegen, beispielsweise in einer x-Richtung mindestens 5 und in einer y-Richtung mindestens 10.
Auf diese Weise kann die zu bestrahlende Fläche gleichmäßiger erhitzt werden. Denn die eingebrachte Wärmeenergie hat durch die hin- und herspringende punktweise verteilte Bestrahlung mehr Zeit sich in die Umgebung des jeweils bestrahlten Punktes zu verteilen, ohne dass es zu lokal überhöhten Energieeinträgen durch direkt benachbartes Bestrahlen kommt.
Als Punkt oder punktförmig gemäß der Erfindung wird eine Stelle betrachtet, die durch den Energiestrahl bestrahlt wird, ohne dass dieser aktiv durch Ablenkspulen, Bewegen des Koordinatentisches oder ähnlichen Einrichtungen bewegt wird.
In der zu bestrahlenden Fläche des Pulverbetts wird eine endliche Anzahl an möglichen Punkten bestimmt. Bevorzugte Randbedingungen für die Verteilung der zu bestrahlenden Punkte sind z.B. jeden Punkt der Fläche mindestens einmal zu bestrahlen oder jeden Punkt genau einmal zu bestrahlen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 30%, nochmals vorzugsweise mindestens 60%, der Abstände zweier aufeinanderfolgend bestrahlter Punkte Pi, Pi+1 von denjenigen Abständen der daraufhin aufeinanderfolgend bestrahlten Punkte Pi+1, Pi+2 voneinander unterscheiden.
Wenn sich die Abstände zwischen jeweils zweien von drei aufeinanderfolgend bestrahlten Punkten Pi, Pi+1 und Pi+2 voneinander unterscheiden, wird eine Unregelmäßigkeit in den Bestrahlungsschritt eingebracht, welche zusätzlich verhindert, dass sich innerhalb der zu bestrahlenden Fläche lokal konzentrierte Energieüberhöhungen ausbilden. Dabei kann ein unterschiedlicher Abstand sich in nur einer Dimension aber auch in beiden Dimensionen vom vorherigen Abstand unterscheiden. Vor allem aber kann sich der Betrag des folgenden Abstandes um mehr als 10%, vorzugsweise mehr als 30%, nochmals vorzugsweise um mehr als 60%, vom vorherigen Abstand unterscheiden.
Selbstverständlich sind für ein solches punktweise beabstandetes Bestrahlen verschiedenste Algorithmen zur Auswahl der Punkte vorstellbar. Diese können, müssen aber nicht zwingend, auch die Form der zu bestrahlenden Fläche berücksichtigen.
Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass die Auswahl des nächsten zu bestrahlenden Punktes Pi+1 in Schritt c) zufällig, pseudozufällig oder quasizufällig erfolgt.
Durch das zufällige, pseudozufällige oder quasizufällige Auswählen der aufeinanderfolgend zu bestrahlenden Punkte aus der Gesamtheit der in der Fläche zu bestrahlenden Punkte (im Folgenden auch verkürzt als stochastisches Bestrahlen bezeichnet) erhält man automatisch die oben genannte Beabstandung zumindest einiger der aufeinanderfolgenden Punkte. Das punktweise Bestrahlen der Pulveroberfläche, wobei die Auswahl des nächsten Punktes mit einer Zufallskomponente erfolgt, ermöglicht somit eine gleichmäßigere Verteilung des Energieeintrags, ohne dass man hierfür vorab einem konkreten Verteilungsplan folgen müsste.
Der Startpunkt der Bestrahlung kann ein beliebiger Punkt innerhalb der zu bestrahlenden Fläche des Pulverbetts sein. Die Entscheidung des nächsten zu bestrahlenden Punktes beinhaltet dann eine Zufallskomponente. Diese zufällige Auswahl kann dabei im klassischen Sinne zufällig sein, sie kann aber auch mit Hilfe eines Zufallszahlengenerators oder einer ähnlichen Funktion nur pseudozufällig oder quasizufällig sein.
Grundlage für die Auswahl und Reihenfolge der zu bestrahlenden Punkte kann somit auch eine der bekannten Quasi- oder Pseudorandomfolgen sein, z.B: Mersenne-Twister, permutierter Kongruenzgenerator, Multiply-with-Carry, Fibonacci-Generator, arithmetische Zufallszahlengeneratoren, Well Equidistributed Long-period Linear, Xorshift, Block- oder Stromchiffren, kryptologische Hashfunktionen, van der Corput-Sequenzen, additive Rekurrenz, Halton-Sequenz, Hammersley-Menge, Sobol-Sequenz, Faure-Sequenz, Niederreiter-Sequenz Poisson disk sampling und/oder ähnliche deterministische Niedrigdiskrepanzfolgen.
Eine quasizufällige Punktreihenfolge hat zudem den Vorteil, dass hier die Dichteverteilung der nacheinander bestrahlten Punkte gleichmäßiger ist und diese sich gleichmäßiger entwickelt als bei einer zufälligen oder pseudozufälligen Reihenfolge.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass Schritt c) Teil eines Heizschrittes ist, in welchem ein von dem Energiestrahl in das Pulverbett eingebrachter Energieeintrag nicht ausreicht, um den pulverförmigen Werkstoff vollständig aufzuschmelzen.
Wie bereits erläutert, sind Heizschritte, welche nur zu einer für einen vollständigen Schmelzvorgang nicht ausreichenden Temperaturerhöhung führen, aus dem Stand der Technik bekannt. Da derartige Heizschritte meist großflächiger und nicht lokal spezifisch eingesetzt werden, eignet sich die erfindungsgemäße beabstandete Bestrahlungsstrategie für diese in besonderer Weise.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das beabstandete Bestrahlen mit einem Energiestrahl in einem Vorheizschritt angewandt. Dies bewirkt im Vorheizschritt ein homogenes thermisches und (im Fall von SEBM) elektrisches Feld. Besonders beim Vorheizen mit einem Elektronenstrahl wird dadurch die Prozessstabilität deutlich erhöht. Durch das Vorheizen mit beabstandetem Bestrahlen werden Ladungsakkumulationen verhindert und somit die Neigung zum elektrostatischen Pulveraustrieb reduziert.
Der Heizschritt kann ein Vorheizschritt, ein Zwischenheizschritt und/oder ein Nachheizschritt sein.
Als Vorheizschritt wird hierbei jeder Prozessschritt verstanden, bei welchem der noch pulverförmige Werkstoff durch geringeren Energieeintrag (kürzere Bestrahlungsdauer in einem Punkt oder kleinere Strahlenergie) für den eigentlichen Schmelzvorgang mit höherem Energieeintrag vorbereitet wird, insbesondere derart, dass der pulverförmigen Werkstoff sich durch den Energieeintrag des Vorheizschritts noch nicht zu einem endgültigen Werkstück verfestigt.
Gegebenenfalls kann es notwendig sein, dass nach einem Vorheizschritt und nachdem bereits Teile der Fläche geschmolzen wurden aufgrund der für den Schmelzschritt benötigten Zeit die Temperatur des Pulverbetts nochmals nachgeheizt werden muss bevor weitere Teile der Fläche geschmolzen werden. Dies wird als Zwischenheizschritt verstanden.
Als Nachheizschritt wird jeder Prozessschritt verstanden, bei welchem das eigentliche Werkstück nach dem Verfestigen gegebenenfalls noch durch Energieeintrag in bestimmten Teilflächen oder der Gesamtfläche einer Schicht einer kontrollierten Temperierung unterzogen wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Heizschritt ein 2-stufiges Heizverfahren umfasst.
Der Heizschritt kann ein mehrstufiger Prozess sein. In der ersten Stufe wird großflächig Energie mit einem Energiestrahl eingebracht, um die gewünschte Bautemperatur zu erreichen oder aufrecht zu erhalten. In einer zweiten Stufe wird geometrisch spezifisch versintert, um in nachfolgenden Schmelzbereichen lokal stärker zu versintern und Überhänge oder Bauten auf losem Pulver mechanisch zu stützen. Besonders bei großen Flächen kann ein mehrstufiger Heizprozess Temperaturschwankungen aufgrund von lokalen Abkühlungen verhindern. Die zweite Stufe kann direkt nach der ersten Stufe folgen, parallel zum Schmelzen ausgeführt werden und/oder nach dem Schmelzen vor Aufbringung einer neuen Pulverschicht ausgeführt werden. Insbesondere der flächige Vorheizschritt kann mit stochastischem Bestrahlen ausgeführt werden oder mittels klassischem Rasterscannen entlang von Pfaden.
Durch ein nur lokales Vorheizen, insbesondere eine nur lokal verstärkte Versinterung, kann ein höherer Grad der Pulverrezyklierung erreicht werden und das Freistrahlen bzw. Auspacken des fertigen Werkstücks erleichtern.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Schritt c) ein Schmelzbad erzeugt, wobei vorzugsweise das erzeugte Schmelzbad nicht geführt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das beabstandete Bestrahlen zum Schmelzen des pulverförmigen Werkstoffs verwendet. Das kontrollierte thermische Feld beim Schmelzen verhindert lokale Legierungsänderungen durch Vermeidung von Temperaturspitzen. Durch Veränderungen der Gefügestruktur können Materialeigenschaften verbessert bzw. nach Bedarf gesteuert werden. Die Gefügestruktur ist substanziell für die Materialeigenschaften des Werkstücks verantwortlich und beeinflusst Kennwerte wie z.B. Härte, Festigkeit und Elastizitätsmodul. Kleinere abgeschlossene Schmelzbäder können eine höhere Erstarrungsgeschwindigkeit aufweisen und als Folge davon verschiedenartige Phasenausprägungen und/oder eine feinere Gefügestruktur.
Durch die Steuerung des Energieeintrags können daher Poren, Oberflächenunebenheiten sowie Abweichungen in den Werkstückeigenschaften vermieden werden. Ein weiterer Vorteil ist die Geometrieunabhängigkeit des randomisierten Bestrahlungsmusters. Große und kleine Querschnitte sind mit stochastischem Bestrahlen gleichermaßen abdeckbar und Inhomogenitäten durch Querschnittsveränderungen werden vermieden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erzeugte Schmelzbad nicht geführt wird.
Beim punktweisen statistischen Schmelzen entstehen Schmelzbäder, die nicht geführt werden, d.h. dass keine laterale Bewegung des Mittelpunkts der Schmelze stattfindet. Dies ermöglicht eine erleichterte Kontrolle der Hydrodynamik des Schmelzbades, da durch die fehlende laterale Bewegung Materialtransport entlang der Schmelzspur vermieden wird.
Dem Schmelzprozess kann ein ein- oder mehrstufiges Heizverfahren mit einem Energiestrahl vorangegangen oder überlagert sein. Letzteres kann beispielsweise durch einen schnellen Wechsel zwischen punktweisem Schmelzen und flächigerem Vorheizen erfolgen.
In weiteren Ausführungsformen können zusätzliche Bedingungen zur Wahl des nächsten Punkts vorhanden sein, z.B. darf ein gewisser Radius um den zuvor bestrahlten Punkt nicht bestrahlt werden. Auch kann ein Scansteueralgorithmus die Stärke des Energieeintrages an einem zu bestrahlenden Punkt oder die Häufigkeit wie oft ein vorgegebener Energieeintrag stattfinden soll berücksichtigen. So kann beispielsweise eine stärkere Bestrahlung an den Rändern der zu bestrahlenden Fläche erzeugt werden oder eine ungleichmäßige Bestrahlung auf Grundlage eines Energiemodells etc. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Zufallsfunktion mit einer energieabhängigen Funktion überlagert.
Durch ein zu Grunde liegendes energieabhängiges Modell kann unter anderem die Energie und/oder die Temperatur durch Berücksichtigung lokaler Begebenheiten sowie der Lage bereits bestrahlter Punkte, auch in vorangegangen Pulverschichten, und deren Restenergie berücksichtigt werden. Dies ermöglicht eine bedarfsgerechte Steuerung des Energieeintrags und eine bessere Einstellung der Gefügestruktur über das gesamte Werkstück. Zusätzlich kann durch eine energieabhängige statistische Bestrahlung die Gefügestruktur variabel innerhalb des Werkstücks angepasst werden.
Um eine bedarfsgerechte Steuerung des Energieeintrags zu realisieren, wird ein Modell des herzustellenden Werkstücks erstellt, um den Energiezustand in örtlicher und zeitlicher Abhängigkeit abfragen zu können. Mit Hilfe des Modells werden Regionen identifiziert, denen Energie zugeführt werden soll. In diesen bestimmten Regionen wird dann randomisiert mit dem Energiestrahl eine genau abgestimmte Energiemenge eingebracht.
Das energetische Modell umfasst insbesondere Daten über das elektrische Feld, das thermische Feld, die Geometrie des Werkstücks, die Geometrie des Bauraums und/oder Materialzusammensetzungen des Pulverbetts, des Gasraums sowie des Drucks in der Prozesskammer. In einer aktiven Schicht können die Lage der vorangegangenen Punkte berücksichtigt werden, der Abstand zueinander unter Berücksichtigung der antizipierten Wärmeübertragung, sowie die Schichtdicke des pulverförmigen Werkstoffs. Auch die energetischen Effekte der vorherigen Lage können berücksichtigt werden und Wärmeübertragung aus dem in der vorherigen Lage aufgeschmolzenen Bereich in die neue Pulverschicht einberechnet werden.
Neben der Lage der geschmolzenen Punkte können auch Strahlparameter angepasst werden, insbesondere die Haltezeit, der Linsenstrom und/oder die Strahlstärke verändert werden. Die Parameter können auch pro Punkt variabel eingestellt werden, z.B. mit einer Rampe.
Durch den angepassten Energieeintrag und die bedarfsgerechte Steuerung können Superpositionseffekte von Wärme und Material gezielt ausgenutzt werden. Temperaturspitzen und signifikanter Materialverlust durch Verdampfung können vermieden werden und die ursprüngliche chemische Zusammensetzung erhalten bleiben.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass wobei die Auswahl des nächsten zu bestrahlenden Punktes zufällig, pseudozufällig oder quasizufällig sowie in Abhängigkeit des Energieeintrags insbesondere einer Energiebilanz oder eines Wärmehaushalts erfolgt.
Die Reihenfolge der zu bestrahlenden Punkte und/oder die korrespondierenden Strahlparameter können bereits vor Beginn des Baus berechnet und festgelegt werden oder während des Baus insbesondere vor jeder neuen zu bestrahlenden Pulverschicht oder Punkt für Punkt während ein aktueller Punkt bestrahlt wird, bestimmt werden. Dadurch können auch gemessene Echtzeitdaten miteinbezogen werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Weg zwischen zwei zu bestrahlenden Punkten Pi, Pi+1 belichtet wird.
Um die berechneten, zu bestrahlenden Punkte mit dem Strahl anzufahren, braucht der Strahl eine gewisse Zeit, um den Weg zwischen den Punkten zurückzulegen. Diese Zeit ist abhängig von der verwendeten Strahltechnologie. Elektronenstrahlen können in der Größenordnung von 1°/µS abgelenkt werden, Laser brauchen auf Grund der Trägheit von Ablenkspiegeln deutlich länger. In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Weg zwischen den zu bestrahlenden Punkten ebenfalls belichtet werden. Generell gilt, dass ein durchgehend eingeschalteter Energiestrahl aufgrund eines sich einstellenden statischen Zustandes gegenüber einem gepulsten Energiestrahles bevorzugt wird.
Die Zeit zwischen den Punkten kann vorgegeben werden, so gering wie möglich gehalten werden, abhängig von der Weglänge, die zurückgelegt werden muss, oder eine Kombination daraus gewählt werden. Die Zeit, die jeder Punkt auf der Wegstrecke bestrahlt wird, ist jedoch deutlich geringer als die randomisiert bestimmten Punkte, an denen der Strahl gehalten wird. Als Konsequenz davon ist der Energieeintrag an den Haltepunkten deutlich größer. Daher wird hier auch nur von einem Belichten des Weges gesprochen, um sprachlich den Unterschied zwischen einem bewusst zu bestrahlenden Punkte der Fläche und nur kurzzeitig überstrichenen Zwischenräumen hervorzuheben.
Die Weglänge zwischen den Punkten kann so kurz wie möglich gehalten werden, frei wählbar innerhalb einer bestimmten Zeitgrenze sein und/oder eine bestimmte geometrische Form, insbesondere einen Kreisbogen, aufweisen. Die Wegstrecke und/oder Zeit kann für jeden Punkt extra unabhängig ausgewählt werden, z.B. alternierend zwischen kürzestem Weg und bogenförmiger Strecke. Um Energieakkumulationen im Zentrum der zu bestrahlenden Fläche der obersten Pulverschicht durch sich mehrfach kreuzenden Wegstrecken zu vermeiden, kann der Weg zwischen den Punkten dahingehend angepasst werden, dass auch in den Randgebieten des Querschnitts die gleiche Energiemenge eingebracht wird.
Vorzugsweise ist der Energiestrahl ein Elektronenstrahl.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der pulverförmige Werkstoff im Vakuum oder Unterdruck bearbeitet und ist ein Verfahren ohne Hilfsgase. Bevorzugt werden keine zusätzlichen Gase wie z.B. Helium in den Prozessraum eingeleitet. Durch das im erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte homogene, thermische und elektrische Feld ist es nicht notwendig, für eine zusätzliche Stabilisierung des Prozesses durch eingeleitete Gase zu sorgen. Dadurch können die mit Hilfsgasen in der Prozesskammer verbundenen Nachteile wie Strahlaufweitung, zusätzliche Kosten an der Anlage sowie im Betrieb und zusätzliche Kontamination vermieden werden.
Vorzugsweise beträgt die Beschleunigungsspannung im erfindungsgemäßen Verfahren 90 kV bis 150 kV, insbesondere 100 kV oder größer, bevorzugt 120 kV oder größer.
Vorzugsweise beträgt die Strahlleistung mindestens 100 W und höchstens 100 kW.
Vorzugsweise umfasst der pulverförmige Werkstoff Titan, Kupfer, Nickel, Aluminium und/oder Legierungen davon, insbesondere Ti-6AI-4V, eine Legierung umfassend Titan, 6 Gew.-% Aluminium und 4 Gew.-% Vanadium.
Vorzugsweise weist der pulverförmige Werkstoff eine mittlere Korngröße D50 von 10 µm bis 150 µm auf.
Im Hinblick auf die Anlage zur Bearbeitung von pulverförmigem Werkstoff mit einer Elektronenstrahlanlage umfasst die erfindungsgemäße Anlage eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Pulverbetts aus dem zu bearbeitenden pulverförmigen Werkstoff, und einen Strahlerzeuger, der dazu eingerichtet ist, einen Energiestrahl auf lateral unterschiedliche Orte des Pulverbettes zu richten, wobei die Anlage dazu ausgelegt ist, die erfindungsgemäßen Verfahren auszuführen.
Werkstücke, die mit den erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Anlage gefertigt werden, finden unter anderem in der Luft- und Raumfahrt als Turbinenschaufeln, Pumpenräder und Getriebehalterungen in Helikoptern; in der Automobilindustrie als Turboladerräder sowie Radspeichen; in der Medizintechnik als orthopädische Implantate und Prothesen; als Wärmetauscher und im Werkzeug- und Formenbau Anwendung.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anlage mit einem Pulverbehältnis;
2: eine schematische Darstellung verschiedener Bestrahlungsstrategien;
3: eine schematische Darstellung zum Erstellen einer randomisierten Punktefolge;
4: eine schematische Darstellung eines Vorheizschrittes mit stochastischer Bestrahlung;
5: eine schematische Darstellung eines Schmelzschrittes mit stochastischer Bestrahlung;
6: eine schematische Darstellung eines mehrstufigen Vorheizens mit stochastischer Bestrahlung;
7: eine schematische Darstellung einer stochastischen Bestrahlung mit bewusster Erhöhung oder Erniedrigung des Energieeintrages in bestimmten Bereichen.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt eine Elektronenstrahlanlage 10 mit einer Prozesskammer 11, in welcher ein Elektronenstrahlerzeuger 12 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 13 angeordnet ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Elektronenstrahlerzeuger 12 mit einer optionalen Ablenkvorrichtung 14, beispielsweise einer Magnetoptikeinheit, oberhalb eines Hubtisches 15 mit einer Hubplatte und mit einem Aufnahmerahmen angeordnet, der als räumlich begrenztes Pulverbehältnis dient, welches ein Pulverbett 20 aus einem zu bearbeitenden pulverförmigen Werkstoff aufnimmt.
Oberhalb des Aufnahmerahmens ist eine Pulverauftragsvorrichtung 16 mit einer Rakel (nicht gezeigt) angeordnet, die über den Hubtisch bewegt werden kann. Die Pulverauftragsvorrichtung 16 weist einen nicht gezeigten Behälter für den pulverförmigen Werkstoff auf, aus welchem durch eine Verfahrbewegung jeweils als oberste lose Schicht 21 der Werkstoff auf dem Pulverbett 21 eben aufgetragen werden kann.
Die relative Bewegung des Elektronenstrahls zum Pulverbett 20 kann durch Ablenkung des Elektronenstrahls in der Ablenkvorrichtung 14 erfolgen, oder durch Verschieben des Hubtisches.
Ferner befindet sich im Pulverbett 20 eine Grundplatte 17, auf welcher Schicht für Schicht das Werkstück 22 ausgebildet wird.
Eine Steuereinheit 23 ist über eine oder mehrere Signalübertragungsleitungen mit den wesentlichen Komponenten der Elektronenstrahlanlage 10, insbesondere mit dem Elektronenstrahlerzeuger 12 und der Magnetoptikeinheit 14 verbunden, um das gesamte Herstellungsverfahren zu steuern.
Weitere erfindungsgemäße Anlagen umfassen Laserstrahlanlagen im Vakuum, in Atmosphäre, Überdruck sowie mit Hilfsgasen.
2 zeigt unterschiedliche Strategien zur Bestrahlung des pulverförmigen Werkstoffs im Pulverbett 20.
In 2a ist eine Bestrahlungsstrategie gemäß dem derzeitigen Stand der Technik dargestellt. Hier wird linienförmig innerhalb der Bestrahlungsfläche 30 gescannt. Das heißt, im Schmelzschritt wird der Strahl und damit das Schmelzbad entlang der in 2a skizzierten parallelen Pfade 31 geführt. Dabei wird Material entlang des Weges transportiert und die Energie wird sehr dicht eingebracht. Die Wärmeakkumulation durch den örtlich zentrierten Energieeintrag führt sowohl im Vorheizschritt als auch im Schmelzschritt zu Nachteilen wie z.B. Austrieb des Pulvers und daraus entstehende Prozessabbrüche sowie Fehler im Werkstück durch ungleichmäßigen Energieeintrag.
2b, 2c, 2d, 2e zeigen erfindungsgemäße Bestrahlungsstrategien.
2b zeigt eine stochastisch verteilte Punktbestrahlung. Die Lage des nächsten zu bestrahlenden Punkts wird zufällig ausgewählt und kann sich an jedem Punkt auf der zuvor definierten Bestrahlungsfläche befinden. Der Energiestrahl wird für eine bestimmte Zeit auf den definierten Punkt gerichtet und springt dann weiter zum nächsten zu bestrahlenden Punkt.
In weiteren Ausführungsformen können zusätzliche Bedingungen zur Wahl des nächsten Punkts vorhanden sein, z.B. ein gewisser Radius (Mindestabstand) um den zuvor bestrahlten Punkt darf im nächsten Schritt der Punktfolge nicht bestrahlt werden, stärkere Bestrahlungen an den Rändern der Fläche auf Grundlage eines Energiemodells etc.
In 2c, 2d und 2e sind Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, bei denen wie in 2b gezeigt, stochastisch verteilte Punkte für eine bestimmte Zeit bestrahlt werden und auch die Wege zwischen den Punkten bestrahlt werden.
In wird dafür der kürzeste Weg zwischen zwei zu bestrahlenden Punkten gewählt. Hierfür wird ein Punkt für eine gewisse Zeit mit bestimmten Strahlparametern bestrahlt, dann wird der Strahl zum nächsten zu bestrahlenden Punkt gelenkt. Dies kann innerhalb der kleinsten technisch möglichen Zeit sein, also in einer Zeitspanne innerhalb von einigen Mikrosekunden, innerhalb einer vorbestimmten Zeit oder mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Der Energieeintrag ist aufgrund der variablen Geschwindigkeit und Bestrahlungszeit unterschiedlich, jedoch ist der Energieeintrag an den zu bestrahlenden Punkten signifikant höher.
In der in 2d abgebildeten Ausführungsform wird anstatt des kürzesten Weges ein bogenförmiger Weg gewählt. Dies eröffnet die Möglichkeit, auch zusätzlich zur Lage der Haltepunkte auf die Energieverteilung innerhalb der Bestrahlungsfläche Einfluss zu nehmen, und die Wege an weniger bestrahlte Regionen zu legen, insbesondere Randregionen.
In 2e ist eine Ausführungsbeispiel skizziert, bei dem der Weg zwischen den Punkten frei wählbar ist und nur durch Zeit und/oder Geschwindigkeit vorgegeben wird. Die Wahl des Weges kann ebenfalls zufällig erfolgen, oder auf Basis eines Energiemodells.
3 zeigt eine schematische Darstellung zur Erstellung einer randomisierten Punktefolge gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die zu bestrahlende Fläche 30 wird durch einen Diskretisierungsalgorithmus in eine Punktmenge P1-P9 umgewandelt. Die Punktemenge P1-P9 beinhaltet alle aufzuschmelzenden Punkte, um die gesamte Fläche 30 aufzuschmelzen. In 3 wird die Punktmenge P1-P9 durch Kreisflächen dargestellt. Diese Punktemenge P1-P9 wird in eine Punktefolge A übertragen. Durch Permutation wird aus dieser Punktefolge A eine Punktefolge B generiert. $A = {P1,P 2, P3,P 4, P5,P 6, P 7, P 8, P9}$
$B = {P5,P 6, P 7, P 8, P9,P1,P 2, P3,P 4}$
Die Reihenfolge der Punkte in der Punktefolge B, gibt die Reihenfolge der nacheinander aufzuschmelzenden Punkte an. So ergibt sich für jeden Punkt ein Zeitpunkt wie in der nachfolgenden Tabelle dargestellt:

Punkt P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9

Zeitpunkt t5 t3 t9 t6 t8 t1 t2 t7 t4
Insbesondere eine zufällige Permutation der ersten Punktefolge A in die zweite Punktefolge B kann wie folgt erreicht werden:

1. Durch einen Zufallszahlengenerator wird eine zufällige Zahl X ∈ [0,1] zwischen 0 und 1 erstellt.
2. Diese zufällige Zahl X wird mit der Anzahl der Elemente in der ersten Folge multipliziert und aufgerundet.
3. Der Punkt aus der ersten Folge, welcher an der Stelle der multiplizierten Zahl steht, wird an die zweite Folge angehängt und aus der ersten Folge entfernt.
4. Die Schritte 1.-3. Werden so lange wiederholt, bis die erste Folge leer ist.

Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Scanstrategie zur Führung des Energiestrahls bei einem Vorheizschritt verwendet werden.
4 zeigt schematisch eine Heizfläche 30a, innerhalb derer mittels Energieeintrag über einen Energiestrahl beispielhaft ein Pulverbett aufgeheizt wird. Die Heizfläche 30a kann in Form und Größe beliebig sein, in der vorliegenden Ausführungsform ist sie quadratisch und liegt vollständig im Ablenkfeld 40 des einen Energiestrahls. Innerhalb der Heizfläche 30a wird der Energiestrahl über eine definierte Anzahl an Haltepunkten P1 bis Pn geführt, deren Reihenfolge stochastisch gewählt wurde. Der Energiestrahl fährt den so ermittelten ersten Haltepunkt P1 zum Zeitpunkt t an und verweilt an diesem über eine definierte Haltezeit Δt1. Anschließend wird der Energiestrahl mit höherer, vorzugsweise mit maximaler, Geschwindigkeit an die Position P2 abgelenkt und dort über eine definierte Haltezeit Δt2 gehalten. In einem Heizdurchgang wird dieses Vorgehen auf alle Haltepunkte P1 bis Pn mindestens einmal angewendet.
Typischerweise werden die Haltepunkte P1 bis Pn in einem regelmäßigen Raster 41 mit Rasterabständen 42 so in die Heizfläche 30a gelegt, dass diese vollständig ausgefüllt ist. Die Rasterabstände zwischen einem Haltepunkt Pi aus der Menge {P1, P2, ..., Pn} und dessen direkten Nachbarn können beliebig eingestellt werden. Vorzugsweise liegen die Rasterabstände im Bereich des Durchmessers des fokussierten Strahls, bei normalverteilter Strahlintensität zwischen 0,5 und 2 der Standardabweichung.
Die Strahlparameter während des Vorheizschrittes sind so gewählt, dass der Energiestrahl das Pulverbett lokal erwärmt, vorzugsweise versintert, ohne das Material in die schmelzflüssige Phase zu überführen. Vorzugsweise wird der Energiestrahl während des Vorheizschrittes defokussiert eingesetzt. Ist der Energiestrahl ein Elektronenstrahl, beträgt der Strahlstrom dabei bevorzugt 20 bis 100 mA und die Haltezeit jedes Haltepunktes 1 bis 100 µs, abhängig vom pulverförmigen Werkstoff, dem Strahldurchmesser und der Beschleunigungsspannung. In einer weiteren Ausführungsform beträgt der Strahlstrom 300 mA und die Haltezeiten Δt1 bis Δtn variieren zwischen 0,1 und 10 µs, wobei für das Heizen üblicherweise ein defokussierter Strahl verwendet wird.
Heizfläche, Punkthaltezeiten und Strahlparameter können von Schicht zu Schicht des additiv gefertigten Werkstücks verändert werden.
5 zeigt eine Ausführungsform einer stochastischen Punktbestrahlung auf eine mit einem Energiestrahl aufzuschmelzenden Fläche 30c, die bevorzugt vollständig im Ablenkfeld 40 des einen Energiestrahls liegt. Diese Schmelzfläche 30c kann beispielsweise aus den Schnittdaten eines additiv herzustellenden 3D-Werkstücks entnommen werden. In der Schmelzfläche 30c wird der Energiestrahl über eine definierte Anzahl an Haltepunkten P1 bis Pn so geführt, dass das Pulverbett an diesen Stellen lokal zumindest kurzzeitig aufgeschmolzen wird. Zwischen den Haltepunkten wird der Energiestrahl mit hoher, vorzugsweise maximaler Geschwindigkeit abgelenkt. Vorzugsweise ist der Energiestrahl während des Schmelzschrittes fokussiert. Den Haltepunkten können beliebige Positionen innerhalb der Schmelzfläche 30c zugewiesen werden, bevorzugt liegen sie auf einem Raster 41. Für ein vollständiges Erschmelzen der Schmelzfläche 30c ist das Raster 41 beispielhaft regelmäßig ausgelegt und weist eine konstante Rasterweite 42 auf, die bei normalverteilter Strahlintensität 0,5 bis 2 Standardabweichungen beträgt.
In einer Ausführungsform des Schmelzschrittes werden die Positionen der Haltepunkte P1 bis Pn in stochastisch vorgegebener Reihenfolge genau einmal angesteuert, wobei der Energiestrahl an den jeweiligen Haltepunkten eine definierte Haltezeit Δt1 bis Δtn verweilt. Vorzugsweise beträgt der Strahlstrom eines Elektronenstrahls zwischen 5 mA bis 50 mA bei einer variablen Haltezeit von 1 bis 100 µs.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die Positionen der Haltepunkte P1 bis Pn in stochastisch vorgegebener Reihenfolge mindestens einmal angesteuert, vorzugsweise mit niedrigeren Strahlströmen und Haltezeiten wie beim einmaligen Abfahren, wobei die Strahlströme und/oder die Haltezeiten mit zunehmender Anzahl an Wiederholungen abnehmen.
Schmelzfläche, Punkthaltezeiten und Strahlparameter können von Schicht zu Schicht des additiv gefertigten Werkstücks verändert werden.
6 zeigt eine Ausführungsform eines mehrstufigen Vorheizens mit stochastischer Punktbestrahlung.
Der Vorheizvorgang besteht beispielhaft aus zwei Vorheizschritten, die unmittelbar nacheinander ausgeführt werden. Im ersten Vorheizschritt wird, wie in 6a ersichtlich, eine erste Heizfläche 30a aufgeheizt und im zweiten Vorheizschritt, wie in 6b ersichtlich, eine zweite Heizfläche 30b. Die zweite Heizfläche 30b liegt dabei sinnvollerweise vollständig in der ersten Heizfläche 30a.
In einer Ausführungsform umspannt die erste Heizfläche 30a das gesamte Ablenkfeld 40 des einen Energiestrahls. Die zweite Heizfläche 30b berücksichtigt die 3D-Geometrie des additiv herzustellenden Werkstücks und ist bevorzugt um einen definierten Abstand größer als der aufzuschmelzende Werkstückquerschnitt 30c der aktiven Schicht.
Die Energieeinbringung geschieht durch einen Energiestrahl, der innerhalb der ersten Heizfläche über die Haltepunkte P11 bis P1 n und innerhalb der zweiten Heizfläche über die Haltepunkte P21 bis P2m geführt wird, wobei die Reihenfolgen der Haltepunkte stochastisch vorgegeben sind.
In einer Ausführungsform geschieht das Vorheizen der ersten Heizfläche 30a vorzugsweise mit hohem Leistungseintrag bei stark defokussiertem Strahl und das Heizen der zweiten Heizfläche 30b vorzugsweise mit niedrigerem Leistungseintrag bei schwach defokussiertem Strahl.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung alternieren die mindestens zwei Vorheizschritte mit mindestens einem nicht primär für das Vorheizen eingesetzten Prozessschritt.
7 zeigt ein Beispiel zum Vorheizen mit stochastischer Punktbestrahlung mit Steuerung zur Erreichung eines homogenen Energiefeldes. Das Bestrahlen einer Fläche 30 mit gesamtflächig konstanten Strahlparametern und einheitlichem Raster ergibt aufgrund der Energieabfuhr in kältere Außenbereiche ein inhomogenes Temperaturfeld innerhalb der Heizfläche. Temperaturunterschiede zwischen zentrums- und randnahen Regionen der Heizfläche betragen typischerweise wenige 10 bis wenige 100 K.
7a zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform, in der die Rasterabstände 42 des die Position der Haltepunkte bestimmenden Rasters 41 indirekt proportional zum Temperaturgradienten ausgelegt sind. Die Haltepunkte werden in stochastischer Folge angesteuert. Die Dichte des Rasters 41 definiert über die Zahl der Haltepunkte pro Einheitsfläche den lokalen Leistungseintrag und somit das Temperaturfeld.
In 7b ist eine weitere Ausführungsform skizziert, in der der lokale Leistungseintrag durch die Strahlparameter vorgegeben wird. Das Raster 41 hat dabei eine konstante Rasterweite 42. Haltepunkte in Regionen niedrigerer Temperatur weisen relativ zu Haltepunkten in Regionen hoher Temperatur mindestens eine der folgenden Änderungen auf: (a) höhere Strahlleistung, (b) längere Haltezeit, (c) höhere Anzahl an Wiederholungen.
In einer weiteren Ausführungsform können die vorgenannten Ausführungsformen durch ein Energiemodell so überlagert werden, dass regionale Gesamtverweilzeiten zu einer zusätzlichen Steuerung des Temperaturfeldes führen.
In einer weiteren Ausführungsform können mit angepassten Strahlparametern die in 7a und 7b skizzierten Bestrahlungsabläufe im Schmelzschritt angewandt werden.
Die oben beschriebenen Schritte werden jeweils Schicht um Schicht wiederholt, bis die 3D-Struktur beendet ist.
Bezugszeichenliste

P, P1, P2...Pn: zu bestrahlende Punkte
10: Elektronenstrahlanlage
11: Prozesskammer
12: Elektronenstrahlerzeuger
13: Elektronenstrahl
14: Magnetoptikeinheit
15: Hubtisch
16: Pulverauftragsvorrichtung
17: Grundplatte
20: Pulverbett
21: Oberste Pulverschicht
22: Werkstück
23: Steuereinheit
24: Signalübertragungsleitungen
30: Bestrahlungsfläche
30a: Heizfläche
30b: konturangepasste Heizfläche
30c: Schmelzfläche
31: lineare Pfade
32: Weg zwischen zwei zu bestrahlenden Punkten
40: Ablenkfeld
41: Raster
42: Rasterabstand
50: zu bestrahlender Punkt mit konstantem Leistungseintrag
51: zu bestrahlender Punkt mit variablem Leistungseintrag

Claims

Verfahren zum Bearbeiten eines pulverförmigen Werkstoffs zur additiven Herstellung eines Werkstücks (22) umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellen - einer Vorrichtung (15) zur Aufnahme eines Pulverbetts (20) aus dem zu bearbeitenden pulverförmigen Werkstoff und - eines Strahlerzeugers (12), der dazu eingerichtet ist, einen Energiestrahl (13) auf lateral unterschiedliche Orte des Pulverbetts (20) zu richten; b) Schichtförmiges Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffes in das Pulverbett (20); c) Bestrahlen einer Fläche (30; 30a; 30b; 30c) im Pulverbett (20) mit dem Energiestrahl (13), wobei sich die Fläche (30; 30a; 30b; 30c) aus einer Vielzahl n von in zwei Dimensionen angeordneten Punkten P1...Pn zusammensetzt, die nacheinander bestrahlt werden; dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einmal während dem Bestrahlen der Fläche (30; 30a; 30b; 30c) zwei aufeinanderfolgend bestrahlte Punkte Pi, Pi+1 derart voneinander beabstandet sind, dass in beiden Dimensionen jeweils mindestens ein anderer zu bestrahlender Punkt P1...Pi-1, Pi+2...Pn zwischen den beiden aufeinanderfolgend bestrahlten Punkten Pi, Pi+1 liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 30%, der Abstände zweier aufeinanderfolgend bestrahlter Punkte Pi, Pi+1 von denjenigen Abständen der daraufhin aufeinanderfolgend bestrahlten Punkte Pi+1, Pi+2 voneinander unterscheiden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des nächsten zu bestrahlenden Punktes Pi+1 in Schritt c) zufällig, pseudozufällig oder quasizufällig erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) Teil eines Heizschrittes ist, in welchem ein von dem Energiestrahl in das Pulverbett eingebrachter Energieeintrag nicht ausreicht, um den pulverförmigen Werkstoff vollständig aufzuschmelzen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizschritt ein 2-stufiges Heizverfahren umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) ein Schmelzbad erzeugt, wobei vorzugsweise das erzeugte Schmelzbad nicht geführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswahl des nächsten zu bestrahlenden Punktes zufällig, pseudozufällig oder quasizufällig sowie in Abhängigkeit des Energieeintrags insbesondere einer Energiebilanz oder eines Wärmehaushalts erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Reihenfolge der zu bestrahlenden Punkte P1...Pn vor dem Bau eines Werkstücks (22) bestimmt wird oder b) die Reihenfolge der zu bestrahlenden Punkte P1...Pn schichtweise während des Baus eines Werkstücks (22) bestimmt wird oder c) die Berechnung des nächsten zu bestrahlenden Punktes P1...Pn erfolgt, während oder nachdem ein aktueller Punkt Pi bestrahlt wird bzw. wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Weg zwischen zwei zu bestrahlenden Punkten Pi, Pi+1 belichtet wird.
Anlage zum Bearbeiten eines pulverförmigen Werkstoffs zur additiven Herstellung eines Werkstücks (22), mit a) einer Vorrichtung (15) zur Aufnahme eines Pulverbetts (20) aus dem zu bearbeitenden pulverförmigen Werkstoff und b) einem Strahlerzeuger (12), der dazu eingerichtet ist, einen Energiestrahl (13) auf lateral unterschiedliche Orte des Pulverbetts (20) zu richten; dadurch gekennzeichnet, dass c) die Anlage dazu ausgelegt ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.