DE102020210403A1

DE102020210403A1 - Fertigungseinrichtung und Verfahren zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial

Info

Publication number: DE102020210403A1
Application number: DE102020210403.4A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Gutmann
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: TRUMPF LASER- UND SYSTEMTECHNIK SE, DE
Priority date: 2020-08-14
Filing date: 2020-08-14
Publication date: 2022-02-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fertigungseinrichtung (1) zum additiven Fertigen von Bauteilen (3) aus einem Pulvermaterial, mit- einer Strahlerzeugungseinrichtung (5), die eingerichtet ist zum Erzeugen eines Energiestrahls (7),- einer Scannereinrichtung (9), die eingerichtet ist, um einen Arbeitsbereich (11) lokal selektiv mit dem Energiestrahl (7) zu bestrahlen, um mittels des Energiestrahls (7) ein Bauteil (3) aus dem in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterial herzustellen,- einer Schutzgaseinrichtung (13), die eingerichtet ist, um eine Schutzgasströmung mit definierter Schutzgas-Strömungsrichtung (P1) über dem Arbeitsbereich (11) zu erzeugen, und mit- einer Steuereinrichtung (15), die mit der Scannereinrichtung (9) wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannereinrichtung (9) anzusteuern, wobei- die Steuereinrichtung (15) eingerichtet ist, um für die Bestrahlung des Arbeitsbereichs (11) mit dem Energiestrahl (7) als ein erstes Bestrahlungskriterium eine Bestrahlung entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung (P1) und als ein zweites Bestrahlungskriterium eine Sprungzeit für einen diskontinuierlichen Versatz des Energiestrahls (7) zu verwenden, wobei- die Steuereinrichtung (15) eingerichtet ist, um für mindestens zwei verschiedene Bauteilbereiche (17,19,21) eines zu fertigenden Bauteils (3) die Bestrahlungskriterien verschieden zu gewichten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fertigungseinrichtung und ein Verfahren zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial.
Beim additiven Herstellen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial wird typischerweise ein Energiestrahl an vorbestimmte Bestrahlungspositionen eines Arbeitsbereichs - insbesondere entlang eines vorbestimmten Bestrahlungspfads - verlagert, um in dem Arbeitsbereich angeordnetes Pulvermaterial lokal zu verfestigen. Dies wird insbesondere schichtweise in aufeinanderfolgend in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterialschichten wiederholt, um schließlich ein dreidimensionales Bauteil aus verfestigtem Pulvermaterial zu erhalten.
Aus EP 2 956 262 B1 geht eine Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial hervor, die als Strahlerzeugungseinrichtung einen Laser aufweist, der eingerichtet ist, um als Energiestrahl einen Laserstrahl zu erzeugen. Die Fertigungseinrichtung weist außerdem eine Scannereinrichtung auf, die eingerichtet ist, um einen Arbeitsbereich lokal selektiv mit dem Energiestrahl zu bestrahlen, um mittels des Energiestrahls ein Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial herzustellen. Weiterhin weist die Fertigungseinrichtung eine Schutzgaseinrichtung auf, die eingerichtet ist, um eine Schutzgasströmung mit definierter Schutzgas-Strömungsrichtung über dem Arbeitsbereich zu erzeugen. Die Fertigungseinrichtung weist auch eine Steuereinrichtung auf, die mit der Scannereinrichtung wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannereinrichtung anzusteuern. Dabei ist die Steuereinrichtung insbesondere eingerichtet, um den Arbeitsbereich mit dem Energiestrahl in Form einer Mehrzahl von Streifen oder Streifensegmenten abzutasten, wobei eine Streifenbildungsrichtung antiparallel zu der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet oder ein schräger Winkel zwischen der Streifenbildungsrichtung und der Schutzgas-Strömungsrichtung vorhanden ist, sodass die Streifenbildungsrichtung stets zumindest teilweise der definierten Schutzgas-Strömungsrichtung für jeden Streifen oder jedes Streifensegment jeder Pulvermaterialschicht gegenüberliegt. Es wird demnach eine Bestrahlung entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung bewirkt.
Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass jedem mit dem Energiestrahl bestrahlten Ort auf dem Arbeitsbereich eine durch die Schutzgas-Strömungsrichtung bestimmte Einflusszone zugeordnet werden kann, in welche zumindest im Prinzip Schmutzpartikel, Rauch oder Schmauch aus der Bestrahlung des Pulvermaterials an dem Ort eingetragen werden kann. Solche Störmaterialien können eine spätere Bestrahlung eines in der Einflusszone des zuvor bestrahlten Ortes gelegenen, weiteren Ortes beeinträchtigen, wodurch auch die Qualität des entstehenden Bauteils gemindert sein kann. Diese Art der negativen Beeinträchtigung und Qualitätsminderung wird wirksam vermieden, wenn kein zu einem späteren Zeitpunkt bestrahlter Ort in einer Einflusszone eines zuvor bestrahlten Orts liegt, die Bestrahlung also entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung erfolgt und somit Störmaterialien durch die Schutzgasströmung von den noch nicht bestrahlten Orten weg transportiert werden. Im Hinblick auf eine effiziente und insbesondere zeitoptimierte Fertigung eines Bauteils ist die entsprechende Vorgehensweise aber gegebenenfalls nachteilig, da eine Reihenfolge der bestrahlten Orte nicht mit Blick auf die Fertigungseffizienz gewählt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fertigungseinrichtung und ein Verfahren zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest vermindert, vorzugsweise vermieden sind.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial derart weitergebildet wird, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um für die Bestrahlung des Arbeitsbereichs mit dem Energiestrahl als ein erstes Bestrahlungskriterium eine Bestrahlung entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung und als ein zweites Bestrahlungskriterium eine Sprungzeit für einen diskontinuierlichen Versatz des Energiestrahls zu verwenden. Die Steuereinrichtung ist außerdem eingerichtet, um für mindestens zwei verschiedene Bauteilbereiche eines zu fertigenden Bauteils die Bestrahlungskriterien, das heißt das erste Bestrahlungskriterium und das zweite Bestrahlungskriterium, verschieden zu gewichten. Auf diese Weise kann vorteilhaft insbesondere eine Abwägung getroffen werden zwischen dem Ziel einer möglichst hohen Qualität und möglichst geringen Beeinträchtigung durch Störmaterialien aus Einflusszonen zuvor bestrahlter Orte einerseits und einer möglichst effizienten Fertigung, insbesondere mit möglichst geringen Sprungzeiten, andererseits. Somit kann vorteilhaft insbesondere die Qualität eines derart gefertigten Bauteils hoch sein, dieses aber zugleich auch effizient, insbesondere zeitsparend und damit zugleich auch kostengünstig gefertigt werden. Insbesondere ist es vorteilhaft möglich, die Anforderungen für verschiedene Bauteilbereiche verschieden zu formulieren und beispielsweise in bestimmten Bauteilbereichen - gegebenenfalls unter Inkaufnahme einer geringeren Effizienz - eine besonders hohe Qualität anzustreben, in anderen Bauteilbereichen aber - gegebenenfalls unter Inkaufnahme einer reduzierten Qualität - Effizienzvorteile zu verwirklichen. Somit kann insbesondere ein für verschiedene Bauteilbereiche jeweils verschieden ausfallender Kompromiss zwischen Produktivität und Qualität getroffen werden.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um für mehr als zwei verschiedene Bauteilbereiche des zu fertigenden Bauteils die Bestrahlungskriterien verschieden zu gewichten. In diesem Fall kann besonders flexibel für eine Mehrzahl von Bauteilbereichen ein entsprechender Kompromiss zwischen Qualität und Produktivität getroffen werden.
Unter einem additiven oder generativen Fertigen oder Herstellen eines Bauteils wird insbesondere ein schichtweises Aufbauen eines Bauteils aus Pulvermaterial verstanden, insbesondere ein Pulverbett-basiertes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in einem Pulverbett, insbesondere ein Fertigungsverfahren, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem selektiven Lasersintern, einem Laser-Metall-Fusionieren (Laser Metal Fusion - LMF), einem direkten Metall-Laser-Schmelzen (Direct Metal Laser Melting - DMLM), einem Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), und einem Laser Engineered Net Shaping (LENS). Die Fertigungseinrichtung ist demnach insbesondere eingerichtet zur Durchführung von wenigstens einem der zuvor genannten additiven oder generativen Fertigungsverfahren.
Unter einem Energiestrahl wird allgemein gerichtete Strahlung verstanden, die Energie transportieren kann. Hierbei kann es sich allgemein um Teilchenstrahlung oder Wellenstrahlung handeln. Insbesondere propagiert der Energiestrahl entlang einer Propagationsrichtung durch den physikalischen Raum und transportiert dabei Energie entlang seiner Propagationsrichtung. Insbesondere ist es mittels des Energiestrahls möglich, Energie lokal in dem Arbeitsbereich zu deponieren.
Der Energiestrahl ist in bevorzugter Ausgestaltung ein optischer Arbeitsstrahl. Unter einem optischen Arbeitsstrahl ist insbesondere gerichtete elektromagnetische Strahlung, kontinuierlich oder gepulst, zu verstehen, die im Hinblick auf ihre Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich geeignet ist zum additiven oder generativen Fertigen eines Bauteils aus Pulvermaterial, insbesondere zum Sintern oder Schmelzen des Pulvermaterials. Insbesondere wird unter einem optischen Arbeitsstrahl ein Laserstrahl verstanden, der kontinuierlich oder gepulst erzeugt sein kann. Der optische Arbeitsstrahl weist bevorzugt eine Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum oder im infraroten elektromagnetischen Spektrum, oder im Überlappungsbereich zwischen dem infraroten Bereich und dem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums auf.
Unter einem Arbeitsbereich wird insbesondere ein Bereich, insbesondere eine Ebene oder Fläche, verstanden, in dem das Pulvermaterial angeordnet ist, und der lokal mit dem Energiestrahl bestrahlt wird, um das Pulvermaterial lokal zu verfestigen. Insbesondere wird das Pulvermaterial in dem Arbeitsbereich sequentiell schichtweise angeordnet und mit dem Energiestrahl lokal bestrahlt, um - Schicht für Schicht - ein Bauteil herzustellen.
Dass der Arbeitsbereich lokal mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, bedeutet insbesondere, dass nicht der gesamte Arbeitsbereich global - weder instantan noch sequenziell - mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, sondern dass der Arbeitsbereich vielmehr stellenweise, insbesondere an einzelnen, zusammenhängenden oder voneinander getrennten Stellen, mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, wobei der Energiestrahl insbesondere mittels der Scannereinrichtung innerhalb des Arbeitsbereichs verlagert wird. Dass der Arbeitsbereich selektiv mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, bedeutet insbesondere, dass der Arbeitsbereich an ausgewählten, vorbestimmten Stellen oder Orten oder in ausgewählten, vorbestimmten Bereichen mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird. Der Arbeitsbereich ist insbesondere eine Pulvermaterialschicht oder ein vorzugsweise zusammenhängendes Gebiet einer Pulvermaterialschicht, welche/welches mithilfe der Scannereinrichtung durch den Energiestrahl erreichbar ist, das heißt er umfasst insbesondere solche Stellen, Orte oder Bereiche der Pulvermaterialschicht, die mit dem Energiestrahl beaufschlagt werden können.
Die Schutzgaseinrichtung weist vorzugsweise wenigstens einen Schutzgas-Auslass, insbesondere eine Düse, vorzugsweise eine Mehrzahl von insbesondere nebeneinander angeordneten und bevorzugt parallel zueinander ausgerichteten Schutzgas-Auslässen, insbesondere Düsen, auf. Der mindestens einen Schutzgas-Auslass ist insbesondere eingerichtet, um ein gerichtetes Ausströmen des Schutzgases aus dem Schutzgas-Auslass zu bewirken und so die Schutzgas-Strömungsrichtung zu definieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Schutzgaseinrichtung zusätzlich wenigstens einen Schutzgas-Einlass, insbesondere eine Mehrzahl von bevorzugt nebeneinander angeordneten und insbesondere parallel zueinander ausgerichteten Schutzgas-Einlässen auf, durch den/die das Schutzgas aus dem Arbeitsbereich heraus wieder in die Schutzgaseinrichtung eintreten kann. Insbesondere ist der wenigstens eine Schutzgas-Einlass bevorzugt in Schutzgas-Strömungsrichtung gesehen dem mindestens einen Schutzgas-Auslass gegenüberliegend angeordnet, wobei der Arbeitsbereich zwischen dem mindestens einen Schutzgas-Einlass und den mindestens einen Schutzgas-Auslass angeordnet ist. In bevorzugter Ausgestaltung weist die Schutzgaseinrichtung eine Absaugvorrichtung, insbesondere eine Pumpe, auf, mittels der das Schutzgas über den mindestens einen Schutzgas-Einlass aus dem Arbeitsbereich abgesaugt werden kann. Insbesondere mittels einer Kombination aus definierter Ausströmung des Schutzgases aus dem mindestens einen Schutzgas-Auslass und definierter Absaugung des Schutzgases über den mindestens einen Schutzgas-Einlass kann die Schutzgas-Strömungsrichtung über dem Arbeitsbereich mit besonders hoher Präzision bestimmt werden.
Unter Bestrahlung entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung wird insbesondere verstanden, dass Orte des Arbeitsbereichs, die zeitlich nacheinander mit dem Energiestrahl bestrahlt werden, entlang der Schutzgas-Strömungsrichtung gesehen zumindest auf gleicher Höhe zueinander oder aber entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung voneinander beabstandet sind. Wird also zuerst ein erster Ort des Arbeitsbereichs mit dem Energiestrahl bestrahlt und danach ein von dem ersten Ort verschiedener zweiter Ort, erfolgt die Bestrahlung entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung, wenn der zweite Ort mit Bezug auf die Schutzgas-Strömungsrichtung nicht stromabwärts des ersten Ort, sondern auf gleicher Höhe oder vorzugsweise stromaufwärts des ersten Orts angeordnet ist. Eine Anwendung dieses Gedankens als Bestrahlungskriterium bedeutet dann insbesondere, dass eine zeitliche Reihenfolge der Bestrahlung verschiedener Orte des Arbeitsbereichs mit dem Energiestrahl so gewählt wird, dass entsprechend jeder zweite Ort, der nach einem zuvor bestrahlten ersten Ort bestrahlt wird, mit Bezug auf die Schutzgas-Strömungsrichtung jedenfalls nicht stromabwärts, vorzugsweise aber stromaufwärts des ersten Orts angeordnet ist.
Unter einem diskontinuierlichen Versatz des Energiestrahls wird insbesondere verstanden, dass zwei zeitlich unmittelbar nacheinander bestrahlte Orte auf dem Arbeitsbereich voneinander beabstandet sind, wobei daher die Bestrahlung des Arbeitsbereichs mit dem Energiestrahl an einem ersten Ort endet und an einem von dem ersten Ort verschiedenen zweiten Ort fortgesetzt wird, wobei der zweite Ort von dem ersten Ort beabstandet ist. Zwischen dem ersten Ort und dem zweiten Ort existiert also kein kontinuierlicher Pfad, entlang dem der Energiestrahl von dem ersten Ort zu dem zweiten Ort verlagert worden ist. Insoweit springt der Energiestrahl diskontinuierlich von dem ersten Ort zu dem zweiten Ort. Die hierfür nötige Zeit wird als Sprungzeit bezeichnet. Die Sprungzeit hängt dabei von dem Abstand zwischen dem ersten Ort und dem zweiten Ort ab. Um ein Bauteil möglichst effizient, insbesondere in möglichst kurzer Zeit aufbauen zu können, werden möglichst geringe Sprungzeiten für den Energiestrahl angestrebt. Eine Anwendung der Sprungzeit als Bestrahlungskriterium bedeutet dann insbesondere, dass eine zeitliche Reihenfolge der Bestrahlung verschiedener Orte mit dem Energiestrahl so gewählt wird, dass die Sprungzeit, sei es eine Einzel-Sprungzeit von einem ersten Ort zu einem zweiten Ort, oder eine aufsummierte Gesamt-Sprungzeit über eine Mehrzahl von diskontinuierlichen Versätzen des Energiestrahls, möglichst klein, vorzugsweise minimal wird.
Es ist offensichtlich, dass das erste Bestrahlungskriterium und das zweite Bestrahlungskriterium nicht notwendig stets zugleich erfüllt werden können, sondern dass vielmehr Fälle auftreten, in denen die Anwendung des ersten Bestrahlungskriteriums zu einem anderen Ergebnis führt als die Anwendung des zweiten Bestrahlungskriteriums.
Dass für mindestens zwei verschiedenen Bauteilbereiche eines zu fertigenden Bauteils die Bestrahlungskriterien verschieden gewichtet werden, bedeutet insbesondere, dass das erste Bestrahlungskriterium und das zweite Bestrahlungskriterium in die Festlegung einer Bestrahlungsreihenfolge für einen ersten Bauteilbereich mit einer anderen Gewichtung eingehen als für einen von dem ersten Bauteilbereich verschiedenen zweiten Bauteilbereich.
Ein Bauteilbereich umfasst insbesondere eine Mehrzahl von zu bestrahlenden Orten auf dem Arbeitsbereich, für die jeweils eine zeitliche Reihenfolge der Bestrahlung gemäß zumindest einem der Bestrahlungskriterien festgelegt werden kann.
Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Computer, insbesondere Personal Computer (PC), einer Einschubkarte oder Ansteuerkarte, und einem FPGA-Board. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung eine RTC6-Ansteuerkarte der SCANLAB GmbH, insbesondere in der an dem den Zeitrang des vorliegenden Schutzrechts bestimmenden Tag aktuell erhältlichen Ausgestaltung.
Die Scannereinrichtung weist bevorzugt mindestens einen Scanner, insbesondere einen Galvanometer-Scanner, Piezoscanner, Polygonscanner, MEMS-Scanner, und/oder einen relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf auf. Die hier vorgeschlagenen Scannereinrichtungen sind in besonderer Weise geeignet, den Energiestrahl innerhalb des Arbeitsbereichs zwischen einer Mehrzahl von Bestrahlungspositionen zu verlagern.
Unter einem relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf wird hier insbesondere ein integriertes Bauteil der Fertigungseinrichtung verstanden, welches mindestens einen Strahlungsauslass für mindestens einen Energiestrahl aufweist, wobei das integrierte Bauteil, das heißt der Arbeitskopf, als Ganzes entlang zumindest einer Verlagerungsrichtung, vorzugsweise entlang zweier senkrecht aufeinander stehenden Verlagerungsrichtungen, relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbar ist. Ein solcher Arbeitskopf kann insbesondere in Portalbauweise ausgebildet sein oder von einem Roboter geführt werden. Insbesondere kann der Arbeitskopf als Roboterhand eines Roboters ausgebildet sein.
Gemäß Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um in einem ersten Gewichtungsmodus das erste Bestrahlungskriterium anzuwenden, um in einem zweiten Gewichtungsmodus das zweite Bestrahlungskriterium anzuwenden, und um in einem dritten Gewichtungsmodus das erste Bestrahlungskriterium und das zweite Bestrahlungskriterium anteilig zu berücksichtigen, das heißt anteilig anzuwenden. Mit den verschiedenen Gewichtungsmodi hat die Fertigungseinrichtung insbesondere verschiedene Funktionszustände, in denen - insbesondere abhängig von dem momentan zu bestrahlenden Bauteilbereich - die Bestrahlungskriterien auf verschiedene Weise angewendet und insbesondere verschieden gewichtet werden können. Insbesondere ist die Fertigungseinrichtung bevorzugt eingerichtet, um für verschiedene Bauteilbereiche jeweils einen verschiedenen Gewichtungsmodus anzuwenden.
Die Fertigungseinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um in dem ersten Gewichtungsmodus ausschließlich das erste Bestrahlungskriterium, und nicht das zweite Bestrahlungskriterium, anzuwenden.
Alternativ oder zusätzlich ist die Fertigungseinrichtung eingerichtet, um in dem zweiten Gewichtungsmodus ausschließlich das zweite Bestrahlungskriterium, und nicht das erste Bestrahlungskriterium, anzuwenden.
Unter einer anteiligen Berücksichtigung des ersten Bestrahlungskriteriums und des zweiten Bestrahlungskriteriums in dem dritten Gewichtungsmodus ist insbesondere zu verstehen, dass das erste Bestrahlungskriterium und das zweite Bestrahlungskriterium in die Festlegung einer Bestrahlungsreihenfolge für einen Bauteilbereich mit verschiedenen, von null und von eins verschiedenen Anteilen eingehen, wobei sich die Anteile der beiden Bestrahlungskriterien zu eins addieren. Insbesondere gehen also die beiden Bestrahlungskriterien mit verschiedenen prozentualen Anteilen in die Festlegung der Bestrahlungsreihenfolge ein, wobei aber in dem dritten Gewichtungsmodus stets beide Bestrahlungskriterien berücksichtigt werden.
Die Steuereinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um für die mindestens zwei verschiedenen Bauteilbereiche jeweils einen anderen Gewichtungsmodus, ausgewählt aus dem ersten Gewichtungsmodus, dem zweiten Gewichtungsmodus und dem dritten Gewichtungsmodus, zu verwenden. Die verschiedene Gewichtung der Bestrahlungskriterien für die verschiedenen Bauteilbereiche erfolgt also in bevorzugter Ausgestaltung insbesondere durch Auswahl eines Gewichtungsmodus.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, und um in dem dritten Gewichtungsmodus die Bestrahlungskriterien mit variablen Gewichtungsanteilen, insbesondere für verschiedene Bauteilbereiche, zu berücksichtigen. Der dritte Gewichtungsmodus liegt demnach insbesondere in verschiedenen Ausprägungen vor, die durch die verschiedenen relativen Gewichtungsanteile für die Bestrahlungskriterien definiert sind. Dabei wird bevorzugt für verschiedene Bauteilbereiche, denen jeweils der dritte Gewichtungsmodus zugeordnet ist, eine verschiedene Ausprägung des dritten Gewichtungsmodus angewendet. Auf diese Weise kann besonders flexibel ein jeweils besonders geeigneter Kompromiss zwischen Qualität und Produktivität für den jeweils einzelnen Bauteilbereich erreicht werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um in dem ersten Gewichtungsmodus innerhalb eines für das erste Bestrahlungskriterium bestimmten ersten Toleranzbereichs das zweite Bestrahlungskriterium anzuwenden. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung bevorzugt eingerichtet, um in dem zweiten Gewichtungsmodus innerhalb eines für das zweite Bestrahlungskriterium bestimmten zweiten Toleranzbereichs das erste Bestrahlungskriterium anzuwenden. Dies erlaubt eine besonders flexible Anwendung der Bestrahlungskriterien und damit eine flexible Kompromissfindung zwischen Produktivität und Qualität.
Insbesondere bedeutet die Berücksichtigung eines Toleranzbereichs für ein Bestrahlungskriterium, dass dann, wenn anhand des Bestrahlungskriteriums keine - im Sinne des Toleranzbereichs - eindeutig vorteilhafte Entscheidung bezüglich der Bestrahlungsreihenfolge mehr getroffen werden kann, das andere Bestrahlungskriterium angewendet wird, um die Bestrahlungsreihenfolge festzulegen. Beispielsweise kann bei Anwendung des ersten Bestrahlungskriteriums ein Unterschied in den Abständen verschiedener einem momentan bestrahlten Ort nachfolgender Orte auf dem Arbeitsbereich zu dem momentan bestrahlten Ort entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung so gering sein, dass es unter praktischen Gesichtspunkten insoweit nahezu gleichgültig ist, welcher der nachfolgenden Orte zuerst bestrahlt wird. In diesem Fall kann das zweite Bestrahlungskriterium über die Bestrahlungsreihenfolge entscheiden, wobei derjenige nachfolgende Ort ausgewählt wird, für den ausgehend von dem momentan bestrahlten Ort die Sprungzeit am geringsten ist. Umgekehrt kann bei Anwendung des zweiten Bestrahlungskriteriums ein Unterschied in den Sprungzeiten zu potenziell einem momentan bestrahlten Ort nachfolgenden Orten auf dem Arbeitsbereich so gering sein, dass sich unter praktischen Gesichtspunkten insoweit keine relevanten Unterschiede bezüglich der möglichen Bestrahlungsreihenfolge ergeben. In diesem Fall kann das erste Bestrahlungskriterium über die Bestrahlungsreihenfolge entscheiden, das heißt derjenige nachfolgende Ort wird zuerst bestrahlt, für den die anderen nachfolgenden Orte entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung angeordnet sind. Die für die jeweiligen Bestrahlungskriterien geltenden Toleranzbereiche sind bevorzugt entsprechend demjenigen definiert, was als Unterschied in der Lage von Orten relativ zueinander beziehungsweise der Sprungzeiten noch als unter praktischen Gesichtspunkten relevant erachtet wird. Vorzugsweise sind die Toleranzbereiche parametrierbar.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um bei der Anwendung der Bestrahlungskriterien eine relative Lage von nacheinander mit dem Energiestrahl zu bestrahlender Bestrahlungspositionen zueinander entlang der Schutzgas-Strömungsrichtung zu berücksichtigen. Dies erlaubt vorteilhaft insbesondere eine gewisse Flexibilisierung des Verfahrens insoweit, als betrachtet wird, ob ein auch als Bestrahlungsposition bezeichneter, zu bestrahlender Ort tatsächlich innerhalb einer Einflusszone eines anderen mit dem Energiestrahl zu bestrahlenden Orts, also einer anderen Bestrahlungsposition, liegt. Wird dabei festgestellt, dass zwei Orte mit Bezug aufeinander nicht in ihrer jeweiligen Einflusszone liegen, bedarf es insbesondere keiner Anwendung des ersten Bestrahlungskriteriums mit Bezug auf diese beiden Orte oder Bestrahlungspositionen, sodass für diese unmittelbar - ohne weitere Betrachtung - das zweite Bestrahlungskriterium angewendet werden kann. Dabei kann insbesondere die Produktivität der Fertigungseinrichtung hoch sein, wenn - unabhängig von dem betrachteten Bauteilbereich und/oder dem gewählten Gewichtungsmodus - das erste Bestrahlungskriterium stets nur für diejenigen Bestrahlungspositionen angewendet wird, die tatsächlich relativ zueinander in einer jeweiligen Einflusszone angeordnet sind.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um die Bestrahlungskriterien anzuwenden auf mindestens eine Bestrahlung des Arbeitsbereichs mit dem Energiestrahl, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem Bestrahlungsvektor, einer Bestrahlungskurve, und einer Vektorgruppe. Auf diese Weise kann insbesondere vorteilhaft gewährleistet werden, dass eine lokale Verlagerung des Energiestrahls zumindest abschnittsweise und/oder zumindest komponentenweise entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung erfolgt.
Unter einem Bestrahlungsvektor wird insbesondere eine kontinuierliche, lineare Verlagerung des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich über eine bestimmte Strecke mit bestimmter Verlagerungsrichtung verstanden.
Dass die Verlagerung kontinuierlich erfolgt, bedeutet hier und im Folgenden insbesondere, dass sie ohne Absetzen oder Unterbrechen des Energiestrahls, insbesondere ohne Sprung erfolgt. Dass die Bestrahlung linear erfolgt, bedeutet hier und im Folgenden insbesondere, dass sie entlang einer Geraden erfolgt. Da der Bestrahlungsvektor die Richtung der Verlagerung einschließt, kann stets entschieden werden, ob die Bestrahlung zumindest komponentenweise entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung erfolgt.
Unter einer Bestrahlungskurve wird insbesondere eine kontinuierliche, zumindest bereichsweise nichtlineare, das heißt insbesondere zumindest bereichsweise gekrümmte, Verlagerung des Energiestrahls mit bestimmter Orientierung der Verlagerung entlang der Bestrahlungskurve verstanden. Unter einer bestimmten Orientierung entlang der Bestrahlungskurve wird dabei verstanden, dass die Reihenfolge, in welcher die auf der Bestrahlungskurve liegenden Orte des Arbeitsbereichs mit dem Energiestrahl überstrichen werden, definiert ist. Die Verlagerung entlang der Bestrahlungskurve kann bereichsweise linear erfolgen. Es ist auch möglich, dass die Verlagerung entlang der gesamten Bestrahlungskurve auf einer gekrümmten Bahn erfolgt. Ein spezieller Fall einer Bestrahlungskurve ist insbesondere eine Konturfahrt, bei welcher der Energiestrahl entlang einer Bauteilkontur, das heißt insbesondere einer Begrenzungslinie des Bauteils, verlagert wird.
Unter einer Vektorgruppe wird insbesondere eine Mehrzahl einander benachbarter, parallel zueinander ausgerichteter Bestrahlungsvektoren verstanden. Insbesondere sind die Bestrahlungsvektoren einer Vektorgruppe senkrecht zu der Verlagerungsrichtung des Energiestrahls innerhalb eines Bestrahlungsvektors versetzt zueinander, insbesondere nebeneinander, angeordnet. Eine solche Vektorgruppe kann insbesondere ein sogenanntes Hatch eines Hatchmusters, beispielsweise ein Schachbrettfeld eines Schachbrettmusters, sein. Die einzelnen Bestrahlungsvektoren einer Vektorgruppe können parallel oder antiparallel zueinander orientiert sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um die Bestrahlungskriterien anzuwenden auf mindestens eine Abfolge von Bestrahlungen des Arbeitsbereichs mit dem Energiestrahl, wobei die mindestens eine Abfolge ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Abfolge von mindestens zwei Bestrahlungsvektoren, einer Abfolge von mindestens zwei Bestrahlungskurven, einer Abfolge von mindestens zwei Vektorgruppen, und einer Abfolge von mindestens zwei Inselabschnitten des zu fertigenden Bauteils. Auf diese Weise kann insbesondere vorteilhaft auch eine diskontinuierliche Verlagerung des Energiestrahls entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung erfolgen.
Eine Abfolge von Bestrahlungen bedeutet dabei insbesondere, dass der Energiestrahl zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bestrahlungen abgesetzt oder unterbrochen wird, sodass der Energiestrahl auf dem Arbeitsbereich von einer ersten Bestrahlung zu einer zweiten Bestrahlung springt. Mit der Abfolge von Bestrahlungen wird somit insbesondere ein Sprungvektor für den Energiestrahl betrachtet, wobei der Sprungvektor bevorzugt zumindest komponentenweise entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Dabei kann es sich um einen Sprungvektor zwischen zwei Bestrahlungsvektoren, einen Sprungvektor zwischen zwei Bestrahlungskurven, einen Sprungvektor zwischen zwei Vektorgruppen, aber auch um einen Sprungvektor zwischen zwei Inselabschnitten des zu fertigenden Bauteils handeln.
Unter einem Inselabschnitt wird insbesondere ein Bauteilabschnitt des zu fertigenden Bauteils verstanden, der bestimmungsgemäß nach vollendeter Bestrahlung einer Pulvermaterialschicht von anderen Bauteilabschnitten innerhalb derselben Pulvermaterialschicht ringsum durch nicht verfestigtes Pulvermaterial getrennt ist. Ein Inselabschnitt des Bauteils weist also innerhalb seiner zugeordneten Pulvermaterialschicht keinerlei Verbindungspfad aus verfestigtem Pulvermaterial zu einem anderen Bauteilabschnitt derselben Pulvermaterialschicht auf. Dies bedeutet insbesondere, dass der Energiestrahl diskontinuierlich von einem Inselabschnitt zum nächsten Inselabschnitt gelangen muss.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um eine lokale Überhitzung des Arbeitsbereichs durch Berücksichtigen einer bestimmten Wartezeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bestrahlungen am selben Ort oder in unmittelbarer Nachbarschaft zu vermeiden. An bestimmten Orten oder Bestrahlungspositionen ist es für eine verbesserte Glättung oder Politur einer Bauteiloberfläche nötig oder vorteilhaft, am selben Ort oder in unmittelbar benachbarten Orten mehrfache Bestrahlungen mit dem Energiestrahl vorzusehen. Erfolgt dies zeitlich unmittelbar nacheinander, droht eine Überhitzung des Arbeitsbereichs an einem entsprechenden Ort, wodurch wiederum die Bauteilqualität herabgesetzt werden kann. Es wird daher in solch einem Fall vorteilhaft eine bestimmte Wartezeit definiert, die vergehen muss, bevor die nachfolgende Bestrahlung nach der vorhergehenden Bestrahlung durchgeführt werden darf. Die Steuereinrichtung ist nun bevorzugt eingerichtet, um mit dem Energiestrahl eine nächste Bestrahlungsposition anzuspringen, wenn die bestimmte Wartezeit an der momentanen Bestrahlungsposition länger ist als eine Sprungzeit zu der nächsten Bestrahlungsposition. Somit kann die Wartezeit vorteilhaft genutzt werden, um bereits an einem anderen Ort den Arbeitsbereich weiter zu bestrahlen.
Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung bevorzugt eingerichtet, um während der bestimmten Wartezeit die nächste Bestrahlungsposition dann anzuspringen, wenn die momentane Bestrahlungsposition relativ zu der nächsten Bestrahlungsposition nicht innerhalb der Einflusszone der nächsten Bestrahlungsposition liegt. Es wird also geprüft, ob sich die Bestrahlung des Arbeitsbereichs an einer nächsten Bestrahlungsposition durch Eintrag von Störmaterialien negativ auf die momentane Bestrahlungsposition auswirken kann. Ist dies nicht der Fall, da die momentane Bestrahlungsposition nicht in der Einflusszone der nächsten Bestrahlungsposition liegt, kann die nächste Bestrahlungsposition ohne Gefahr für die Qualität des Bauteils bestrahlt werden, während die bestimmte Wartezeit vergeht. Auf diese Weise kann die bestimmte Wartezeit sinnvoll genutzt werden, wodurch die Fertigungseinrichtung besonders effizient ist. Ist die bestimmte Wartezeit abgelaufen, kann an die momentane Bestrahlungsposition zurückgesprungen werden, und die weitere Bestrahlung kann an der momentanen Bestrahlungsposition durchgeführt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens zwei verschiedenen Bauteilbereiche ausgewählt sind aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Bauteilfläche innerhalb des Arbeitsbereichs, einer Bauteilkontur, und einer Stützgeometrie. Insbesondere für diese verschiedenen Bauteilbereiche können vorteilhaft verschiedene Gewichtungen der Bestrahlungskriterien gewählt werden. Dabei wird unter einer Bauteilfläche insbesondere ein zusammenhängender Bereich innerhalb des Arbeitsbereichs verstanden, in dem Pulvermaterial mittels des Energiestrahls verfestigt wird. Unter einer Bauteilkontur wird insbesondere eine Begrenzungslinie verstanden, die einen Bereich von verfestigtem oder noch zu verfestigenden Pulvermaterial von bestimmungsgemäß nicht bestrahltem und entsprechen nicht verfestigtem Pulvermaterial trennt. Eine Bauteilkontur kann insbesondere mittels einer Konturfahrt bestrahlt werden. Unter einer Stützgeometrie wird ein Bauteilbereich verstanden, der eine stützende Funktion bei der Erstellung eines Rohbaus des Bauteils erfüllt, jedoch vor einer Fertigstellung des Bauteils - nach der additiven Fertigung des Rohbaus in der Fertigungseinrichtung - entfernt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um für eine Bauteilfläche den ersten Gewichtungsmodus anzuwenden, bevorzugt dabei insbesondere das erste Bestrahlungskriterium ausschließlich anzuwenden. Bauteilflächen werden also in bevorzugter Ausgestaltung streng entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung bestrahlt.
Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung bevorzugt eingerichtet, um für eine Stützgeometrie den zweiten Gewichtungsmodus anzuwenden, bevorzugt dabei insbesondere das zweite Bestrahlungskriterium ausschließlich anzuwenden. Da es bei einer Stützgeometrie nicht auf die erzielte Qualität ankommt, kann für deren Ausbildung die Schutzgasströmung vorteilhaft komplett ignoriert werden, wobei die Fertigung rein zeit- und effizienzoptimiert erfolgt. Dies ist ganz besonders der Fall, wenn eine Mehrzahl von Energiestrahlen in sogenannten Multilaseranlagen simultan zur Herstellung eines Bauteils verwendet werden; für Stützgeometrien kann vorteilhaft auch der negative Einfluss von Schmauch anderer Energiestrahlen ignoriert werden. Alternativ oder zusätzlich kann gegebenenfalls eine Reihenfolge der Abarbeitung verschiedener Bestrahlungsvektoren oder Bestrahlungsvektortypen zumindest teilweise zugunsten von Effizienz und Leistung flexibilisiert werden.
Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um für eine Bauteilkontur den dritten Gewichtungsmodus anzuwenden und somit das erste Bestrahlungskriterium und das zweite Bestrahlungskriterium anteilig zu berücksichtigen. Insbesondere wird eine Bauteilkontur bevorzugt nach Möglichkeit entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung bestrahlt, wobei jedoch zugleich bevorzugt Sprungzeiten oberhalb eines vorbestimmten Sprungzeit-Maximums vermieden werden.
Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um verschiedene Gewichtungsmodi anzuwenden für Überhangbereiche, Deckschichtbereiche und Volumenbereiche des zu fertigenden Bauteils.
Ein Überhangbereich ist ein Bereich innerhalb einer Pulvermaterialschicht, unterhalb von dem, das heißt in darunterliegenden Pulvermaterialschichten, sich nicht-verfestigtes Pulvermaterial befindet. Ein solcher Überhang wird auch als „down skin“ bezeichnet. Dieser Begriff bezeichnet auch die unterste Pulvermaterialschicht, die verfestigtes Pulvermaterial umfasst, das heißt eine Bodenfläche des Bauteils.
Ein Deckschichtbereich ist ein Bereich innerhalb einer Pulvermaterialschicht, oberhalb von dem, das heißt in darüberliegenden Pulvermaterialschichten, sich nicht-verfestigtes Pulvermaterial befindet. Ein solcher Deckschichtbereich wird auch als „up skin“ bezeichnet. Dieser Begriff bezeichnet auch die oberste Pulvermaterialschicht, die noch verfestigtes Pulvermaterial umfasst, das heißt eine Deckfläche oder Dachfläche oder oberste Fläche des Bauteils.
Ein Volumenbereich ist ein Bereich innerhalb einer Pulvermaterialschicht, der allseitig, insbesondere innerhalb der Pulvermaterialschicht, aber auch oberhalb und unterhalb der gerade bearbeiteten Pulvermaterialschicht, in dem fertiggestellten Bauteil von verfestigtem Pulvermaterial umgeben ist. Ein solcher Bereich wird auch als „in skin“-Bereich bezeichnet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strahlerzeugungseinrichtung als Laser ausgebildet ist. Der Energiestrahl wird somit vorteilhaft als intensiver Strahl kohärenter elektromagnetischer Strahlung, insbesondere kohärenten Lichts, erzeugt. Bestrahlung bedeutet insoweit bevorzugt Belichtung.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fertigungseinrichtung eingerichtet ist zum selektiven Lasersintern. Alternativ oder zusätzlich ist die Fertigungseinrichtung eingerichtet zum selektiven Laserschmelzen. Diese Ausgestaltungen der Fertigungseinrichtung haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial mittels einer erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung oder einer Fertigungseinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele geschaffen wird, wobei ein Arbeitsbereich lokal selektiv mit dem Energiestrahl bestrahlt wird, um mittels des Energiestrahls das Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial herzustellen, wobei über dem Arbeitsbereich eine Schutzgasströmung mit einer bestimmten Schutzgas-Strömungsrichtung erzeugt wird, wobei für die Bestrahlung des Arbeitsbereichs mit dem Energiestrahl in mindestens zwei verschiedenen Bauteilbereichen mindestens zwei Bestrahlungskriterien verschieden gewichtet werden, und wobei die Bestrahlungskriterien ausgewählt sind aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Bestrahlung entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung, und einer Sprungzeit für einen diskontinuierlichen Versatz des Energiestrahls.
In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Fertigungseinrichtung erläutert wurden.
Vorzugsweise wird im Rahmen des Verfahrens in einem ersten Gewichtungsmodus das erste Bestrahlungskriterium - insbesondere ausschließlich - angewendet, in einem zweiten Gewichtungsmodus wird - insbesondere ausschließlich - das zweite Bestrahlungskriterium angewendet, und einem dritten Gewichtungsmodus werden das erste Bestrahlungskriterium und der zweite Bestrahlungskriterium anteilig berücksichtigt.
Insbesondere wird bevorzugt für die mindestens zwei verschiedenen Bauteilbereiche jeweils ein anderer Gewichtungsmodus verwendet.
Vorzugsweise werden die Bestrahlungskriterien in dem dritten Gewichtungsmodus mit variablen Gewichtungsanteilen berücksichtigt.
Vorzugsweise wird in dem ersten Gewichtungsmodus innerhalb eines für das erste Bestrahlungskriterium bestimmten ersten Toleranzbereichs das zweite Bestrahlungskriterium angewendet, und/oder es wird in dem zweiten Gewichtungsmodus innerhalb eines für das zweite Bestrahlungskriterium bestimmten zweiten Toleranzbereichs das erste Bestrahlungskriterium angewendet.
Vorzugsweise wird bei der Anwendung der Bestrahlungskriterien eine Lage von nacheinander mit dem Energiestrahl zu bestrahlenden Bestrahlungspositionen relativ zueinander entlang der Schutzgas-Strömungsrichtung berücksichtigt.
Vorzugsweise werden die Bestrahlungskriterien auf mindestens eine Bestrahlung des Arbeitsbereichs mit dem Energiestrahl angewendet, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem Bestrahlungsvektor, einer Bestrahlungskurve, und einer Vektorgruppe.
Vorzugsweise werden die Bestrahlungskriterien angewendet auf mindestens eine Abfolge von Bestrahlungen des Arbeitsbereichs mit dem Energiestrahl, wobei die mindestens eine Abfolge ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Abfolge von mindestens zwei Bestrahlungsvektoren, einer Abfolge von mindestens zwei Bestrahlungskurven, einer Abfolge von mindestens zwei Vektorgruppen, und einer Abfolge von mindestens zwei Inselabschnitten des zu fertigenden Bauteils.
Vorzugsweise wird eine lokale Überhitzung des Arbeitsbereichs vermieden, indem eine bestimmte Wartezeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bestrahlungen am selben Ort oder in unmittelbarer Nachbarschaft berücksichtigt wird, wobei mit dem Energiestrahl eine nächste Bestrahlungsposition angesprungen wird, wenn die bestimmte Wartezeit an der momentanen Bestrahlungsposition länger ist als eine Sprungzeit zu der nächsten Bestrahlungsposition, und/oder es wird während der bestimmten Wartezeit die nächste Bestrahlungsposition angesprungen, wenn die momentane Bestrahlungsposition relativ zu der nächsten Bestrahlungsposition nicht innerhalb der Einflusszone der nächsten Bestrahlungsposition liegt.
Die verschiedenen Bauteilbereiche sind bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Bauteilfläche innerhalb des Arbeitsbereichs, einer Bauteilkontur, und einer Stützgeometrie.
Als Strahlerzeugungseinrichtung wird vorzugsweise ein Laser verwendet.
Vorzugsweise wird das Bauteil mittels selektiven Lasersinterns und/oder selektiven Laserschmelzens gefertigt.
Als Pulvermaterial kann in bevorzugter Weise insbesondere ein metallisches oder keramisches Pulver verwendet werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel einer Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial, und
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum additiven Fertigen eines Bauteils.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungseinrichtung 1 zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial, wobei die Fertigungseinrichtung 1 eine Strahlerzeugungseinrichtung 5 aufweist, die eingerichtet ist zum Erzeugen eines Energiestrahls 7. Außerdem weist die Fertigungseinrichtung 1 eine Scannereinrichtung 9 auf, die eingerichtet ist, um einen Arbeitsbereich 11 lokal selektiv mit dem Energiestrahl 7 zu bestrahlen, um mittels des Energiestrahls 7 ein Bauteil 3 aus dem in dem Arbeitsbereich 11 angeordneten Pulvermaterial herzustellen. Außerdem weist die Fertigungseinrichtung 1 eine Schutzgaseinrichtung 13 auf, die eingerichtet ist, um eine Schutzgasströmung mit einer definierten Schutzgas-Strömungsrichtung über dem Arbeitsbereich 11 zu erzeugen. Die Schutzgas-Strömungsrichtung ist hier anhand von Pfeilen dargestellt, von denen einer mit dem Bezugszeichen P1 bezeichnet ist. Außerdem weist die Fertigungseinrichtung 1 eine Steuereinrichtung 15 auf, die mit der Scannereinrichtung 9 wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannereinrichtung 9 anzusteuern. Die Steuereinrichtung 15 ist außerdem eingerichtet, um für die Bestrahlung des Arbeitsbereichs 11 mit dem Energiestrahl 7 als ein erstes Bestrahlungskriterium eine Bestrahlung entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung P1 und als ein zweites Bestrahlungskriterium eine Sprungzeit für einen diskontinuierlichen Versatz des Energiestrahls 7 zu verwenden. Die Steuereinrichtung 15 ist außerdem eingerichtet, um für mindestens zwei verschiedene Bauteilbereiche des zu fertigenden Bauteils 3, insbesondere einen ersten Bauteilbereich 17, einen zweiten Bauteilbereich 19 und einen dritten Bauteilbereich 21, die Bestrahlungskriterien verschieden zu gewichten. Auf diese Weise kann insbesondere ein möglichst geeigneter Kompromiss aus Qualität und Produktivität für das Bauteil 3 unter Berücksichtigung der verschiedenen Bauteilbereiche 17, 19, 21 gefunden werden.
Gemäß der hier für 1 gewählten Darstellung sind der erste Bauteilbereich 17 und der zweite Bauteilbereich 19 insbesondere Inselabschnitte 23 des Bauteils 3, das heißt solche Bauteilabschnitte innerhalb derselben Pulvermaterialschicht, die nach vollendeter Bestrahlung der Pulvermaterialschicht jeweils ringsum durch nicht verfestigtes Pulver umgeben und voneinander getrennt sind. Die Bauteilbereiche 17,19 sind ihrerseits wiederum unterteilt in verschiedene Bauteilbereiche, für die die Bestrahlungskriterien verschieden gewichtet werden können, nämlich insbesondere für den ersten Bauteilbereich 17 eine erste Bauteilkontur 17.1 und eine erste Bauteilfläche 17.2, und für den zweiten Bauteilbereich 19 eine zweite Bauteilkontur 19.1 und eine zweite Bauteilfläche 19.2. Die Bauteilkonturen 17.1, 19.1 sind hier zur besseren Verdeutlichung übertrieben breit dargestellt. Der dritte Bauteilbereich 21 ist gemäß 1 insbesondere eine Stützgeometrie 25, der lediglich funktionale Bedeutung bei der Fertigung des Bauteils 3 zukommt, die aber anschließend entfernt wird und somit nicht Bestandteil des fertiggestellten Bauteils 3 ist.
Die Steuereinrichtung 15 ist insbesondere eingerichtet, um in einem ersten Gewichtungsmodus - insbesondere ausschließlich - das erste Bestrahlungskriterium anzuwenden, um in einem zweiten Gewichtungsmodus - insbesondere ausschließlich - das zweite Bestrahlungskriterium anzuwenden, und um in einem dritten Gewichtungsmodus das erste Bestrahlungskriterium und das zweite Bestrahlungskriterium anteilig anzuwenden. Die Steuereinrichtung 15 ist insbesondere eingerichtet, um für die mindestens zwei verschiedenen Bauteilbereiche 17, 17.1 , 17.2, 19, 19.1, 19.2, 21 jeweils einen anderen Gewichtungsmodus, ausgewählt aus dem ersten Gewichtungsmodus, dem zweiten Gewichtungsmodus und dem dritten Gewichtungsmodus, zu verwenden. Dabei kann in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 15 für die Bauteilflächen 17.2, 19.2 ausschließlich das erste Bestrahlungskriterium anwendet, also den ersten Gewichtungsmodus zur Anwendung bringt, wobei sie für die Stützgeometrie 25 den zweiten Gewichtungsmodus, insbesondere ausschließlich das zweite Bestrahlungskriterium, anwendet, und wobei sie die Bauteilkonturen 17.1, 19.1 den dritten Gewichtungsmodus anwendet und dabei insbesondere nach Möglichkeit eine Bestrahlung entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung P1 vornimmt, hiervon aber insbesondere zur Vermeidung zu großer Sprungzeiten abweichen kann.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung 15 eingerichtet, um in dem dritten Gewichtungsmodus die Bestrahlungskriterien mit variablen Gewichtungsanteilen, insbesondere für verschiedene Bauteilbereiche 17, 19, 21, zu berücksichtigen.
Die Steuereinrichtung 15 ist bevorzugt eingerichtet, um die Bestrahlungskriterien anzuwenden auf mindestens eine Bestrahlung des Arbeitsbereichs 11 mit dem Energiestrahl 7, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem Bestrahlungsvektor 27 - wobei hier der besseren Übersichtlichkeit wegen nur einer der dargestellten Bestrahlungsvektoren 27 mit einem Bezugszeichen versehen ist, einer Bestrahlungskurve 29 - wobei es sich insbesondere um eine Konturfahrt entlang einer Bauteilkontur 17.1, 19.1 handeln kann, und einer Vektorgruppe 31.
Die Steuereinrichtung 15 ist bevorzugt eingerichtet, um die Bestrahlungskriterien anzuwenden auf mindestens eine Abfolge von Bestrahlungen des Arbeitsbereichs 11 mit dem Energiestrahl 7, insbesondere auf einen Sprungvektor zwischen den Bestrahlungen, wobei die mindestens eine Abfolge ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einer Abfolge von mindestens zwei Bestrahlungsvektoren 27, einer Abfolge von mindestens zwei Bestrahlungskurven 29, einer Abfolge von mindestens zwei Vektorgruppen 31, und einer Abfolge von mindestens zwei Inselabschnitten 23 des zu fertigenden Bauteils 3.
Die Strahlerzeugungseinrichtung 5 ist bevorzugt als Laser ausgebildet.
Die Fertigungseinrichtung 1 ist bevorzugt eingerichtet zum selektiven Lasersintern und/oder zum selektiven Laserschmelzen.
Im Rahmen eines Verfahrens zum additiven Fertigen des Bauteils 3 aus einem Pulvermaterial mittels der Fertigungseinrichtung 1 wird der Arbeitsbereich 11 lokal selektiv mit dem Energiestrahl 7 bestrahlt, um mittels des Energiestrahls 7 das Bauteil 3 aus dem in dem Arbeitsbereich 11 angeordneten Pulvermaterial herzustellen, wobei über dem Arbeitsbereich 11 die Schutzgasströmung mit der bestimmten Schutzgas-Strömungsrichtung P1 erzeugt wird, wobei für die Bestrahlung des Arbeitsbereichs 11 mit dem Energiestrahl 7 in mindestens zwei verschiedenen Bauteilbereichen 17, 19, 21 mindestens zwei Bestrahlungskriterien verschieden gewichtet werden, wobei die Bestrahlungskriterien ausgewählt sind aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Bestrahlung entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung P1, und einer Sprungzeit für einen diskontinuierlichen Versatz des Energiestrahls 7.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Bei a) ist schematisch dargestellt, dass in bevorzugter Ausgestaltung in dem ersten Gewichtungsmodus innerhalb eines für das erste Bestrahlungskriterium bestimmten ersten Toleranzbereichs das zweite Bestrahlungskriterium angewendet wird: Insoweit ist hier eine momentane erste Bestrahlungsposition A dargestellt, von der ausgehend entschieden werden soll, ob als nächste Bestrahlungsposition eine zweite Bestrahlungsposition B oder eine dritte Bestrahlungsposition C angesprungen wird. In dem ersten Gewichtungsmodus wird hierfür vorrangig, insbesondere ausschließlich, die relative Lage der zweiten Bestrahlungsposition B und der dritten Bestrahlungsposition C zueinander entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung P1, das heißt entlang einer mit x bezeichneten Koordinate, herangezogen. Ist aber nun ein Unterschied Δx in der Lage der zweiten Bestrahlungsposition B und der dritten Bestrahlungsposition C entlang der Koordinate x kleiner als ein vorbestimmter erster Toleranzbereich Δx_T, kann stattdessen auch in dem ersten Gewichtungsmodus - quasi ausnahmsweise - das zweite Bestrahlungskriterium, nämlich die Sprungzeit zu den verschiedenen Bestrahlungspositionen B, C herangezogen werden. Die verschiedenen Sprungzeiten sind hier durch Pfeile verschiedener Länge dargestellt, wobei die Länge der Pfeile die Länge der jeweiligen Sprungzeit symbolisiert. Eine erste Sprungzeit t₁ zu der zweiten Bestrahlungsposition B ist kleiner als eine zweite Sprungzeit t₂ zu der dritten Bestrahlungsposition C. In diesem Fall wird also nach der momentanen ersten Bestrahlungsposition A unter Anwendung des vorbestimmten ersten Toleranzbereichs Δx_T zunächst die zweite Bestrahlungsposition B angesprungen und erst danach die dritte Bestrahlungsposition C, obwohl die dritte Bestrahlungsposition C mit Bezug auf die Schutzgas-Strömungsrichtung P1 stromabwärts der zweiten Bestrahlungsposition B angeordnet ist. Dies entspricht somit einer Anwendung des ersten Gewichtungsmodus unter Einbeziehung einer Toleranz.
Bei b) ist in entsprechender Weise dargestellt, dass bevorzugt in dem zweiten Gewichtungsmodus innerhalb eines für das zweite Bestrahlungskriterium, das heißt die Sprungzeit, bestimmten zweiten Toleranzbereichs Δt_T das erste Bestrahlungskriterium angewendet werden kann. Hier ist ein Unterschied Δt in den Sprungzeiten t₁, t₂ von der momentan ersten Bestrahlungsposition A zu der zweiten Bestrahlungsposition B einerseits und zu der dritten Bestrahlungsposition C andererseits kleiner als der zweite Toleranzbereich Δt_T, sodass in diesem Fall in dem zweiten Gewichtungsmodus das erste Bestrahlungskriterium, also die Lage der zweiten Bestrahlungsposition B relativ zu der dritten Bestrahlungsposition C mit Bezug auf die Schutzgas-Strömungsrichtung P1, entscheidet. In diesem Fall wird zuerst die zweite Bestrahlungsposition B angesprungen, da diese stromabwärts der dritten Bestrahlungsposition C angeordnet ist. Dies entspricht demnach einer Anwendung des zweiten Gewichtungsmodus unter Einbeziehung einer Toleranz.
Bei c) ist schematisch dargestellt, dass bei der Anwendung der Bestrahlungskriterien bevorzugt eine Lage der nacheinander mit dem Energiestrahl 7 zu bestrahlenden Bestrahlungspositionen relativ zueinander entlang der Schutzgas-Strömungsrichtung P1 berücksichtigt wird. Insoweit ist hier eine Einflusszone 33 für die zweite Bestrahlungsposition B dargestellt, in die Störmaterialien bei der Bestrahlung des Arbeitsbereichs 11 an der zweiten Bestrahlungsposition B aufgrund der Schutzgasströmung eingetragen werden können. Bereiche außerhalb der Einflusszone 33 bleiben unbeeinträchtigt. In der hier bei c) dargestellten Konstellation kann selbst bei Anwendung des ersten Gewichtungsmodus entschieden werden, aufgrund der kürzeren ersten Sprungzeit t₁ zuerst die zweite Bestrahlungsposition B anzuspringen, obwohl diese stromaufwärts der dritten Bestrahlungsposition C liegt, da die dritte Bestrahlungsposition C außerhalb der Einflusszone 33 der zweiten Bestrahlungsposition B angeordnet ist. Es mindert also in keiner Weise die Bauteilqualität an der dritten Bestrahlungsposition C, wenn die Bestrahlung zunächst an der zweiten Bestrahlungsposition B vorgenommen wird. Vorteilhaft wird dabei die kürzere erste Sprungzeit t₁ statt der längeren zweiten Sprungzeit t₂ verwirklicht. Es ist im Übrigen möglich, dass nach der zweiten Bestrahlungsposition B nicht zwingend sofort die dritte Bestrahlungsposition C angesprungen wird, sondern es können vielmehr andere, hier nicht dargestellte, nähere Bestrahlungspositionen angesprungen werden, um auch insgesamt insbesondere Sprungzeitvorteile zu realisieren. Die hier gewählte Darstellung ist daher insoweit äußerst schematisch und soll nur die im Rahmen des Verfahrens grundsätzlich anwendbaren Entscheidungsprinzipien in möglichst einfacher Darstellung verdeutlichen.
In bevorzugter Ausgestaltung wird weiterhin eine lokale Überhitzung des Arbeitsbereichs 11 vermieden, indem eine bestimmte Wartezeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bestrahlungen am selben Ort oder in unmittelbarer Nachbarschaft berücksichtigt wird. Dabei wird vorzugsweise insbesondere mit dem Energiestrahl 7 eine nächste Bestrahlungsposition B angesprungen, wenn die bestimmte Wartezeit an der momentanen Bestrahlungsposition A länger ist als eine Sprungzeit zu der nächsten Bestrahlungsposition B.
Alternativ oder zusätzlich wird während der bestimmten Wartezeit die nächste Bestrahlungsposition B angesprungen, wenn die momentane Bestrahlungsposition A relativ zu der nächsten Bestrahlungsposition B nicht innerhalb von deren Einflusszone 33 liegt. Mit Bezug auf 2c) kann dies verdeutlicht werden: Soll beispielsweise hier die momentane erste Bestrahlungsposition A mehrfach bestrahlt werden, ist es möglich, während der bestimmten Wartezeit die zweite, nächste Bestrahlungsposition B anzuspringen, da die momentane erste Bestrahlungsposition A nicht innerhalb der Einflusszone 33 der zweiten Bestrahlungsposition B liegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2956262 B1 [0003]

Claims

Fertigungseinrichtung (1) zum additiven Fertigen von Bauteilen (3) aus einem Pulvermaterial, mit - einer Strahlerzeugungseinrichtung (5), die eingerichtet ist zum Erzeugen eines Energiestrahls (7), - einer Scannereinrichtung (9), die eingerichtet ist, um einen Arbeitsbereich (11) lokal selektiv mit dem Energiestrahl (7) zu bestrahlen, um mittels des Energiestrahls (7) ein Bauteil (3) aus dem in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterial herzustellen, - einer Schutzgaseinrichtung (13), die eingerichtet ist, um eine Schutzgasströmung mit definierter Schutzgas-Strömungsrichtung (P1) über dem Arbeitsbereich (11) zu erzeugen, und mit - einer Steuereinrichtung (15), die mit der Scannereinrichtung (9) wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannereinrichtung (9) anzusteuern, wobei - die Steuereinrichtung (15) eingerichtet ist, um für die Bestrahlung des Arbeitsbereichs (11) mit dem Energiestrahl (7) als ein erstes Bestrahlungskriterium eine Bestrahlung entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung (P1) und als ein zweites Bestrahlungskriterium eine Sprungzeit für einen diskontinuierlichen Versatz des Energiestrahls (7) zu verwenden, wobei - die Steuereinrichtung (15) eingerichtet ist, um für mindestens zwei verschiedene Bauteilbereiche (17,19,21) eines zu fertigenden Bauteils (3) die Bestrahlungskriterien verschieden zu gewichten.
Fertigungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (15) eingerichtet ist, um - in einem ersten Gewichtungsmodus das erste Bestrahlungskriterium anzuwenden, - in einem zweiten Gewichtungsmodus das zweite Bestrahlungskriterium anzuwenden, und - in einem dritten Gewichtungsmodus das erste Bestrahlungskriterium und das zweite Bestrahlungskriterium anteilig zu berücksichtigen, wobei - die Steuereinrichtung (15) insbesondere eingerichtet ist, um für die mindestens zwei verschiedenen Bauteilbereiche (17,19,21) jeweils einen anderen Gewichtungsmodus, ausgewählt aus dem ersten Gewichtungsmodus, dem zweiten Gewichtungsmodus und dem dritten Gewichtungsmodus, zu verwenden.
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (15) eingerichtet ist, um in dem dritten Gewichtungsmodus die Bestrahlungskriterien mit variablen Gewichtungsanteilen, insbesondere für verschiedene Bauteilbereiche (17,19,21), zu berücksichtigen.
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (15) eingerichtet ist, um in dem ersten Gewichtungsmodus innerhalb eines für das erste Bestrahlungskriterium bestimmten ersten Toleranzbereichs (Δx_T) das zweite Bestrahlungskriterium anzuwenden, und/oder um in dem zweiten Gewichtungsmodus innerhalb eines für das zweite Bestrahlungskriterium bestimmten zweiten Toleranzbereichs (Δt_T) das erste Bestrahlungskriterium anzuwenden.
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (15) eingerichtet ist, um bei der Anwendung der Bestrahlungskriterien eine Lage von nacheinander mit dem Energiestrahl zu bestrahlenden Bestrahlungspositionen (A,B,C) relativ zueinander entlang der Schutzgas-Strömungsrichtung (P1) zu berücksichtigen.
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (15) eingerichtet ist, um die Bestrahlungskriterien anzuwenden auf mindestens eine Bestrahlung des Arbeitsbereichs (11) mit dem Energiestrahl (7), die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem Bestrahlungsvektor (27), einer Bestrahlungskurve (29), und einer Vektorgruppe (31).
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (15) eingerichtet ist, um die Bestrahlungskriterien anzuwenden auf mindestens eine Abfolge von Bestrahlungen des Arbeitsbereichs (11) mit dem Energiestrahl (7), wobei die mindestens eine Abfolge ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Abfolge von mindestens zwei Bestrahlungsvektoren (27), einer Abfolge von mindestens zwei Bestrahlungskurven (29), einer Abfolge von mindestens zwei Vektorgruppen (31), und einer Abfolge von mindestens zwei Inselabschnitten (23) des zu fertigenden Bauteils (3).
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (15) eingerichtet ist, um eine lokale Überhitzung des Arbeitsbereichs (11) durch Berücksichtigen einer bestimmten Wartezeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bestrahlungen am selben Ort oder in unmittelbarer Nachbarschaft zu vermeiden, wobei die Steuereinrichtung (15) außerdem eingerichtet ist, um - mit dem Energiestrahl (7) eine nächste Bestrahlungsposition (B) anzuspringen, wenn die bestimmte Wartezeit an der momentanen Bestrahlungsposition (A) länger ist als eine Sprungzeit zu der nächsten Bestrahlungsposition (B), und/oder - während der bestimmten Wartezeit die nächste Bestrahlungsposition (B) anzuspringen, wenn die momentane Bestrahlungsposition (A) relativ zu der nächsten Bestrahlungsposition (B) nicht innerhalb einer durch die Schutzgas-Strömungsrichtung (P1) bestimmten Einflusszone (33) liegt.
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei verschiedenen Bauteilbereiche (17,19,21) ausgewählt sind aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Bauteilfläche (17.2,19.2) innerhalb des Arbeitsbereichs (11), einer Bauteilkontur (17.1,19.1), und einer Stützgeometrie (25).
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlerzeugungseinrichtung (5) als Laser ausgebildet ist.
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fertigungseinrichtung (1) eingerichtet ist zum selektiven Lasersintern und/oder zum selektiven Laserschmelzen.
Verfahren zum additiven Fertigen eines Bauteils (3) aus einem Pulvermaterial mittels einer Fertigungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein Arbeitsbereich (11) lokal selektiv mit dem Energiestrahl (7) bestrahlt wird, um mittels des Energiestrahls (7) das Bauteil (3) aus dem in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterial herzustellen, wobei über dem Arbeitsbereich (11) eine Schutzgasströmung mit einer bestimmten Schutzgas-Strömungsrichtung (P1) erzeugt wird, wobei für die Bestrahlung des Arbeitsbereichs (11) mit dem Energiestrahl (7) in mindestens zwei verschiedenen Bauteilbereichen (17,19,21) mindestens zwei Bestrahlungskriterien verschieden gewichtet werden, wobei die Bestrahlungskriterien ausgewählt sind aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Bestrahlung entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung (P1), und einer Sprungzeit für einen diskontinuierlichen Versatz des Energiestrahls (7).