DE102021103118A1 - Method for producing a three-dimensional workpiece by selectively irradiating a plurality of layers of raw material powder - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks durch selektives Bestrahlen einer Mehrzahl von Rohstoffpulverschichten bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Erzeugen einer Mehrzahl von ersten Strukturen in einer Anzahl von N ersten Rohstoffpulverschichten, wobei N 1 oder mehr ist. Die Mehrzahl von ersten Strukturen einander berühren nicht. Mindestens 75 % einer für die Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigten Fläche in einer untersten der N ersten Rohstoffpulverschichten steht in direktem Kontakt mit nicht verfestigtem Rohstoffpulver einer Rohstoffpulverschicht unter der untersten der N ersten Rohstoffpulverschichten. Das Verfahren umfasst ferner das Erzeugen einer Mehrzahl von zweiten Strukturen in einer Anzahl von M zweiten Rohstoffpulverschichten, wobei M gleich 1 oder mehr ist. Die Positionen der zweiten Strukturen sind in den M zweiten Schichten gleich. Die Mehrzahl von zweiten Strukturen berühren einander nicht. Jede der Mehrzahl von zweiten Strukturen wird mit mindestens zwei der Mehrzahl von ersten Strukturen über Überlappungsbereiche verbunden. Das Verfahren umfasst ferner das Erzeugen einer Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks derart, dass sich die Oberfläche und die für die Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigte Fläche in der untersten der N ersten Rohstoffpulverschichten in Bezug auf eine Blickrichtung senkrecht zu den Rohstoffpulverschichten zumindest teilweise überlappen.A method of manufacturing a three-dimensional workpiece by selectively irradiating a plurality of raw material powder layers is provided. The method comprises creating a plurality of first structures in a number of N first raw material powder layers, where N is 1 or more. The plurality of first structures do not touch each other. At least 75% of an area consolidated for the plurality of first structures in a bottommost of the N first layers of raw material powder is in direct contact with non-solidified layer of raw material powder under the bottommost of the N first layers of raw material powder. The method further includes creating a plurality of second structures in a number of M second raw material powder layers, where M is 1 or more. The positions of the second structures are the same in the M second layers. The plurality of second structures do not touch each other. Each of the plurality of second structures is connected to at least two of the plurality of first structures via overlapping areas. The method further includes generating a surface of the three-dimensional workpiece such that the surface and the surface consolidated for the plurality of first structures in the bottom of the N first raw material powder layers at least partially overlap with respect to a viewing direction perpendicular to the raw material powder layers.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks durch selektives Bestrahlen einer Mehrzahl von Rohstoffpulverschichten.The present invention relates to a method for manufacturing a three-dimensional workpiece by selectively irradiating a plurality of raw material powder layers.
Pulverbettschmelzen ist ein additives Schichtbauverfahren, durch das pulverförmige, insbesondere metallische und/oder keramische Rohstoffe zu dreidimensionalen Werkstücken mit komplexen Formen verarbeitet werden können. Dazu wird eine Rohstoffpulverschicht auf einen Träger aufgebracht und in Abhängigkeit der gewünschten Geometrie des herzustellenden Werkstücks ortsselektiv mit Strahlung (z. B. Laser- oder Partikelstrahlung) beaufschlagt. Die in die Pulverschicht eindringende Strahlung bewirkt eine Erwärmung und damit ein Aufschmelzen oder Sintern der Rohstoffpulverpartikel. Auf die bereits bestrahlte Schicht auf dem Träger werden dann sukzessive weitere Rohstoffpulverschichten aufgebracht, bis das Werkstück die gewünschte Form und Größe aufweist. Pulverbettschmelzen kann zur Herstellung von Prototypen, Werkzeugen, Ersatzteilen, hochwertigen Bauteilen oder medizinischen Prothesen, wie z. B. Zahnprothesen oder orthopädischen Prothesen, auf der Grundlage von CAD-Daten eingesetzt werden. Beispiele für Pulverbettschmelzverfahren sind das selektive Laserschmelzen und das selektive Lasersintern.Powder bed melting is an additive layer construction process that can be used to process powdered, in particular metallic and/or ceramic, raw materials into three-dimensional workpieces with complex shapes. For this purpose, a raw material powder layer is applied to a carrier and, depending on the desired geometry of the workpiece to be manufactured, radiation (e.g. laser or particle radiation) is applied to it in a location-selective manner. The radiation penetrating the powder layer causes heating and thus melting or sintering of the raw material powder particles. Further raw material powder layers are then successively applied to the already irradiated layer on the carrier until the workpiece has the desired shape and size. Powder bed melting can be used to manufacture prototypes, tools, spare parts, high value components or medical prostheses such as e.g. As dentures or orthopedic prostheses, are used on the basis of CAD data. Examples of powder bed melting processes are selective laser melting and selective laser sintering.
Es sind Vorrichtungen zur Herstellung eines oder mehrerer Werkstücke nach dem oben genannten Verfahren bekannt. So beschreiben beispielsweise
Wenn ein Werkstück durch eines der oben beschriebenen Verfahren hergestellt wird, ist bei den üblichen Verfahren häufig eine Stützstruktur erforderlich, um die während des Bauprozesses erzeugte Wärme abzuführen und/oder um mechanische Stabilität zu gewährleisten. Insbesondere horizontale Oberflächen des Werkstücks oder Oberflächen, die bezüglich des Trägers einen kleinen Winkel bilden, müssen bei den bekannten Verfahren durch eine Stützstruktur abgestützt werden. Stützstrukturen erfordern jedoch in der Regel viel Material, das nicht wiederverwendet werden kann. Die Herstellung der Stützstrukturen erfordert außerdem zusätzliche Zeit für die Bestrahlung. Außerdem muss die Stützstruktur in einem Nachbearbeitungsschritt entfernt werden, was oft zeitaufwendig und komplex und manchmal sogar unmöglich ist.When a workpiece is manufactured by any of the methods described above, the usual methods often require a support structure to dissipate the heat generated during the build process and/or to provide mechanical stability. In particular, horizontal surfaces of the workpiece or surfaces that form a small angle with respect to the carrier must be supported by a support structure in the known methods. However, support structures typically require a lot of material that cannot be reused. The fabrication of the support structures also requires additional time for irradiation. Also, the support structure must be removed in a post-processing step, which is often time-consuming and complex, and sometimes even impossible.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks durch selektives Bestrahlen einer Mehrzahl von Rohstoffpulverschichten bereitzustellen, wobei das Verfahren mindestens eines der oben genannten Probleme oder ein damit zusammenhängendes Problem vermeidet oder verringert. Insbesondere ist es wünschenswert, zumindest einen Teil der Stützstruktur(en) zu vermeiden, die bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erzeugt werden.It is therefore an object of the invention to provide a method for producing a three-dimensional workpiece by selectively irradiating a plurality of raw material powder layers, which method avoids or reduces at least one of the above problems or a problem related thereto. In particular, it is desirable to avoid at least some of the support structure(s) produced by prior art methods.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.This object is achieved by a method according to
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks durch selektives Bestrahlen einer Mehrzahl von Rohstoffpulverschichten bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Erzeugen einer Mehrzahl von ersten Strukturen in einer Anzahl von N ersten Rohstoffpulverschichten, wobei N 1 oder mehr ist. Die Mehrzahl von ersten Strukturen berühren einander nicht. Mindestens 75 % einer für die Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigten Fläche in einer untersten der N ersten Rohstoffpulverschichten ist in direktem Kontakt mit nicht verfestigtem Rohstoffpulver einer Rohstoffpulverschicht unter der untersten der N ersten Rohstoffpulverschichten. Das Verfahren umfasst ferner das Erzeugen einer Mehrzahl von zweiten Strukturen in einer Anzahl von M zweiten Rohstoffpulverschichten, wobei M gleich 1 oder mehr ist. Die Mehrzahl von zweiten Strukturen berühren einander nicht. Jede der Mehrzahl von zweiten Strukturen wird mit mindestens zwei der Mehrzahl von ersten Strukturen über Überlappungsbereiche verbunden. Das Verfahren umfasst ferner das Erzeugen einer Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks derart, dass sich die Oberfläche und die für die Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigte Fläche in der untersten der N ersten Rohstoffpulverschichten in Bezug auf eine zu den Rohstoffpulverschichten senkrechte Blickrichtung zumindest teilweise überlappen.According to a first aspect, there is provided a method for manufacturing a three-dimensional workpiece by selectively irradiating a plurality of raw material powder layers. The method comprises creating a plurality of first structures in a number of N first raw material powder layers, where N is 1 or more. The plurality of first structures do not touch each other. At least 75% of an area consolidated for the plurality of first structures in a bottommost of the N first layers of raw material powder is in direct contact with non-solidified layer of raw material powder under the bottommost of the N first layers of raw material powder. The method further includes creating a plurality of second structures in a number of M second raw material powder layers, where M is equal to 1 or more. The plurality of second structures do not touch each other. Each of the plurality of second structures is connected to at least two of the plurality of first structures via overlapping areas. The method further includes generating a surface of the three-dimensional workpiece such that the surface and the area solidified for the plurality of first structures in the bottommost of the N first raw material powder layers at least partially overlap with respect to a viewing direction perpendicular to the raw material powder layers.
Das Verfahren zur Herstellung des dreidimensionalen Werkstücks kann die üblichen Schritte von Pulverbettschmelzverfahren wie z B. Elektronenstrahlschmelzen, selektives Laserschmelzen oder selektives Lasersintern umfassen. Insbesondere kann das Verfahren das Aufbringen einer ersten Rohstoffpulverschicht auf einen Träger einer Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks umfassen. Die erste Schicht (wie auch die nachfolgenden Schichten) kann eine vordefinierte Schichtdicke aufweisen, wobei die Schichtdicke je nach Art des verwendeten Pulverauftragsverfahrens von Schicht zu Schicht angepasst werden kann oder festgelegt sein kann. Die Pulverschichten können mit jeder geeigneten Technik aufgebracht werden, wobei mehrere Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von Rohstoffpulverschichten aud dem Stand der Technik bekannt sind. Nach dem Aufbringen der ersten Rohstoffpulverschicht werden vordefinierte Bereiche des Pulvers mit einem Energiestrahl, wie z.B. einem Laserstrahl oder einem Teilchenstrahl (z.B. einem Elektronenstrahl), entsprechend den CAD-Daten eines herzustellenden Werkstücks und/oder einer herzustellenden Stützstruktur bestrahlt. Auf diese Weise kann eine erste Schicht eines zu erzeugenden Werkstücks direkt auf dem Träger oder auf einer mit dem Träger verbundenen Stützstruktur bestrahlt und dadurch verfestigt werden. In einem weiteren Schritt wird eine zweite Rohstoffpulverschicht aufgebracht und vordefinierte Bereiche dieser Schicht werden bestrahlt und verfestigt. Auf diese Weise wird das Werkstück Schicht für Schicht aufgebaut.The method for producing the three-dimensional workpiece can include the usual steps of powder bed melting methods such as electron beam melting, selective laser melting or selective laser sintering. In particular, the method can involve the application of a first raw material powder layer to a carrier of a device for producing a three-dimensional work include pieces. The first layer (as well as the subsequent layers) can have a predefined layer thickness, wherein the layer thickness can be adapted from layer to layer depending on the type of powder application method used or can be fixed. The layers of powder can be applied using any suitable technique, with several methods and devices for producing layers of raw material powder being known in the art. After the application of the first raw material powder layer, predefined areas of the powder are irradiated with an energy beam, such as a laser beam or a particle beam (eg an electron beam), according to the CAD data of a workpiece to be produced and/or a support structure to be produced. In this way, a first layer of a workpiece to be produced can be irradiated directly on the carrier or on a support structure connected to the carrier and thereby solidified. In a further step, a second raw material powder layer is applied and predefined areas of this layer are irradiated and solidified. In this way, the workpiece is built up layer by layer.
Jede der Strukturen kann im Wesentlichen zweidimensional sein, d. h. sich in einer Baurichtung nur über eine oder wenige (N bzw. M) Schichten erstrecken. Die Ausdehnung einer jeden Struktur in mindestens einer Dimension parallel zu den Rohstoffpulverschichten kann mindestens dreimal, mindestens fünfmal, mindestens zehnmal oder mindestens zwanzigmal größer sein als die Ausdehnung der Struktur entlang der Baurichtung. In diesem Zusammenhang können die „Strukturen“ im Wesentlichen zweidimensionale Formen haben, wie z. B. einen gefüllten Kreis, ein gefülltes Quadrat usw.Each of the structures can be essentially two-dimensional, e.g. H. only extend over one or a few (N or M) layers in one direction. The expansion of each structure in at least one dimension parallel to the raw material powder layers can be at least three times, at least five times, at least ten times or at least twenty times larger than the expansion of the structure along the construction direction. In this context, the "structures" may have essentially two-dimensional shapes, such as B. a filled circle, a filled square, etc.
In dieser Offenbarung wird ein kartesisches Koordinatensystem betrachtet, in dem die Baurichtung eine z-Richtung ist und jede der Rohstoffpulverschichten sich in einer x-y-Ebene erstreckt. Der Ausdruck „senkrecht zu den Rohstoffpulverschichten“ bedeutet also parallel zur z-Richtung und der Ausdruck „parallel zu den Rohstoffpulverschichten“ bedeutet parallel zu einer x-y-Ebene. Da sich alle Rohstoffpulverschichten in einer x-y-Ebene erstrecken, sind die obigen Ausdrücke klar definiert. Der Ausdruck „senkrecht zu den Rohstoffpulverschichten“ kann jedoch durch „senkrecht zu einem Träger“ oder „senkrecht zu einer untersten der Rohstoffpulverschichten“ ersetzt werden. Ebenso kann der Ausdruck „parallel zu den Rohstoffpulverschichten“ durch „parallel zu einem Träger“ oder „parallel zu einer untersten der Rohstoffpulverschichten“ ersetzt werden.In this disclosure, a Cartesian coordinate system is considered in which the building direction is a z-direction and each of the raw material powder layers extends in an x-y plane. Thus, the expression "perpendicular to the raw material powder layers" means parallel to the z-direction and the expression "parallel to the raw material powder layers" means parallel to an x-y plane. Since all raw material powder layers extend in an x-y plane, the above expressions are clearly defined. However, the phrase "perpendicular to the raw material powder layers" may be replaced by "perpendicular to a support" or "perpendicular to a lowermost one of the raw material powder layers". Likewise, the expression "parallel to the raw material powder layers" can be replaced by "parallel to a carrier" or "parallel to a lowermost of the raw material powder layers".
In der folgenden Beschreibung werden die Ausdrücke „Rohstoffpulverschichten“ und „Pulverschichten“ als Synonyme verwendet. Diese „Pulverschichten“ unterscheiden sich jedoch von „Schichten von Strukturen“. Der Ausdruck „Pulverschicht“ bezeichnet eine Schicht aus abgelagertem (und gegebenenfalls teilweise verfestigtem) Rohstoffpulver. Der Ausdruck „Schicht von Strukturen“ (oder „Schicht von ersten Strukturen“ usw.) bezieht sich auf eine oder mehrere (z. B. M oder N) Pulverschichten, in denen die Mehrzahl von Strukturen angeordnet ist. Beispielsweise kann es eine Schicht von ersten Strukturen geben, auf die eine Schicht von zweiten Strukturen folgt, wobei jede dieser beiden Schichten aus einer oder mehreren Pulverschichten gebildet sein kann kann.In the following description, the terms "raw material powder layers" and "powder layers" are used as synonyms. However, these "powder layers" are different from "layers of structures". The term "powder layer" means a layer of deposited (and optionally partially solidified) raw material powder. The term "layer of structures" (or "layer of first structures" etc.) refers to one or more (e.g. M or N) powder layers in which the plurality of structures are arranged. For example, there may be a layer of first structures followed by a layer of second structures, each of which two layers may be formed from one or more layers of powder.
Die Mehrzahl von ersten Strukturen bedeutet, wie üblich, mindestens zwei. Es können aber auch mehr oder deutlich mehr als zwei erste Strukturen erzeugt werden. Eine Anzahl von ersten Strukturen kann mindestens 4, mindestens 9, mindestens 16, mindestens 25, mindestens 36, mindestens 49, mindestens 64, mindestens 81, mindestens 100, mindestens 500 oder mindestens 1000 betragen. Das Gleiche gilt für die Mehrzahl von zweiten Strukturen. Eine Anzahl von zweiten Strukturen kann mindestens 4, mindestens 9, mindestens 16, mindestens 25, mindestens 36, mindestens 49, mindestens 64, mindestens 81, mindestens 100, mindestens 500 oder mindestens 1000 betragen.As usual, the plurality of first structures means at least two. However, more or significantly more than two first structures can also be produced. A number of first structures can be at least 4, at least 9, at least 16, at least 25, at least 36, at least 49, at least 64, at least 81, at least 100, at least 500 or at least 1000. The same applies to the plurality of second structures. A number of second structures can be at least 4, at least 9, at least 16, at least 25, at least 36, at least 49, at least 64, at least 81, at least 100, at least 500 or at least 1000.
Ferner können zusätzlich zu der „Mehrzahl von ersten Strukturen“ in den N ersten Rohstoffpulverschichten weitere Strukturen erzeugt werden. Mit anderen Worten, nicht alle Strukturen, die in den N ersten Rohstoffpulverschichten erzeugt werden, müssen als Teil der „Mehrzahl von ersten Strukturen“ betrachtet werden. Es ist wichtig, dies zu berücksichtigen, weil nicht alle Strukturen in den N ersten Rohstoffpulverschichten mit mindestens zwei der Mehrzahl von zweiten Strukturen verbunden werden müssen. So kann es beispielsweise Strukturen in Randbereichen der in den N ersten Rohstoffschichten angeordneten Mehrzahl von Strukturen geben, die nur mit einer oder mit keiner der zweiten Strukturen verbunden werden. Ebenso müssen nicht alle in den M zweiten Rohstoffpulverschichten erzeugten Strukturen als Teil der „Mehrzahl von zweiten Strukturen“ angesehen werden. Die Anordnung von Strukturen kann daher auch wie folgt beschrieben werden. In den N ersten Rohstoffpulverschichten wird eine Mehrzahl von Strukturen erzeugt, wobei alle oder nur ein Teil dieser Mehrzahl von Strukturen als „Mehrzahl von ersten Strukturen“ betrachtet wird. Diese Mehrzahl von ersten Strukturen kann deutlich mehr als zwei sein (z.B. mindestens 64).Furthermore, in addition to the “plurality of first structures” in the N first raw material powder layers, further structures can be produced. In other words, not all structures created in the N first layers of raw material powder need to be considered part of the “plurality of first structures”. It is important to take this into account because not all structures in the N first raw material powder layers have to be connected to at least two of the plurality of second structures. For example, there can be structures in edge regions of the plurality of structures arranged in the N first raw material layers, which are only connected to one or to none of the second structures. Likewise, not all structures created in the M second layers of raw material powder need to be considered part of the “plurality of second structures”. The arrangement of structures can therefore also be described as follows. A plurality of structures are generated in the N first raw material powder layers, all or only a part of these plurality of structures being regarded as “plurality of first structures”. This plurality of first structures can be significantly more than two (e.g. at least 64).
Der Einfachheit halber bezieht sich die Beschreibung auf ein zu bauendes Werkstück. Es ist klar, dass mehr als ein Werkstück in einem einzigen Bauauftrag gebaut werden kann. Wenn also von dem Werkstück die Rede ist, sind damit auch mehrere Werkstücke gemeint.For the sake of simplicity, the description refers to a workpiece to be built. It is clear that more than one piece can be built in a single build order. So if from When talking about the workpiece, this also means several workpieces.
Unter den N ersten Rohstoffpulverschichten können eine Position, eine Größe, eine Form und eine Ausrichtung eines bestrahlten Bereichs der jeweiligen Struktur gleich sein. Mit anderen Worten, jede der Mehrzahl von ersten Strukturen kann z. B. ein senkrechter Zylinder sein. Mit anderen Worten, in jeder der Mehrzahl von N ersten Schichten können eine Position, eine Größe, eine Form und eine Ausrichtung der Mehrzahl von ersten Strukturen gleich sein. Jedoch kann sich eine Position, eine Größe, eine Form und/oder eine Ausrichtung einer bestrahlten Oberfläche für die Mehrzahl von ersten Strukturen in den N ersten Rohstoffpulverschichten von Pulverschicht zu Pulverschicht unterscheiden. Dieser Unterschied kann gering sein (z. B. weniger als 20 % oder weniger als 10 % für benachbarte Rohstoffpulverschichten). Beispielsweise können eine Position, eine Form und eine Ausrichtung in den N ersten Rohstoffpulverschichten gleich sein, aber eine Größe kann sich um weniger als 20 % oder weniger als 10 % unterscheiden, wenn man benachbarte Rohstoffpulverschichten betrachtet. Die obigen Details und Überlegungen bezüglich der Mehrzahl von ersten Strukturen in den N ersten Rohstoffpulverschichten können auch für die Mehrzahl von zweiten Strukturen in den M zweiten Rohstoffpulverschichten gelten.Among the N first raw material powder layers, a position, a size, a shape, and an orientation of an irradiated portion of each structure may be the same. In other words, each of the plurality of first structures can e.g. B. be a vertical cylinder. In other words, in each of the plurality of N first layers, a position, a size, a shape, and an orientation of the plurality of first structures can be the same. However, a position, a size, a shape, and/or an orientation of an irradiated surface for the plurality of first structures in the N first raw material powder layers may differ from powder layer to powder layer. This difference can be small (e.g. less than 20% or less than 10% for adjacent raw material powder layers). For example, a position, a shape, and an orientation in the N first raw material powder layers may be the same, but a size may differ by less than 20% or less than 10% when considering adjacent raw material powder layers. The above details and considerations regarding the plurality of first structures in the N first raw material powder layers may also apply to the plurality of second structures in the M second raw material powder layers.
Ferner kann jede der Mehrzahl von ersten Strukturen in jeder der N ersten Pulverschichten gebildet werden. Mit anderen Worten, in jeder der N ersten Pulverschichten wird für jede der Mehrzahl von ersten Strukturen ein Abschnitt der jeweiligen Pulverschicht verfestigt, der der jeweiligen Struktur entspricht. In einer anderen Ausführungsform wird jedoch nicht jede der Mehrzahl von ersten Strukturen in jeder der N ersten Pulverschichten verfestigt. Stattdessen wird ein erster Abschnitt der Mehrzahl von ersten Strukturen in einer der N ersten Pulverschichten verfestigt und ein zweiter, anderer Abschnitt der Mehrzahl von ersten Strukturen wird in einer anderen der N ersten Pulverschichten verfestigt. Beispielsweise wird in einem regelmäßigen Gittermuster in einer ersten der N ersten Pulverschichten nur jede zweite der Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigt, und in einer zweiten der N ersten Pulverschichten werden die übrigen Strukturen der Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigt. Auf diese Weise wird nicht in jeder der N ersten Pulverschichten eine Verfestigung aller Strukturen durchgeführt.Furthermore, each of the plurality of first structures can be formed in each of the N first powder layers. In other words, in each of the N first powder layers, for each of the plurality of first structures, a portion of the respective powder layer corresponding to the respective structure is solidified. However, in another embodiment, each of the plurality of first structures is not consolidated in each of the N first powder layers. Instead, a first portion of the plurality of first structures is consolidated in one of the N first powder layers and a second, different portion of the plurality of first structures is consolidated in another of the N first powder layers. For example, in a regular grid pattern, in a first of the N first powder layers, only every other one of the plurality of first structures is consolidated, and in a second of the N first powder layers, the remaining structures of the plurality of first structures are consolidated. In this way, not all structures are consolidated in each of the N first powder layers.
Die einzelnen Strukturen der Mehrzahl von ersten Strukturen können alle die gleiche Form, Größe und Ausrichtung haben. Alternativ dazu kann sich eine Form, eine Größe und/oder eine Ausrichtung von mindestens zwei der Mehrzahl von ersten Strukturen unterscheiden. Mit anderen Worten, die ersten Strukturen können alle die gleiche Form, Größe und Ausrichtung haben, oder eine Form, eine Größe und/oder eine Ausrichtung von mindestens einigen der Strukturen kann unterschiedlich sein. Beispielsweise kann die Mehrzahl von ersten Strukturen Strukturen mit zwei oder mehr verschiedenen Formen und/oder zwei oder mehr verschiedenen Größen umfassen. Das Gleiche gilt für die Mehrzahl von zweiten Strukturen.The individual structures of the plurality of first structures can all have the same shape, size and orientation. Alternatively, a shape, size, and/or orientation of at least two of the plurality of first structures may differ. In other words, the first structures may all have the same shape, size, and orientation, or a shape, size, and/or orientation of at least some of the structures may differ. For example, the plurality of first structures may include structures having two or more different shapes and/or two or more different sizes. The same applies to the plurality of second structures.
Somit können eine Größe, eine Ausrichtung und eine Form der ersten Strukturen in der Mehrzahl von ersten Strukturen variieren. Mit anderen Worten, eine Größe, eine Ausrichtung und/oder eine Form aller ersten Strukturen muss/müssen nicht gleich sein. Eine Größe, eine Ausrichtunge und/oder eine Form der ersten Strukturen kann/können jedoch gleich sein. Zum Beispiel können eine Größe, eine Ausrichtung und eine Form aller ersten Strukturen gleich sein. Es kann aber auch sein, dass eine Größe und eine Form der ersten Strukturen gleich sind, aber innerhalb der Mehrzahl von ersten Strukturen unterschiedliche Ausrichtungen vorhanden sind (z. B. zwei unterschiedliche Ausrichtungen um 180° relativ zueinander gedreht). Die obigen Angaben zu den ersten Strukturen können auch für die Mehrzahl von zweiten Strukturen gelten.Thus, a size, an orientation, and a shape of the first structures can vary in the plurality of first structures. In other words, a size, orientation, and/or shape of all first structures need not be the same. However, a size, an orientation and/or a shape of the first structures can be the same. For example, a size, an orientation, and a shape of all first structures can be the same. However, it may also be the case that a size and a shape of the first structures are the same, but different orientations are present within the plurality of first structures (eg two different orientations rotated by 180° relative to one another). The above information on the first structures can also apply to the plurality of second structures.
Die Mehrzahl von ersten Strukturen berühren einander nicht. Mit anderen Worten, jede der ersten Strukturen ist nicht in Kontakt mit einer anderen der ersten Strukturen in der Mehrzahl von N ersten Rohstoffpulverschichten. Mit anderen Worten, es gibt keinen seitlichen Kontakt zwischen den ersten Strukturen. Die ersten Strukturen berühren jedoch andere Strukturen (z. B. die zweiten Strukturen) in anderen Schichten als den N ersten Rohstoffpulverschichten. Dies gilt auch für die Mehrzahl von zweiten Strukturen, die einander ebenfalls nicht berühren.The plurality of first structures do not touch each other. In other words, each of the first structures is not in contact with any other one of the first structures in the plurality of N first raw material powder layers. In other words, there is no lateral contact between the first structures. However, the first structures touch other structures (e.g., the second structures) in layers other than the N first raw material powder layers. This also applies to the plurality of second structures, which likewise do not touch one another.
Die Mehrzahl von ersten Strukturen kann an Eckpunkten eines regelmäßigen Gitters angeordnet sein. Die Abstände zwischen benachbarten Eckpunkten können alle den gleichen Wert haben. Die ersten Strukturen können derart an den Eckpunkten angeordnet sein, dass ein Schwerpunkt der jeweiligen ersten Struktur an dem jeweiligen Eckpunkt angeordnet ist. Die Mehrzahl von ersten Strukturen können an Eckpunkten eines regelmäßigen Gitters angeordnet sein, wobei das regelmäßige Gitter ein quadratisches Gitter, ein hexagonales Gitter, ein Gitter aus gleichseitigen Dreiecken oder aus einer anderen geeigneten Form ist. Die Mehrzahl von ersten Strukturen kann ein regelmäßiges Muster bilden. Das oben Gesagte gilt auch für eine Anordnung der Mehrzahl von zweiten Strukturen.The plurality of first structures can be arranged at corner points of a regular grid. The distances between adjacent vertices can all have the same value. The first structures can be arranged at the corner points in such a way that a focal point of the respective first structure is arranged at the respective corner point. The plurality of first structures may be arranged at vertices of a regular lattice, where the regular lattice is a square lattice, a hexagonal lattice, an equilateral triangle lattice, or other suitable shape. The plurality of first structures can form a regular pattern. The above also applies to an arrangement of the plurality of second structures.
In der Anzahl von N Schichten kann ein Ort in den Rohstoffpulverschichten, an dem die ersten Strukturen gebildet werden, von Pulverschicht zu Pulverschicht identisch sein. Ein Teil eines Werkstücks und/oder andere Strukturen, insbesondere Stützstrukturen, können jedoch an einem anderen Ort der N Pulverschichten gebildet werden, wobei das Pulver an diesem Ort anders verfestigt werden kann, z. B. durch Verwendung einer anderen Bestrahlungsstrategie und/oder durch Verwendung eines Energiestrahls mit einer anderen Energieverteilung, einer anderen Energiedichte, einem anderen Spotdurchmesser, einer anderen Spotform, einer anderen Leistung und/oder im Falle von Laserstrahlen einer anderen Wellenlänge. Die obigen Angaben zu den ersten Strukturen können auch für die Mehrzahl von zweiten Strukturen gelten.In the number of N layers, a place in the raw material powder layers where the first Structures are formed to be identical from powder layer to powder layer. However, a part of a workpiece and/or other structures, in particular support structures, can be formed at a different location of the N powder layers, at which location the powder can be consolidated differently, e.g. B. by using a different irradiation strategy and/or by using an energy beam with a different energy distribution, a different energy density, a different spot diameter, a different spot shape, a different power and/or in the case of laser beams a different wavelength. The above information on the first structures can also apply to the plurality of second structures.
Mindestens 75 % einer für die Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigten Fläche in einer untersten der N ersten Rohstoffpulverschichten ist in direktem Kontakt mit nicht verfestigtem Rohstoffpulver einer Rohstoffpulverschicht unter der untersten der N ersten Rohstoffpulverschichten.At least 75% of an area consolidated for the plurality of first structures in a bottommost of the N first layers of raw material powder is in direct contact with non-solidified layer of raw material powder under the bottommost of the N first layers of raw material powder.
Nur zur Klarstellung - wenn in der Beschreibung von einer „für eine Mehrzahl von Strukturen verfestigten Fläche“ die Rede ist, ist damit die Summe der Flächen gemeint, die tatsächlich für die Erzeugung der Strukturen verfestigt wurden und nicht die Flächen mit möglicherweise losem Pulver zwischen den Strukturen enthalten, mit anderen Worten, es handelt sich nicht um eine Fläche, die durch die äußersten Strukturen begrenzt ist und die Strukturen sowie loses Pulver zwischen ihnen enthält.Just for clarification - when the description refers to an "area consolidated for a plurality of structures", this means the sum of the areas that were actually consolidated for the creation of the structures and not the areas with possible loose powder between the Structures contain, in other words, it is not an area bounded by the outermost structures and containing the structures and loose powder between them.
Mit anderen Worten, die Mehrzahl von ersten Strukturen werden nicht direkt auf einem Träger aufgebaut, sondern auf mindestens einer zuvor aufgetragenen Pulverschicht. Ferner wird ein Abschnitt dieser zuvor aufgetragenen Pulverschicht, auf der die Mehrzahl von ersten Strukturen gebildet werden, nicht verfestigt oder nur so verfestigt, dass mindestens 75 % einer für die Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigten Fläche in einer untersten der N ersten Pulverschichten in direktem Kontakt mit nicht verfestigtem Rohstoffpulver stehen. Mit anderen Worten, zumindest ein großer Teil (mindestens 75 %) der ersten Strukturen wird auf einem „freien Pulverbett“ aufgebaut.In other words, the plurality of first structures are not built up directly on a carrier, but on at least one previously applied layer of powder. Further, a portion of this previously applied powder layer on which the plurality of first structures will be formed is not consolidated or only consolidated such that at least 75% of a consolidated area for the plurality of first structures in a bottommost of the N first powder layers is in direct contact with unsolidified raw material powder. In other words, at least a large part (at least 75%) of the first structures is built on a "free powder bed".
Mindestens 85 %, mindestens 90 % oder 100 % einer für die Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigten Fäche in einer untersten der N ersten Rohstoffpulverschichten können in direktem Kontakt mit nicht verfestigtem Rohstoffpulver einer Rohstoffpulverschicht unter der untersten der N ersten Rohstoffpulverschichten sein. Ferner kann ein gesamtes Volumen unterhalb der für die Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigten Fläche, das sich bis zu einem Träger oder einem Teil des Werkstücks oder einem anderen Werkstück erstreckt, nicht verfestigt sein, oder mindestens 75 % dieses Volumens, mindestens 85 % oder mindestens 90 %. Mit anderen Worten, unter der Schicht von ersten Strukturen können Stützstrukturen vorhanden sein, die die ersten Strukturen stützen, aber diese Stützstrukturen sind nur an einem kleinen Bruchteil einer Gesamtfläche der Mehrzahl von ersten Strukturen befestigt.At least 85%, at least 90% or 100% of a consolidated surface for the plurality of first structures in a bottommost of the N first raw material powder layers may be in direct contact with unconsolidated raw material powder of a raw material powder layer under the bottommost of the N first raw material powder layers. Furthermore, an entire volume below the area consolidated for the plurality of first structures and extending to a carrier or a portion of the workpiece or another workpiece may be unconsolidated, or at least 75% of that volume, at least 85%, or at least 90% %. In other words, there may be support structures under the layer of first structures that support the first structures, but these support structures are attached to only a small fraction of a total area of the plurality of first structures.
Die Mehrzahl von zweiten Strukturen kann an den Eckpunkten eines regelmäßigen Gitters angeordnet sein, wobei das regelmäßige Gitter der zweiten Strukturen in einer bevorzugten Ausführungsform dasselbe ist wie ein regelmäßiges Gitter der ersten Strukturen, jedoch seitlich versetzt. Ein durch die Mehrzahl von zweiten Strukturen gebildetes Muster kann dasselbe sein wie ein durch die Mehrzahl von ersten Strukturen gebildetes Muster, jedoch seitlich verschoben. Seitlich verschoben bedeutet, dass es parallel zu den Pulverschichten (d. h. innerhalb einer x-y-Ebene) versetzt (oder verschoben) ist.The plurality of second structures may be arranged at the vertices of a regular lattice, wherein in a preferred embodiment the regular lattice of the second structures is the same as a regular lattice of the first structures, but offset laterally. A pattern formed by the plurality of second structures may be the same as a pattern formed by the plurality of first structures but shifted laterally. Laterally shifted means that it is offset (or shifted) parallel to the powder layers (i.e. within an x-y plane).
Eine Ausrichtung, eine Form und eine Größe einer jeden der zweiten Strukturen kann mit einer Ausrichtung, einer Form und einer Größe einer jeden der ersten Strukturen identisch sein. Eine Ausrichtung, eine Form und/oder eine Größe der Mehrzahl von zweiten Strukturen kann sich jedoch hinsichtlich der Mehrzahl von ersten Strukturen unterscheiden. So kann beispielsweise die Mehrzahl von ersten Strukturen aus Kreisen bestehen, während die Mehrzahl von zweiten Strukturen aus Quadraten besteht. Als weiteres Beispiel kann die Mehrzahl von ersten Strukturen aus Kreisen einer ersten Größe bestehen, während die Mehrzahl von zweiten Strukturen aus Kreisen einer zweiten, anderen Größe besteht.An orientation, a shape, and a size of each of the second patterns may be the same as an orientation, a shape, and a size of each of the first patterns. However, an orientation, a shape and/or a size of the plurality of second structures can differ with respect to the plurality of first structures. For example, the plurality of first structures can consist of circles, while the plurality of second structures consist of squares. As another example, the plurality of first features may be circles of a first size, while the plurality of second features are circles of a second, different size.
Jede der Mehrzahl von zweiten Strukturen wird mit mindestens zwei der Mehrzahl von ersten Strukturen über Überlappungsbereiche verbunden. Dies kann bedeuten, dass die zweiten Strukturen in einer Pulverschicht gebildet werden, die direkt auf die N ersten Pulverschichten der ersten Strukturen folgt. Zwischen den N ersten Pulverschichten und den M zweiten Pulverschichten können jedoch eine oder mehrere Pulverzwischenschichten vorgesehen sein, wobei der Laser diese Pulverzwischenschichten während der Bestrahlung einer ersten der M zweiten Pulverschichten schmilzt und verfestigt. Daher kann die erste der M zweiten Pulverschichten anderes verfestigt werden, z. B. durch Verwendung einer anderen Bestrahlungsstrategie und/oder durch Verwendung eines Energiestrahls mit einer anderen Energieverteilung, einer anderen Energiedichte, einem anderen Spotdurchmesser, einer anderen Spotform, einer anderen Leistung und/oder im Falle von Laserstrahlen einer anderen Wellenlänge. Bei beiden Optionen wird die Mehrzahl von zweiten Strukturen mit der Mehrzahl von ersten Strukturen verbunden (entweder direkt oder über eine oder mehrere Pulverzwischenschichten). Die Überlappungsbereiche beziehen sich auf eine Überlappung zwischen einer ersten Struktur und einer zweiten Struktur in Bezug auf die Blickrichtung senkrecht zu den Rohstoffpulverschichten.Each of the plurality of second structures is connected to at least two of the plurality of first structures via overlapping areas. This can mean that the second structures are formed in a powder layer that directly follows the N first powder layers of the first structures. However, one or more intermediate powder layers can be provided between the N first powder layers and the M second powder layers, with the laser melting and solidifying these intermediate powder layers during the irradiation of a first of the M second powder layers. Therefore, the first of the M second powder layers may be otherwise consolidated, e.g. B. by using a different irradiation strategy and/or by using an energy beam with a different energy distribution, a different energy density, a different spot diameter, a different spot shape, a different power and/or in the case of laser beams a different wavelength. In both options, the plural becomes second Structures connected to the plurality of first structures (either directly or via one or more intermediate powder layers). The overlap areas refer to an overlap between a first structure and a second structure with respect to the viewing direction perpendicular to the raw material powder layers.
Die Oberfläche des Werkstücks kann eine Ebene sein. Die Oberfläche des Werkstücks kann eine gekrümmte Oberfläche sein. Die Oberfläche kann auch nur ein Teil eines gesamten Oberflächenbereichs eines Werkstücks sein. Ferner bedeutet der Ausdruck „Oberfläche“ nicht notwendigerweise, dass es sich bei dieser „Oberfläche“ um eine Außenfläche des Werkstücks in seiner endgültigen Form handelt. Zusätzliche Strukturen, wie z. B. die erste und/oder zweite Strukturen und/oder eine oder mehrere Stützstrukturen, können an der Oberfläche angebracht sein. Diese zusätzlichen Strukturen können während einer Nachbearbeitung entfernt werden. Die zusätzlichen Strukturen müssen jedoch nicht unbedingt vollständig oder können auch überhaupt nicht entfernt werden, so dass die „Oberfläche“ in der endgültigen Form des Werkstücks noch mit den zusätzlichen Strukturen bedeckt ist.The surface of the workpiece can be a plane. The surface of the workpiece may be a curved surface. The surface can also be only part of a total surface area of a workpiece. Furthermore, the term "surface" does not necessarily mean that this "surface" is an exterior surface of the workpiece in its final form. Additional structures such as B. the first and / or second structures and / or one or more support structures may be attached to the surface. These additional structures can be removed during post-processing. However, the additional structures do not necessarily have to be removed completely or cannot be removed at all, so that the "surface" in the final form of the workpiece is still covered with the additional structures.
Die Oberfläche des Werkstücks kann eine Oberfläche sein, die mit den Rohstoffpulverschichten einen maximalen Winkel von höchstens 45°, höchstens 30°, höchstens 20°, höchstens 10° oder höchstens 0° bildet.The surface of the workpiece may be a surface forming a maximum angle of 45° or less, 30° or less, 20° or less, 10° or less, or 0° or less with the raw material powder layers.
Mit anderen Worten, die Oberfläche kann in Bezug auf ihre Anordnung innerhalb eines Bauzylinders einer entsprechenden Vorrichtung zur Herstellung des dreidimensionalen Werkstücks im Wesentlichen horizontal sein. Da die Pulverschichten auf einen Träger aufgebracht werden, kann der Winkel auch in Bezug auf eine Oberfläche des Trägers gemessen werden. Der „maximale Winkel“ bedeutet, dass ein maximaler Winkel in Bezug auf zwei Flächennormalenvektoren der jeweiligen Oberflächen betrachtet wird. Handelt es sich bei der Oberfläche des Werkstücks um eine Ebene, ist der maximale Winkel der Winkel zwischen den jeweiligen Flächennormalenvektoren. Ist die Oberfläche jedoch gekrümmt, wird eine Oberflächennormale der Oberfläche gewählt, die den größten Winkel mit der Oberflächennormalen der Pulverschichten bildet. Beträgt der Winkel „nicht mehr als 0°“, kann die Oberfläche aus einer einzigen Rohstoffpulverschicht bestehen.In other words, the surface can be essentially horizontal in relation to its arrangement within a building cylinder of a corresponding device for producing the three-dimensional workpiece. Since the layers of powder are applied to a support, the angle can also be measured in relation to a surface of the support. The "maximum angle" means that a maximum angle is considered with respect to two surface normal vectors of the respective surfaces. If the surface of the workpiece is a plane, the maximum angle is the angle between the respective surface normal vectors. However, if the surface is curved, a surface normal of the surface is chosen that forms the greatest angle with the surface normal of the powder layers. When the angle is "not more than 0°", the surface can be made of a single layer of raw material powder.
Das Verfahren kann ferner die einmalige oder mehrmalige Durchführung des folgenden Schritts umfassen: Erzeugen einer Mehrzahl von dritten Strukturen in einer Anzahl von L dritten Rohstoffpulverschichten, wobei L 1 oder mehr ist, wobei die Mehrzahl von dritten Strukturen einander nicht berühren und wobei jede der Mehrzahl von dritten Strukturen mit mindestens zwei der Mehrzahl von Strukturen in einer Schicht von Strukturen unterhalb der L dritten Rohstoffpulverschichten verbunden wird.The method may further comprise performing the following step one or more times: creating a plurality of third structures in a number of L third raw material powder layers, where L is 1 or more, wherein the plurality of third structures do not touch each other and where each of the plurality of third structures is connected to at least two of the plurality of structures in a layer of structures below the L third raw material powder layers.
Die oben erläuterten Einzelheiten hinsichtlich einer Anordnung der ersten Strukturen können auch für die Mehrzahl von dritten Strukturen gelten. Mit anderen Worten, die Schritte des Erzeugens einer Mehrzahl von „ersten Strukturen“ und optional des Erzeugens einer Mehrzahl von „zweiten Strukturen“ können einmal oder mehrmals wiederholt werden, wobei die Strukturen in diesen zusätzlichen Schichten allgemein als „dritte Strukturen“ bezeichnet werden. Auf diese Weise können Schichten von Strukturen übereinander gebildet werden, wobei eine Schicht von „ersten Strukturen“ auf eine Schicht von „zweiten Strukturen“ und eine Schicht von „zweiten Strukturen“ auf eine Schicht von „ersten Strukturen“ folgt, usw. Auf diese Weise können abwechselnd mehrere Schichten von ersten Strukturen und zweiten Strukturen erzeugt werden. Jede dieser Schichten von Strukturen kann aus einer oder mehreren Pulverschichten erzeugt werden (abhängig von den Anzahlen N, M und L). Wenn z. B. N = 5, M = 5 und L = 5 ist, wird jede Schicht von Strukturen aus 5 Rohstoffpulverschichten erzeugt. Die „Schicht von Strukturen unter den L dritten Rohstoffpulverschichten“ kann eine Schicht von zweiten Strukturen oder eine Schicht von dritten Strukturen sein, die zuvor erzeugt wurde.The details explained above with regard to an arrangement of the first structures can also apply to the plurality of third structures. In other words, the steps of creating a plurality of "first structures" and optionally creating a plurality of "second structures" can be repeated one or more times, with the structures in these additional layers being generically referred to as "third structures". In this way, layers of structures can be formed on top of each other, with a layer of "first structures" following a layer of "second structures" and a layer of "second structures" following a layer of "first structures", etc. In this way several layers of first structures and second structures can be produced alternately. Each of these layers of structures can be created from one or more layers of powder (depending on the numbers N, M and L). if e.g. B. N=5, M=5 and L=5, each layer of structures is created from 5 layers of raw material powder. The “layer of structures under the L third raw material powder layers” may be a layer of second structures or a layer of third structures previously created.
Die Oberfläche des Werkstücks kann mit der Mehrzahl von zweiten Strukturen oder mit der Mehrzahl von dritten Strukturen verbunden werden, indem mindestens ein Abschnitt der Oberfläche direkt mit den zweiten Strukturen oder mit den dritten Strukturen verbunden wird, je nachdem, ob eine oder mehrere Schichten von dritten Strukturen vorhanden ist/sind.The surface of the workpiece may be bonded to the plurality of second structures or to the plurality of third structures by bonding at least a portion of the surface directly to the second structures or to the third structures, depending on whether one or more layers of third structures is/are present.
Bei der obigen Ausführungsform wird die Oberfläche mit den zweiten Strukturen verbunden, wenn nur zwei Schichten von Strukturen vorhanden sind. Falls mehr als zwei Schichten von Strukturen vorhanden sind (d. h. eine oder mehrere Schichten von dritten Strukturen vorhanden ist/sind), wird die Oberfläche mit einer obersten Schicht dieser dritten Strukturen verbunden. Mit anderen Worten, mindestens eine der zweiten oder dritten Strukturen kann direkt mit der Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks verbunden werden. Falls die Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks parallel zu den N ersten Schichten liegt (d. h. der Winkel zwischen diesen Schichten 0° beträgt), können alle zweiten Strukturen oder dritten Strukturen direkt mit der Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks verbunden werden. In diesem Fall kann die Struktur, die die ersten und die zweiten (und optional die dritten) Strukturen umfasst, als direkte Abstützung für die Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks angesehen werden.In the above embodiment, when there are only two layers of structures, the surface is bonded to the second structures. If more than two layers of structures are present (ie, one or more layers of third structures are present), the surface is bonded to a top layer of those third structures. In other words, at least one of the second or third structures can be connected directly to the surface of the three-dimensional workpiece. If the surface of the three-dimensional workpiece is parallel to the N first layers (ie the angle between these layers is 0°), all of the second structures or third structures can be bonded directly to the surface of the three-dimensional workpiece. In this case the structure comprising the first and the second (and optionally the third) structures can be used as a direct support for the surface surface of the three-dimensional workpiece.
Ferner kann es insbesondere dann, wenn die Oberfläche des Werkstücks nicht genau horizontal ist, vorkommen, dass die zweiten und/oder die dritten Strukturen, die sich in einer der Oberfläche am nächsten liegenden Pulverschicht befinden, die Oberfläche nicht direkt berühren. Mit anderen Worten, zwischen einer obersten zweiten oder dritten Struktur und der Oberfläche kann sich nicht verfestigtes Rohstoff befinden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann eine Größe, eine Form und/ode eine Ausrichtung eines Querschnitts der zweiten oder dritten Strukturen in einer obersten Schicht von Strukturen im Vergleich zu den vorherigen Schichten von Strukturen unterschiedlich sein. Beispielsweise können alle ersten, zweiten und (optional) dritten Strukturen unter der obersten Schicht von Strukturen die gleiche Größe, Form und Ausrichtung haben. Die Strukturen der obersten Schicht sind jedoch modifiziert, z. B. um besser an der Oberfläche des Werkstücks zu haften.Furthermore, particularly when the surface of the workpiece is not exactly horizontal, it can happen that the second and/or the third structures, which are located in a powder layer lying closest to the surface, do not touch the surface directly. In other words, there may be unconsolidated raw material between an uppermost second or third structure and the surface. Additionally or alternatively, a size, shape, and/or orientation of a cross section of the second or third structures in a top layer of structures may be different compared to the previous layers of structures. For example, all first, second, and (optionally) third structures under the top layer of structures may have the same size, shape, and orientation. However, the structures of the top layer are modified, e.g. B. to better adhere to the surface of the workpiece.
Die Oberfläche des Werkstücks kann mit der Mehrzahl von zweiten Strukturen oder mit der Mehrzahl von dritten Strukturen verbunden werden, indem mindestens eine Stützstruktur zwischen der Oberfläche und den zweiten Strukturen oder den dritten Strukturen vorgesehen wird, je nachdem, ob eine oder mehrere Schichten von dritten Strukturen vorhanden ist/sind.The surface of the workpiece may be bonded to the plurality of second structures or to the plurality of third structures by providing at least one support structure between the surface and the second structures or the third structures, depending on whether one or more layers of third structures is/are present.
Bei der obigen Ausführungsform wird die Oberfläche über die mindestens eine Stützstruktur mit den zweiten Strukturen verbunden, wenn nur zwei Schichten von Strukturen vorhanden sind. Falls mehr als zwei Schichten von Strukturen vorhanden sind (d. h. eine oder mehrere Schichten von dritten Strukturen vorhanden ist/sind), wird die Oberfläche über die mindestens eine Stützstruktur mit einer obersten Schicht dieser dritten Strukturen verbunden. Bei der Stützstruktur kann es sich insbesondere um eine stabartige, eine balkenartige, eine wandartige oder eine gitterartige Stützstruktur handeln. In diesem Fall kann die Struktur, die die ersten und zweiten Strukturen umfasst, als eine in dem Pulverbett „schwimmende“ Struktur betrachtet werden. Diese „schwimmende“ Struktur kann als Basis angesehen werden, von der sich die Stützstruktur erstreckt, die die Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks stützt. Die Stützstruktur kann direkt mit der Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks verbunden sein.In the above embodiment, when there are only two layers of structures, the surface is connected to the second structures via the at least one support structure. If more than two layers of structures are present (i.e., one or more layers of third structures is/are present), the surface is bonded to a top layer of those third structures via the at least one support structure. The support structure can in particular be a rod-like, beam-like, wall-like or grid-like support structure. In this case, the structure comprising the first and second structures can be considered as a structure “floating” in the powder bed. This "floating" structure can be thought of as the base from which extends the support structure that supports the surface of the three-dimensional workpiece. The support structure can be connected directly to the surface of the three-dimensional workpiece.
Eine maximale Ausdehnung einer jeden der ersten Strukturen in mindestens einer Dimension parallel zu den Rohstoffpulverschichten kann 5 mm, 3 mm oder 2 mm betragen. Eine maximale Ausdehnung einer jeden der zweiten Strukturen in mindestens einer Dimension parallel zu den Rohstoffpulverschichten kann 5 mm, 3 mm oder 2 mm betragen.A maximum extension of each of the first structures in at least one dimension parallel to the raw material powder layers can be 5 mm, 3 mm or 2 mm. A maximum extent of each of the second structures in at least one dimension parallel to the raw material powder layers can be 5 mm, 3 mm or 2 mm.
Die maximale Ausdehnung kann bedeuten, dass eine Grundfläche der jeweiligen Struktur innerhalb der jeweiligen Ebene in mindestens einer Dimension parallel zu den Pulverschichten (d. h. parallel zu einer x-y-Ebene) nicht größer als der angegebene Wert ist. Ferner kann die maximale Ausdehnung einer jeden der ersten und/oder zweiten Strukturen in allen Richtungen parallel zu den Pulverschichten 5 mm, 3 mm oder 2 mm betragen. In diesem Fall passt die jeweilige Struktur, betrachtet in der Blickrichtung senkrecht zu den Pulverschichten, in einen Kreis mit einem Durchmesser von 5 mm, 3 mm oder 2 mm.The maximum extent can mean that a base area of the respective structure within the respective plane is not greater than the specified value in at least one dimension parallel to the powder layers (i.e. parallel to an x-y plane). Furthermore, the maximum extent of each of the first and/or second structures in all directions parallel to the powder layers can be 5 mm, 3 mm or 2 mm. In this case, the respective structure fits into a circle with a diameter of 5 mm, 3 mm or 2 mm, viewed in the viewing direction perpendicular to the powder layers.
Die Größe der Strukturen kann von dem verwendeten Material des Rohstoffpulvers abhängen. Insbesondere kann sie von der Neigung des Materials abhängen, beim Abkühlen Spannungen zu entwickeln und/oder sich beim Abkühlen zu verziehen. Je höher die Verzugsneigung des Materials ist, desto geringer kann vozugsweise die Ausdehnung der Strukturen in mindestens einer Dimension parallel zu den Rohstoffpulverschichten sein. Zum Beispiel kann für ein Material mit geringerer Verzugsneigung wie z. B. TiAI6V4 eine Ausdehnung in mindestens einer Dimension parallel zu den Rohstoffpulverschichten von sogar mehr als 5 mm verwendet werden, während für ein Material mit höherer Verzugsneigung wie z. B. Inconel 718 eine Ausdehnung in mindestens einer Dimension parallel zu den Rohstoffpulverschichten von weniger als 5 mm, 3 mm oder 2 mm bevorzugt werden kann.The size of the structures can depend on the material used for the raw material powder. In particular, it may depend on the material's tendency to develop stresses on cooling and/or to distort on cooling. The higher the tendency of the material to warp, the smaller the expansion of the structures can be in at least one dimension parallel to the raw material powder layers. For example, for a material with a lower tendency to warp such. B. TiAI6V4 an expansion in at least one dimension parallel to the raw material powder layers of even more than 5 mm can be used, while for a material with a higher tendency to warp such. B. Inconel 718 an extension in at least one dimension parallel to the raw material powder layers of less than 5 mm, 3 mm or 2 mm can be preferred.
Jede der ersten Strukturen und/oder zweiten Strukturen kann parallel zu den Rohpulverschichten einen Querschnitt in einer gefüllten geometrischen Form aufweisen, die aus der Liste ausgewählt ist, welche ein Polygon, ein Sechseck, ein Rechteck, ein Quadrat, eine Ellipse, einen Kreis, ein Dreieck, ein Kreuz und einen Stern umfasst. Wenn die Fläche ausreicht, kann der Querschnitt auch aus einem Gürtel entlang des Umfangs der genannten geometrischen Formen bestehen.Each of the first structures and/or second structures may have a cross section parallel to the raw powder layers in a filled geometric shape selected from the list consisting of a polygon, a hexagon, a rectangle, a square, an ellipse, a circle, a triangle, a cross and a star. If the area is sufficient, the cross-section can also consist of a belt along the perimeter of said geometric shapes.
Die jeweilige geometrische Form kann durch ein Schraffurmuster ausgefüllt werden. Die ersten Strukturen haben nicht unbedingt alle die gleiche Form. Das Gleiche gilt für die zweiten Strukturen.Each geometric shape can be filled with a hatch pattern. The first structures do not necessarily all have the same shape. The same applies to the second structures.
Vor dem Schritt des Erzeugens der Mehrzahl von ersten Strukturen kann eine Stützstruktur oder ein Teil des dreidimensionalen Werkstücks geformt werden, die/das einen Träger mit mindestens einer der Mehrzahl von ersten Strukturen verbindet.Prior to the step of creating the plurality of first structures, a support structure or portion of the three-dimensional workpiece may be formed connecting a carrier to at least one of the plurality of first structures.
Mit anderen Worten, die Struktur, die die ersten und die zweiten Strukturen umfasst, kann von einer Stützstruktur abgestützt werden. Diese Stützstruktur kann insbesondere balkenartig, stabartig, wandartig oder gitterartig sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Grundfläche der Stützstruktur kleiner als eine Ausdehnung der ersten Strukturen in einer Ebene parallel zu den Pulverschichten. Beispielsweise deckt diese Grundfläche nur 25 % oder weniger der Ausdehnung der ersten Strukturen in der zu den Pulverschichten parallelen Ebene ab.In other words, the structure comprising the first and the second structures can be of be supported by a support structure. This support structure can in particular be beam-like, rod-like, wall-like or grid-like. In a preferred embodiment, a base area of the support structure is smaller than an extension of the first structures in a plane parallel to the powder layers. For example, this base area covers only 25% or less of the extent of the first structures in the plane parallel to the powder layers.
Ferner kann zumindest ein Teil der Mehrzahl von ersten Strukturen mit einem Abschnitt eines Werkstücks verbunden werden. Insbesondere kann der Abschnitt des Werkstücks eine vertikale oder im Wesentlichen vertikale Ebene neben der Mehrzahl von ersten Strukturen umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann zumindest ein Teil der Mehrzahl von ersten Strukturen auf einen Abschnitt eines Werkstücks aufgebaut werden. Bei dem Werkstück kann es sich um dasselbe Werkstück handeln, das die Oberfläche aufweist. Mit anderen Worten, ähnlich wie bei der oben beschriebenen Stützstruktur kann die Struktur, die die ersten und zweiten Strukturen umfasst, von einem Abschnitt des Werkstücks abgestützt werden. Die oben beschriebene Anordnung ist jedoch so ausgelegt, dass mindestens 75 % einer für die Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigten Fläche in einer untersten der N ersten Rohstoffpulverschichten in direktem Kontakt mit nicht verfestigtem Rohstoffpulver einer Rohstoffpulverschicht unter der untersten der N ersten Rohstoffpulverschichten ist. Mit anderen Worten, ein Abschnitt des Werkstücks, der mit der Mehrzahl von ersten Strukturen in Kontakt steht, nimmt nicht mehr als 25 % der für die Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigten Fläche ein.Furthermore, at least a part of the plurality of first structures can be connected to a portion of a workpiece. In particular, the portion of the workpiece may include a vertical or substantially vertical plane adjacent to the plurality of first structures. Additionally or alternatively, at least a portion of the plurality of first structures may be built onto a portion of a workpiece. The workpiece can be the same workpiece that has the surface. In other words, similar to the support structure described above, the structure including the first and second structures can be supported by a portion of the workpiece. However, the arrangement described above is designed such that at least 75% of a consolidated area for the plurality of first structures in a lowermost of the N first raw material powder layers is in direct contact with unsolidified raw material powder of a raw material powder layer under the lowermost of the N first raw material powder layers. In other words, a portion of the workpiece that is in contact with the plurality of first structures occupies no more than 25% of the area consolidated for the plurality of first structures.
Jede der Mehrzahl von zweiten Strukturen kann über Überlappungsbereiche mit mindestens drei oder mindestens vier der Mehrzahl von ersten Strukturen verbunden werden.Each of the plurality of second structures can be connected to at least three or at least four of the plurality of first structures via overlapping regions.
Wenn beispielsweise die ersten Strukturen an Eckpunkten eines ersten quadratischen Gitters angeordnet sind, können die zweiten Strukturen an Eckpunkten eines zweiten quadratischen Gitters angeordnet sein, wobei die Eckpunkte des zweiten Gitters in den Zentren der Eckpunkte des ersten quadratischen Gitters liegen. In diesem Fall kann sich jede der Mehrzahl von zweiten Strukturen mit vier der ersten Strukturen überschneiden.For example, if the first structures are located at vertices of a first square lattice, the second structures may be located at vertices of a second square lattice, with the vertices of the second lattice being at the centers of the vertices of the first square lattice. In this case, each of the plurality of second structures may intersect with four of the first structures.
Die Mehrzahl von ersten Strukturen und/oder die Mehrzahl von zweiten Strukturen können in einer Richtung radial nach innen zu einem Zentrum der Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks hin bestrahlt werden. Mit anderen Worten, zunächst werden Strukturen in Bereichen bestrahlt, die vom Zentrum der Oberfläche entfernt sind, und anschließend werden Strukturen bestrahlt, die näher am Zentrum der Oberfläche liegen. Alternativ dazu kann die Mehrzahl von ersten Strukturen und/oder die Mehrzahl von zweiten Strukturen in einer Richtung radial nach außen weg von einem Zentrum der Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks bestrahlt werden. Mit anderen Worten, zunächst werden Strukturen in Bereichen nahe dem Zentrum der Oberfläche bestrahlt und anschließend Strukturen, die weiter vom Zentrum der Oberfläche entfernt sind. Die oben genannte Richtung kann einen Einfluss auf das Abkühlverhalten und die Spannungsrelaxation in der Oberfläche des Werkstücks haben. Ferner kann die Mehrzahl von ersten Strukturen und/oder die Mehrzahl von zweiten Strukturen in zufälliger Reihenfolge oder verschoben bestrahlt werden, insbesondere um das Abkühlverhalten zu verbessern.The plurality of first structures and/or the plurality of second structures can be irradiated in a direction radially inward toward a center of the surface of the three-dimensional workpiece. In other words, structures in areas remote from the center of the surface are irradiated first, and then structures closer to the center of the surface are irradiated. Alternatively, the plurality of first structures and/or the plurality of second structures may be irradiated in a radially outward direction away from a center of the surface of the three-dimensional workpiece. In other words, structures in areas near the center of the surface are irradiated first, followed by structures further from the center of the surface. The direction mentioned above can have an influence on the cooling behavior and the stress relaxation in the surface of the workpiece. Furthermore, the plurality of first structures and/or the plurality of second structures can be irradiated in a random order or in a shifted manner, in particular in order to improve the cooling behavior.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks durch selektives Bestrahlen einer Mehrzahl von Rohstoffpulverschichten bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Erzeugen einer Mehrzahl von ersten Strukturen in einer ersten Rohstoffpulverschicht. Die Mehrzahl von ersten Strukturen berühren einander nicht. Mindestens 75 % einer für die Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigten Fläche in der ersten Rohstoffpulverschicht steht in direktem Kontakt mit nicht verfestigtem Rohstoffpulver einer Rohstoffpulverschicht unter der ersten Rohstoffpulverschicht. Das Verfahren umfasst ferner, dass nach dem Erzeugen der Mehrzahl von ersten Strukturen ein Raum zwischen den ersten Strukturen in der ersten Rohstoffpulverschicht verfestigt wird, so dass benachbarte der ersten Strukturen miteinander verbunden werden. Das Verfahren umfasst ferner das Erzeugen einer Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks derart, dass sich die Oberfläche und die für die Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigte Fläche in der ersten Rohstoffpulverschicht in Bezug auf eine Blickrichtung senkrecht zu den Rohstoffpulverschichten zumindest teilweise überlappen.According to a second aspect, there is provided a method of manufacturing a three-dimensional workpiece by selectively irradiating a plurality of raw material powder layers. The method includes creating a plurality of first structures in a first raw material powder layer. The plurality of first structures do not touch each other. At least 75% of an area consolidated for the plurality of first structures in the first raw material powder layer is in direct contact with unsolidified raw material powder of a raw material powder layer under the first raw material powder layer. The method further includes after creating the plurality of first structures, solidifying a space between the first structures in the first raw material powder layer so that adjacent ones of the first structures are bonded together. The method further includes generating a surface of the three-dimensional workpiece such that the surface and the area solidified for the plurality of first structures in the first raw material powder layer at least partially overlap in relation to a viewing direction perpendicular to the raw material powder layers.
Das Verfahren zur Herstellung des dreidimensionalen Werkstücks gemäß dem zweiten Aspekt kann die üblichen Schritte von Pulverbettschmelzverfahrem umfassen, wie sie oben im Hinblick auf den ersten Aspekt erörtert wurden.The method of manufacturing the three-dimensional workpiece according to the second aspect may comprise the usual steps of powder bed fusion methods as discussed above in relation to the first aspect.
Jede der ersten Strukturen kann im Wesentlichen zweidimensional sein, d. h., sich in einer Baurichtung nur über eine Schicht erstrecken. In diesem Zusammenhang können die „Strukturen“ im Wesentlichen zweidimensionale Formen haben, wie z. B. einen gefüllten Kreis, ein gefülltes Quadrat usw.Each of the first structures can be essentially two-dimensional, e.g. i.e. they only extend over one layer in one construction direction. In this context, the "structures" may have essentially two-dimensional shapes, such as B. a filled circle, a filled square, etc.
Die Mehrzahl von ersten Strukturen bedeutet, wie üblich, mindestens zwei. Es können aber auch mehr oder deutlich mehr als zwei erste Strukturen erzeugt werden. Eine Anzahl von ersten Strukturen kann mindestens 4, mindestens 9, mindestens 16, mindestens 25, mindestens 36, mindestens 49, mindestens 64, mindestens 81, mindestens 100, mindestens 500 oder mindestens 1000 betragen.As usual, the plurality of first structures means at least two. However, more or significantly more than two first structures can also be produced. A number of first structures ren can be at least 4, at least 9, at least 16, at least 25, at least 36, at least 49, at least 64, at least 81, at least 100, at least 500 or at least 1000.
Ferner können zusätzlich zu der „Mehrzahl von ersten Strukturen“ in der ersten Pulverschicht weitere Strukturen erzeugt werden. Mit anderen Worten, nicht alle Strukturen, die in der ersten Pulverschicht erzeugt werden, müssen als Teil der „Mehrzahl von ersten Strukturen“ betrachtet werden.Furthermore, in addition to the “plurality of first structures” in the first powder layer, further structures can be produced. In other words, not all structures created in the first powder layer need to be considered part of the "plurality of first structures".
Die einzelnen Strukturen der Mehrzahl von ersten Strukturen können alle die gleiche Form, Größe und Ausrichtung haben. Alternativ dazu kann sich eine Form, eine Größe und/oder eine Ausrichtung von mindestens zwei der ersten Strukturen unterscheiden. Mit anderen Worten, die ersten Strukturen können alle die gleiche Form, Größe und Ausrichtung haben, oder eine Form, eine Größe und/oder eine Ausrichtung von zumindest einigen der Strukturen kann unterschiedlich sein. Beispielsweise kann die Mehrzahl von ersten Strukturen Strukturen mit zwei oder mehr unterschiedlichen Formen und/oder zwei oder mehr unterschiedlichen Größen umfassen.The individual structures of the plurality of first structures can all have the same shape, size and orientation. Alternatively, a shape, a size and/or an orientation of at least two of the first structures can differ. In other words, the first structures may all have the same shape, size, and orientation, or a shape, size, and/or orientation of at least some of the structures may differ. For example, the plurality of first structures may include structures having two or more different shapes and/or two or more different sizes.
Somit können eine Größe, eine Ausrichtung und/oder eine Form der ersten Strukturen in der Mehrzahl von ersten Strukturen variieren. Mit anderen Worten, eine Größe, eine Ausrichtung und/oder eine Form aller ersten Strukturen muss/müssen nicht gleich sein. Eine Größe, eine Ausrichtunge und/oder eine Form der ersten Strukturen kann/können jedoch gleich sein. Zum Beispiel können eine Größe, eine Ausrichtung und eine Form aller ersten Strukturen gleich sein. Es kann aber auch sein, dass eine Größe und eine Form der ersten Strukturen gleich sind, aber innerhalb der Mehrzahl von ersten Strukturen unterschiedliche Ausrichtungen vorhanden sind (z. B. zwei unterschiedliche Ausrichtungen um 180° relativ zueinander gedreht).Thus, a size, an orientation and/or a shape of the first structures can vary in the plurality of first structures. In other words, a size, orientation, and/or shape of all first structures need not be the same. However, a size, an orientation and/or a shape of the first structures can be the same. For example, a size, an orientation, and a shape of all first structures can be the same. However, it may also be the case that a size and a shape of the first structures are the same, but different orientations are present within the plurality of first structures (eg two different orientations rotated by 180° relative to one another).
Die Mehrzahl von ersten Strukturen berühren einander nicht. Mit anderen Worten, jede der ersten Strukturen ist nicht in Kontakt mit einer anderen der ersten Strukturen in der ersten Pulverschicht. Mit anderen Worten, es gibt keinen seitlichen Kontakt zwischen den ersten Strukturen. Die ersten Strukturen können jedoch andere Strukturen in anderen Schichten als der ersten Pulverschicht berühren.The plurality of first structures do not touch each other. In other words, each of the first structures is not in contact with any other one of the first structures in the first powder layer. In other words, there is no lateral contact between the first structures. However, the first structures may touch other structures in layers other than the first powder layer.
Die Mehrzahl von ersten Strukturen kann an den Eckpunkten eines regelmäßigen Gitters angeordnet sein. Die Abstände zwischen benachbarten Eckpunkten können alle den gleichen Wert haben. Die ersten Strukturen können derart an den Eckpunkten angeordnet sein, dass ein Schwerpunkt der jeweiligen ersten Struktur an dem jeweiligen Eckpunkt angeordnet ist. Die Mehrzahl von ersten Strukturen können an Eckpunkten eines regelmäßigen Gitters angeordnet sein, wobei das regelmäßige Gitter ein quadratisches Gitter, ein hexagonales Gitter, ein Gitter aus gleichseitigen Dreiecken oder aus einer anderen geeigneten Form ist. Die Mehrzahl von ersten Strukturen kann ein regelmäßiges Muster bilden.The plurality of first structures can be arranged at the corner points of a regular grid. The distances between adjacent vertices can all have the same value. The first structures can be arranged at the corner points in such a way that a focal point of the respective first structure is arranged at the respective corner point. The plurality of first structures may be arranged at vertices of a regular lattice, where the regular lattice is a square lattice, a hexagonal lattice, an equilateral triangle lattice, or other suitable shape. The plurality of first structures can form a regular pattern.
Mindestens 75 % einer für die Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigten Fläche in der ersten Rohstoffpulverschicht ist in direktem Kontakt mit nicht verfestigtem Rohstoffpulver einer Rohstoffpulverschicht unter der ersten Rohstoffpulverschicht. Mit anderen Worten, die Mehrzahl von ersten Strukturen werden nicht direkt auf einem Träger aufgebaut, sondern auf mindestens einer zuvor aufgetragenen Pulverschicht. Ferner ist ein Abschnitt dieser zuvor aufgetragenen Pulverschicht, auf der die Mehrzahl von ersten Strukturen gebildet werden, nicht verfestigt oder nur so verfestigt, dass mindestens 75 % einer für die Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigten Fläche in der ersten Pulverschicht in direktem Kontakt mit nicht verfestigtem Rohstoffpulver stehen. Mit anderen Worten, zumindest ein großer Teil (mindestens 75 %) der ersten Strukturen wird auf einem „freien Pulverbett“ aufgebaut, d. h. einer Fläche, die nur loses Pulver oder mehreren kleinen Strukturen mit größeren Pulverbereichen dazwischen umfasst.At least 75% of an area consolidated for the plurality of first structures in the first raw material powder layer is in direct contact with unsolidified raw material powder of a raw material powder layer under the first raw material powder layer. In other words, the plurality of first structures are not built up directly on a carrier, but on at least one previously applied layer of powder. Further, a portion of this previously applied powder layer on which the plurality of first structures are formed is unconsolidated or only so consolidated that at least 75% of an area consolidated for the plurality of first structures in the first powder layer is in direct contact with unconsolidated raw material powder stand. In other words, at least a large part (at least 75%) of the first structures is built on a "free powder bed", i. H. an area containing only loose powder or multiple small structures with larger areas of powder in between.
Mindestens 85 %, mindestens 90 % oder 100 % einer für die Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigten Fläche in der ersten Rohstoffpulverschicht können in direktem Kontakt mit nicht verfestigtem Rohstoffpulver einer Rohstoffpulverschicht unter der ersten Rohstoffpulverschicht sein. Ferner kann ein gesamtes Volumen unterhalb der für die Mehrzahl von ersten Strukturen verfestigten Fläche, das sich bis zu einem Träger erstreckt, nicht verfestigt sein, oder mindestens 75 % dieses Volumens, mindestens 85 % oder mindestens 90 %. Mit anderen Worten, unter der Schicht von ersten Strukturen können Stützstrukturen vorhanden sein, die die ersten Strukturen stützen, aber diese Stützstrukturen sind nur an einem kleinen Bruchteil einer Gesamtfläche der Mehrzahl von ersten Strukturen befestigt.At least 85%, at least 90%, or 100% of an area consolidated for the plurality of first structures in the first raw material powder layer may be in direct contact with unsolidified raw material powder of a raw material powder layer under the first raw material powder layer. Further, an entire volume below the consolidated area for the plurality of first structures and extending to a support may be unconsolidated, or at least 75% of that volume, at least 85%, or at least 90%. In other words, there may be support structures under the layer of first structures that support the first structures, but these support structures are attached to only a small fraction of a total area of the plurality of first structures.
Die Tatsache, dass benachbarte der ersten Strukturen miteinander verbunden werden, bedeutet, dass die ersten Strukturen innerhalb der gleichen Pulverschicht miteinander verbunden werden. Eine Verfestigung des Raums zwischen den ersten Strukturen kann bedeuten, dass ein ganzer Raum zwischen den ersten Strukturen verfestigt wird. Der Raum kann aber auch nur teilweise verfestigt werden, so dass benachbarte erste Strukturen miteinander verbunden werden. Der Raum zwischen den ersten Strukturen kann eine kleinere Fläche als die Fläche der ersten Strukturen einnehmen, um die Entstehung von Spannungen beim Abkühlen zu vermeiden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Raum zwischen den ersten Strukturen in mehreren Schritten verfestigt werden, wobei nur ein Teil des Raums zwischen den ersten Strukturen verfestigt wird und ein weiterer Teil des Raums, der mit dem zuvor bestrahlten Teil verbunden ist, nach einer Abkühlphase verfestigt wird.The fact that adjacent ones of the first structures are bonded together means that the first structures are bonded together within the same powder layer. A solidification of the space between the first structures can mean that an entire space between the first structures is solidified. However, the space can also be only partially solidified, so that adjacent first structures are connected to one another. The space between the first structures may be smaller in area than the area of the first structures to avoid generation of stress upon cooling the. Additionally or alternatively, the space between the first structures can be consolidated in several steps, wherein only part of the space between the first structures is consolidated and another part of the space connected to the previously irradiated part is consolidated after a cooling phase .
Die Oberfläche des Werkstücks kann eine Ebene sein. Die Oberfläche des Werkstücks kann eine gekrümmte Oberfläche sein. Ferner bedeutet der Ausdruck „Oberfläche“ nicht notwendigerweise, dass es sich bei dieser „Oberfläche“ um eine Außenfläche des Werkstücks in seiner endgültigen Form handelt. Zusätzliche Strukturen, wie z. B. die ersten Strukturen und/oder eine oder mehrere Stützstrukturen, können an der Oberfläche angebracht sein. Diese zusätzlichen Strukturen können während einer Nachbearbeitung entfernt werden. Die zusätzlichen Strukturen müssen jedoch nicht unbedingt vollständig oder können auch überhaupt nicht entfernt werden, so dass die „Oberfläche“ in der endgültigen Form des Werkstücks noch mit den zusätzlichen Strukturen bedeckt ist.The surface of the workpiece can be a plane. The surface of the workpiece may be a curved surface. Furthermore, the term "surface" does not necessarily mean that this "surface" is an exterior surface of the workpiece in its final form. Additional structures such as B. the first structures and / or one or more support structures can be attached to the surface. These additional structures can be removed during post-processing. However, the additional structures do not necessarily have to be removed completely or cannot be removed at all, so that the "surface" in the final form of the workpiece is still covered with the additional structures.
Die Oberfläche des Werkstücks kann eine Oberfläche sein, die mit den Rohstoffpulverschichten einen maximalen Winkel von höchstens 45°, höchstens 30°, höchstens 20°, höchstens 10° oder höchstens 0° bildet.The surface of the workpiece may be a surface forming a maximum angle of 45° or less, 30° or less, 20° or less, 10° or less, or 0° or less with the raw material powder layers.
In diesem Zusammenhang können die obigen Einzelheiten bezüglich des ersten Aspekts auch für den zweiten Aspekt gelten.In this context, the above details relating to the first aspect may also apply to the second aspect.
Das Verfahren kann ferner die einmalige oder mehrmalige Durchführung der folgenden Gruppe von Schritten umfassen: Erzeugen einer Mehrzahl von zweiten Strukturen in einer zweiten Rohstoffpulverschicht, wobei die Mehrzahl von zweiten Strukturen einander nicht berühren und wobei die zweite Schicht auf eine vorherige Schicht von Strukturen folgt (insbesondere direkt folgt), und nach dem Erzeugen der Mehrzahl von zweiten Strukturen, Verfestigen eines Raums zwischen den zweiten Strukturen in der zweiten Rohstoffpulverschicht derart, dass benachbarte der zweiten Strukturen miteinander verbunden werden.The method may further comprise performing the following group of steps one or more times: creating a plurality of second structures in a second layer of raw material powder, wherein the plurality of second structures do not touch one another and wherein the second layer follows a previous layer of structures (in particular directly follows), and after generating the plurality of second structures, solidifying a space between the second structures in the second raw material powder layer such that adjacent ones of the second structures are connected to each other.
Mit anderen Worten, es kann mehr als eine Schicht von Strukturen übereinander gebildet werden. Die zweiten Strukturen können in Bezug auf die ersten Strukturen an denselben Positionen oder an unterschiedlichen Positionen angeordnet sein. Auch in jeder Schicht der zweiten Strukturen werden die Strukturen miteinander verbunden, indem ein Raum zwischen den zweiten Strukturen verfestigt wird.In other words, more than one layer of structures can be formed on top of each other. The second structures can be arranged at the same positions or at different positions with respect to the first structures. Also in each layer of the second structures, the structures are connected to each other by solidifying a space between the second structures.
Die Oberfläche des Werkstücks kann mit der Mehrzahl von ersten Strukturen oder mit der Mehrzahl von zweiten Strukturen verbunden werden, indem mindestens ein Abschnitt der Oberfläche direkt mit den ersten Strukturen oder mit den zweiten Strukturen verbunden wird, je nachdem, ob eine oder mehrere Schichten von zweiten Strukturen vorhanden ist/sind.The surface of the workpiece can be bonded to the plurality of first structures or to the plurality of second structures by bonding at least a portion of the surface directly to the first structures or to the second structures, depending on whether one or more layers of second structures is/are present.
Bei der obigen Ausführungsform wird die Oberfläche mit den ersten Strukturen verbunden, wenn nur eine Schicht von Strukturen vorhanden ist. Falls mehr als eine Schicht von Strukturen vorhanden ist (d. h. eine oder mehrere Schichten von zweiten Strukturen vorhanden ist/sind), wird die Oberfläche mit einer obersten Schicht dieser zweiten Strukturen verbunden. Mit anderen Worten, mindestens eine der ersten oder zweiten Strukturen kann direkt mit der Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks verbunden werden. Falls die Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks parallel zu der ersten Pulverschicht liegt (d. h. der Winkel zwischen diesen Schichten 0° beträgt), können alle ersten Strukturen oder zweiten Strukturen direkt mit der Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks verbunden werden. In diesem Fall kann die Struktur, die die ersten (und optional die zweiten) Strukturen umfasst, als direkte Abstützung für die Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks angesehen werden. Wenn sie mit dem Werkstück verbunden bleiben, können die Strukturen auch als erste Schicht des Werkstücks betrachtet werden.In the above embodiment, when there is only one layer of structures, the surface is bonded to the first structures. If more than one layer of structures is present (i.e., one or more layers of second structures is/are present), the surface is bonded to a top layer of those second structures. In other words, at least one of the first or second structures can be connected directly to the surface of the three-dimensional workpiece. If the surface of the three-dimensional workpiece is parallel to the first layer of powder (i.e. the angle between these layers is 0°), all the first structures or second structures can be bonded directly to the surface of the three-dimensional workpiece. In this case, the structure comprising the first (and optionally the second) structures can be considered as direct support for the surface of the three-dimensional workpiece. If left connected to the workpiece, the structures can also be considered as the first layer of the workpiece.
Die Oberfläche des Werkstücks kann mit der Mehrzahl von ersten Strukturen oder mit der Mehrzahl von zweiten Strukturen verbunden werden, indem mindestens eine Stützstruktur zwischen der Oberfläche und den ersten Strukturen oder den zweiten Strukturen vorgesehen wird, je nachdem, ob eine oder mehrere Schichten von zweiten Strukturen vorhanden ist/sind.The surface of the workpiece may be bonded to the plurality of first structures or to the plurality of second structures by providing at least one support structure between the surface and the first structures or the second structures, depending on whether one or more layers of second structures is/are present.
Bei der obigen Ausführungsform wird die Oberfläche über die mindestens eine Stützstruktur mit den ersten Strukturen verbunden, wenn nur eine Schicht von Strukturen vorhanden ist. Falls mehr als eine Schicht von Strukturen vorhanden ist (d.h. eine oder mehrere Schichten von zweiten Strukturen vorhanden ist/sind), wird die Oberfläche über die mindestens eine Stützstruktur mit einer obersten Schicht dieser zweiten Strukturen verbunden. Bei der Stützstruktur kann es sich insbesondere um eine stabartige, eine balkenartige, eine wandartige oder eine gitterartige Stützstruktur handeln. In diesem Fall kann die Struktur, die die ersten Strukturen umfasst, als eine in dem Pulverbett „schwimmende“ Struktur betrachtet werden. Diese „schwimmende“ Struktur kann als Basis angesehen werden, von der sich die Stützstruktur erstreckt, die die Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks stützt. Die Stützstruktur kann direkt mit der Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks verbunden sein.In the above embodiment, the surface is connected to the first structures via the at least one support structure when there is only one layer of structures. If more than one layer of structures is present (ie one or more layers of second structures is/are present), the surface is bonded to a top layer of those second structures via the at least one support structure. The support structure can in particular be a rod-like, beam-like, wall-like or grid-like support structure. In this case, the structure comprising the first structures can be considered as a structure “floating” in the powder bed. This "floating" structure can be thought of as the base from which extends the support structure that supports the surface of the three-dimensional workpiece. The support structure can be directly connected to the surface of the three-dimensional workpiece.
Eine maximale Ausdehnung einer jeden der ersten Strukturen in mindestens einer Dimension parallel zu den Rohstoffpulverschichten kann 5 mm, 3 mm oder 2 mm betragen.A maximum extension of each of the first structures in at least one dimension parallel to the raw material powder layers can be 5 mm, 3 mm or 2 mm.
Die maximale Ausdehnung kann bedeuten, dass die Grundfläche der jeweiligen Struktur innerhalb der jeweiligen Ebene in mindestens einer Dimension parallel zu den Pulverschichten (d. h. parallel zu einer x-y-Ebene) nicht größer als der angegebene Wert ist. Ferner kann die maximale Ausdehnung einer jeden der ersten Strukturen in allen Richtungen parallel zu den Pulverschichten 5 mm, 3 mm oder 2 mm betragen. In diesem Fall passt die jeweilige Struktur, betrachtet in der Blickrichtung senkrecht zu den Pulverschichten, in einen Kreis mit einem Durchmesser von 5 mm, 3 mm oder 2 mm.The maximum extension can mean that the footprint of the respective structure within the respective plane is not larger than the specified value in at least one dimension parallel to the powder layers (i.e. parallel to an x-y plane). Furthermore, the maximum extent of each of the first structures in all directions parallel to the powder layers can be 5 mm, 3 mm or 2 mm. In this case, the respective structure fits into a circle with a diameter of 5 mm, 3 mm or 2 mm, viewed in the viewing direction perpendicular to the powder layers.
Jede der ersten Strukturen kann parallel zu den Rohpulverschichten einen Querschnitt in einer gefüllten geometrischen Form aufweisen, die aus der Liste ausgewählt ist, welche ein Polygon, ein Sechseck, ein Rechteck, ein Quadrat, eine Ellipse, einen Kreis, ein Dreieck, ein Kreuz und einen Stern umfasst. Wenn die Fläche ausreicht, kann der Querschnitt auch aus einem Gürtel entlang des Umfangs der genannten geometrischen Formen bestehen.Each of the first structures may have a cross section parallel to the raw powder layers in a filled geometric shape selected from the list consisting of a polygon, hexagon, rectangle, square, ellipse, circle, triangle, cross and includes a star. If the area is sufficient, the cross-section can also consist of a belt along the perimeter of said geometric shapes.
Die jeweilige geometrische Form kann durch ein Schraffurmuster ausgefüllt werden. Die ersten Strukturen müssen nicht unbedingt alle die gleiche Form haben.Each geometric shape can be filled with a hatch pattern. The first structures do not necessarily all have to have the same shape.
Der Schritt des Verfestigens des Raums zwischen den ersten Strukturen kann durch die Erzeugung einer Mehrzahl von gefüllten geometrischen Formen erfolgen, wobei jede der geometrischen Formen mit einer Form einer jeden der ersten Strukturen identisch ist. Beispielsweise kann jede der ersten Strukturen und jede der gefüllten geometrischen Formen des „Verfestigungsschritts“ ein Sechseck mit derselben Größe sein. Alternativ dazu können auch Rechtecke, Quadrate oder Dreiecke verwendet werden. Die ersten Strukturen können in einem Schachbrettmuster erzeugt werden, und in dem Schritt des Verfestigens kann ein verbleibender Raum zwischen den Quadraten des Schachbrettmusters verfestigt werden.The step of solidifying the space between the first structures may be performed by creating a plurality of filled geometric shapes, each of the geometric shapes being identical to a shape of each of the first structures. For example, each of the first structures and each of the filled geometric shapes of the "solidification step" can be a hexagon of the same size. Alternatively, rectangles, squares or triangles can also be used. The first structures can be created in a checkerboard pattern, and in the step of solidifying, a remaining space between the squares of the checkerboard pattern can be solidified.
In dem Schritt des Verfestigens des Raums zwischen den ersten Strukturen kann ein ganzer Raum zwischen den ersten Strukturen derart verfestigt werden, dass ein zusammenhängender Bereich aus verfestigtem Rohstoffpulver erzeugt wird.In the step of solidifying the space between the first structures, an entire space between the first structures may be solidified so that a continuous area of solidified raw material powder is generated.
Mit anderen Worten, ein Abschnitt der ersten Pulverschicht (der z. B. eine rechteckige Form hat) kann vollständig verfestigt werdem, wobei dieser Abschnitt die Mehrzahl von ersten Strukturen umfasst.In other words, a portion of the first powder layer (e.g., having a rectangular shape) may be fully consolidated, which portion includes the plurality of first structures.
Vor dem Schritt des Erzeugens der Mehrzahl von ersten Strukturen kann eine Stützstruktur oder ein Teil des dreidimensionalen Werkstücks geformt werden, das einen Träger mit mindestens einer der Mehrzahl von ersten Strukturen verbindet.Prior to the step of creating the plurality of first structures, a support structure or portion of the three-dimensional workpiece may be formed connecting a carrier to at least one of the plurality of first structures.
Mit anderen Worten, die Struktur, die die ersten Strukturen umfasst, kann von einer Stützstruktur abgestützt werden. Diese Stützstruktur kann insbesondere balkenartig, stabartig, wandartig oder gitterartig sein. Eine Grundfläche der Stützstruktur ist kleiner als eine Ausdehnung der ersten Strukturen in einer Ebene parallel zu den Pulverschichten. Beispielsweise deckt diese Grundfläche nur 25 % oder weniger der Ausdehnung der ersten Strukturen in der zu den Pulverschichten parallelen Ebene ab.In other words, the structure including the first structures can be supported by a support structure. This support structure can in particular be beam-like, rod-like, wall-like or grid-like. A base area of the support structure is smaller than an extension of the first structures in a plane parallel to the powder layers. For example, this base area covers only 25% or less of the extent of the first structures in the plane parallel to the powder layers.
Die Mehrzahl von ersten Strukturen kann in einer Richtung radial nach innen zu einem Zentrum der Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks hin bestrahlt werden. Mit anderen Worten, zunächst werden Strukturen in Bereichen bestrahlt, die vom Zentrum der Oberfläche entfernt sind, und anschließend werden Strukturen bestrahlt, die näher am Zentrum der Oberfläche liegen. Alternativ dazu kann die Mehrzahl von ersten Strukturen in einer Richtung radial nach außen weg von einem Zentrum der Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks bestrahlt werden. Mit anderen Worten, zunächst werden Strukturen in Bereichen nahe dem Zentrum der Oberfläche bestrahlt und anschließend Strukturen, die weiter vom Zentrum der Oberfläche entfernt sind. Die oben genannte Richtung kann einen Einfluss auf das Abkühlverhalten und die Spannungsrelaxation in der Oberfläche des Werkstücks haben.The plurality of first structures can be irradiated in a direction radially inward toward a center of the surface of the three-dimensional workpiece. In other words, structures in areas remote from the center of the surface are irradiated first, and then structures closer to the center of the surface are irradiated. Alternatively, the plurality of first structures may be irradiated in a radially outward direction away from a center of the surface of the three-dimensional workpiece. In other words, structures in areas near the center of the surface are irradiated first, followed by structures further from the center of the surface. The direction mentioned above can have an influence on the cooling behavior and the stress relaxation in the surface of the workpiece.
Sowohl gemäß dem ersten als auch gemäß dem zweiten Aspekt wird mindestens eine Schicht aus kleinen Strukturen (im Folgenden auch: „Strukturen“ oder „Flakes“) gebildet. Diese Strukturen können dazu beitragen, eine Überhitzung einer Oberfläche des dreidimensionalen Werkstücks, mit der die Strukturen verbunden sind, zu reduzieren. Die metallische Bindung zwischen den Strukturen kann dazu beitragen, die Oberfläche des dreidimensionalen Objekts vor Rissen und Verzug zu schützen. Darüber hinaus kann/können die eine oder die mehreren Schichten von Strukturen eine schwimmende Abstützung innerhalb eines Stapels von Pulverschichten bilden, so dass keine „klassische“ Stützstruktur zwischen dem Träger und der Oberfläche des Werkstücks erzeugt werden muss.According to both the first and the second aspect, at least one layer is formed from small structures (hereinafter also: “structures” or “flakes”). These structures can help reduce overheating of a surface of the three-dimensional workpiece to which the structures are connected. The metallic bond between the structures can help protect the surface of the three-dimensional object from cracking and warping. Furthermore, the one or more layers of structures can form a floating support within a stack of powder layers, so that a "classic" support structure does not have to be created between the carrier and the surface of the workpiece.
Ein möglicher Vorteil der „Flake“-Baustrategie gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt kann folgendermaßen verstanden werden. Die Flakes werden unabhängig voneinander aufgebaut. Nach dem Scannen (d.h. dem Verfestigen) der Flakes kühlen diese ebenfalls unabhängig voneinander ab. Während der Abkühlphase kann das Flake aufgrund der Eigenspannung/Wärmekontraktion leicht verformt werden. Aufgrund der geringen Größe des Flakes kann die Verformung nur minimal sein und kann den Pulverwiederauftragsprozess nicht stören.A possible advantage of the "flake" building strategy according to the first and the second aspect can be understood as follows. The flakes are built up independently of each other. After the flakes have been scanned (ie solidified), they also cool down independently of one another. During the cooling phase, the flake can be slightly deformed due to internal stress/thermal contraction. Due to the small size of the flake, the deformation can be minimal and cannot interfere with the powder reapplication process.
In der gleichen Pulverschicht (gemäß dem zweiten Aspekt) oder in den nächsten Pulverschichten (gemäß dem ersten Aspekt) wird das Flake dann durch weiteres Aufschmelzen zu einer ganzflächigen oder nestförmigen Schicht mit einer gewissen Festigkeit verbunden. Da sich das Flake bereits verformt hat und die Spannung teilweise abgebaut wurde, ist diese Schicht relativ spannungsarm und kann zu einer geringeren Verformung führen, so dass ein gleichmäßiger Aufbau ohne Störung möglich ist.In the same powder layer (according to the second aspect) or in the next powder layers (according to the first aspect), the flake is then connected by further melting to form a full-area or nest-shaped layer with a certain strength. Since the flake has already deformed and the stress has been partially relieved, this layer is relatively stress-relieved and can lead to less deformation, allowing for a smooth build-up without disruption.
Die „Flake“-Struktur kann während des Prozesses aufgebaut werden, z. B. für nur einige Schichten. Sie kann dünn genug sein, dass sie mit dem Hauptwerkstück zusammenbleiben kann, ohne dass man sie entfernen muss. Andererseits kann sie auch als eine erste Schicht des Werkstücks betrachtet werden.The "flake" structure can be built up during the process, e.g. B. for only some layers. It can be thin enough to stay with the main workpiece without having to remove it. On the other hand, it can also be considered as a first layer of the workpiece.
Strukturen, die die oben beschriebenen ersten und zweiten Strukturen umfassen, können an verschiedenen vertikalen Positionen innerhalb des Stapels von Pulverschichten (d. h. innerhalb eines Bauraums) erzeugt werden. Genauer gesagt, kann eine Mehrzahl von solchen Strukturen während eines Bauauftrags an verschiedenen vertikalen und/oder horizontalen Positionen gebildet werden. Eine Mehrzahl von Strukturen, die die oben erwähnten ersten und zweiten Strukturen umfassen, können an verschiedenen Oberflächen eines Werkstücks vorgesehen werden. Mit anderen Worten, mehr als eine Oberfläche des Werkstücks kann von solchen Strukturen abgestützt werden. Ferner können Strukturen, die die oben beschriebenen ersten und zweiten Strukturen umfassen, für eine Mehrzahl von Werkstücken in einem Bauauftrag erzeugt werden.Structures including the first and second structures described above can be created at various vertical positions within the stack of powder layers (i.e., within a build space). More specifically, a plurality of such structures may be formed at different vertical and/or horizontal positions during a build job. A plurality of structures including the first and second structures mentioned above may be provided on different surfaces of a workpiece. In other words, more than one surface of the workpiece can be supported by such structures. Furthermore, structures including the first and second structures described above may be created for a plurality of workpieces in a build order.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei
-
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks zeigt, die zur Durchführung der Verfahren gemäß der hier beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden kann; -
2 ein Werkstück mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Stützstruktur zeigt; -
3 verschiedene Beispiele für Formen der hier beschriebenen Strukturen zeigt; -
4 ein Beispiel für kreisförmige Strukturen zeigt, die in zwei aufeinanderfolgenden Schichten von Strukturen erzeugt werden; -
5 ein Beispiel für quadratische Strukturen zeigt, die in zwei aufeinanderfolgenden Schichten von Strukturen erzeugt werden, wobei5(a) eine Draufsicht der Strukturen und5(b) eine perspektivische Ansicht des Werkstücks mit den Strukturen zeigt; -
6 eine perspektivische Ansicht eines Werkstücks mit auf einer Oberfläche angeordneten Strukturen und mit einer zusätzlichen Stützstruktur zeigt, wobei6(a) ein erstes Beispiel einer Stützstruktur und6(b) ein zweites Beispiel einer Stützstruktur zeigt; -
7 eine schematische Darstellung einer schwimmenden Struktur mit kleinen Strukturen und mit einer zusätzlichen Stützstruktur zeigt, die sich bis zu einer Oberfläche des Werkstücks erstreckt; und -
8 vier verschiedene Beispiele für Formen und Anordnungen von Strukturen zeigt.
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1 12 shows a schematic representation of an apparatus for producing a three-dimensional workpiece, which can be used to carry out the methods according to the embodiments described herein; -
2 shows a workpiece with a support structure known from the prior art; -
3 shows various examples of forms of the structures described herein; -
4 shows an example of circular structures produced in two successive layers of structures; -
5 shows an example of square structures produced in two consecutive layers of structures, where5(a) a top view of the structures and5(b) shows a perspective view of the workpiece with the structures; -
6 shows a perspective view of a workpiece with structures arranged on a surface and with an additional support structure, wherein6(a) a first example of a support structure and6(b) shows a second example of a support structure; -
7 Figure 12 shows a schematic representation of a floating structure with small features and with an additional support structure extending to a surface of the workpiece; and -
8th shows four different examples of shapes and configurations of structures.
Da die Beweglichkeit des Trägers 16 mittels der Vertikalbewegungseinheit 32 aus dem Bereich des selektiven Laserschmelzens bekannt ist, wird sie hier nicht näher erläutert. Alternativ zu dem beweglichen Träger 16 kann der Träger 16 (insbesondere bezüglich der vertikalen z-Richtung) auch als stationärer (oder fester) Träger ausgebildet sein, wobei die Bestrahlungseinheit 20 (siehe unten) und die Prozesskammer 12 so ausgebildet sind, dass sie während des Bauprozesses (d. h. mit zunehmender Bauhöhe des Werkstücks 8) nach oben bewegt werden. Darüber hinaus können sowohl der Träger 16 als auch die Bestrahlungseinheit 20 einzeln entlang der z-Richtung bewegbar sein.Since the mobility of the
Eine Trägeroberfläche des Trägers 16 definiert eine horizontale Ebene (eine x-y-Ebene), wobei eine Richtung senkrecht zu dieser Ebene als vertikale Richtung oder Baurichtung (z-Richtung) definiert ist. Daher erstreckt sich jede oberste Schicht 28 des Rohstoffpulvers in einer Ebene parallel zu der oben definierten horizontalen Ebene (x-y-Ebene).A support surface of the
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Bestrahlungseinheit 20 zur selektiven Bestrahlung einer obersten Schicht 28 des auf den Träger 16 aufgebrachten Rohstoffpulvers mit Laserstrahlung. Mittels der Bestrahlungseinheit 20 kann das auf den Träger 16 aufgebrachte Rohstoffpulver in Abhängigkeit der gewünschten Geometrie des herzustellenden Werkstücks 8 ortsselektiv mit Laserstrahlung beaufschlagt werden.The device 10 also includes an
Die Bestrahlungseinheit 20 umfasst eine Scannereinheit 22, die so konfiguriert ist, dass sie einen Laserstrahl 24 selektiv auf das auf den Träger 16 aufgebrachte Rohstoffpulver strahlt. Die Bestrahlungseinheit 20 umfasst mindestens eine Laserstrahlquelle (nicht dargestellt), von der der Laserstrahl 24 auf die Scannereinheit 22 gerichtet wird. Die Laserstrahlquelle kann z. B. ein diodengepumpter Ytterbium-Faserlaser sein, der Laserlicht mit einer Wellenlänge von etwa 1070 bis 1080 nm emittiert.The
Darüber hinaus kann die Bestrahlungseinheit 20 neben der Scannereinheit 22 weitere optische Komponenten wie z.B. einen Strahlaufweiter zur Aufweitung des Laserstrahls 24, eine Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls 24 in einer Richtung entlang des Strahlengangs und/oder eine Objektivlinse umfassen. Mittels der Scannereinheit 22 kann die Position des Laserstrahls 24 über die x-y-Ebene der obersten Schicht 28 des Rohstoffpulvers bewegt werden. Die Abtasteinheit 22 kann in Form eines Galvanometerscanners ausgeführt sein. Die Objektivlinse kann eine F-Theta-Objektivlinse sein, die im Strahlengang nach der Scannereinheit 22 vorgesehen ist. Der Betrieb der Bestrahlungseinheit 20 wird durch eine Steuereinheit 27 gesteuert. Darüber hinaus ist die Steuereinheit 27 so konfiguriert, dass sie weitere Komponenten der Vorrichtung 10 steuert, wie z. B. die Vertikalbewegungseinheit 32, die Pulverauftragsvorrichtung 14 und andere Komponenten der Vorrichtung 10.In addition to the
Für die vorliegende Offenlegung wird davon ausgegangen, dass Pulverbettschmelzenverfahren dem Fachmann gut bekannt sind, und daher werden die Einzelheiten dieser Verfahren nicht im Einzelnen erörtert. Die oben beschriebene Vorrichtung 10 zur Durchführung eines Verfahrens des selektiven Laserschmelzens kann als Beispiel dienen. Allen Techniken, die zur Durchführung der hier beschriebenen Verfahren geeignet sind, ist gemeinsam, dass ein Rohstoffpulver schichtweise aufgetragen wird und jede Schicht selektiv bestrahlt und verfestigt wird, um eine Schicht eines herzustellenden Werkstücks zu erzeugen. Nach dem Entfernen von überschüssigem Pulver und nach optionalen Nachbearbeitungsschritten (z. B. Entfernen einer oder mehrerer Stützstrukturen) erhält man das fertige Werkstück.For the purposes of this disclosure, it is assumed that powder bed fusion processes are well known to those skilled in the art and therefore the details of these processes will not be discussed in detail. The device 10 described above for carrying out a method of selective laser melting can serve as an example. All techniques that are suitable for carrying out the methods described here have in common that a raw material powder is applied in layers and each layer is selectively irradiated and solidified in order to produce a layer of a workpiece to be produced. After removing excess powder and after optional post-processing steps (e.g. removing one or more support structures), the finished workpiece is obtained.
Der Bau der Stützstruktur 34 kostet Material und Zeit. Außerdem erfordert er den Aufwand der Nachbearbeitung, d. h. der Entfernung der Stützstruktur 34. Für einige horizontale Bereiche des Werkstücks 8 kann es sogar unmöglich sein, ein Werkzeug zum Entfernen der Stützstruktur 34 zu verwenden. Im Hinblick auf die hier beschriebenen Verfahren kann die Stützstruktur 34 vermieden oder zumindest reduziert werden.The construction of the
Die hier beschriebenen Ausführungsformen können dazu beitragen, die Größe einer erforderlichen Stützstruktur erheblich zu verringern, indem kleine Strukturen 38, z. B. für mehrere Schichten direkt unter der ersten festen Schicht des Werkstücks 8, angebracht werden oder indem die ersten Schichten des Werkstücks 8 ersetzt werden. Beispiele für verschiedene Formen von „Strukturen“ 38 sind in
Eine Anordnung einer Mehrzahl von zu bauenden Strukturen ist eine „Multi-Small-Pieces“-Anordnung. Zum Bau dieser Anordnung wird ein kleines Stück eines dünnen Teils als eine Einheit (Struktur 38) der Anordnung festgelegt. Die Größe der Struktur 38 beträgt etwa 1 mm bis 5 mm in x/y-Richtung und 20 µm bis 200 µm in z-Richtung. Diese Struktur kann jede beliebige Form haben, wie die Beispiele in
Die Anordnung enthält mehrere der kleinen Strukturen 38 und kann diese Strukturen 38 auf bestimmte vordefinierte Weise anordnen. Eine Anordnung umfasst eine teilweise Überlappung der Strukturen 38 untereinander.
Nach der Erzeugung von M Schichten von zweiten Strukturen 38b können L weitere Schichten von dritten Strukturen folgen (diese dritten Strukturen sind mit den ersten Strukturen identisch), gefolgt von L weiteren Schichten dritter Strukturen (diese dritten Strukturen sind mit den zweiten Strukturen identisch), und so weiter. Auf diese Weise können abwechselnd erste Strukturen 38a und zweite Strukturen 38b erzeugt werden.After creating M layers of
Aus den
Die Anordnung gemäß
Die Anordnung von Strukturen 38a und 38b bedeckt die horizontale Oberfläche 36 im Wesentlichen vollständig, wie in
Wie bereits oben in Bezug auf die Strukturen gemäß
Um das Werkstück 8 auf dem Träger 16 zu fixieren und über die Strukturen Wärme von dem Werkstück zu dem Träger zu leiten, kann noch eine Stützstruktur 34 erforderlich sein.
Die
Jede der Anordnungen kann direkt mit der Oberfläche 36 des Werkstücks 8 verbunden werden (wie z. B. in
Ferner kann eine alternative Ausführungsform unter Bezugnahme auf
Eine erste Rohstoffpulverschicht wird entsprechend der in
In den oben genannten „alternativen Ausführungsformen“ kann eine Mehrzahl identischer Rohstoffpulverschichten auf die gleiche Weise wie oben beschrieben erzeugt werden. Die Anordnungen der „alternativen Ausführungsformen“ können für denselben Zweck verwendet werden wie die anderen hier beschriebenen Anordnungen. So können sie direkt mit einer horizontalen oder im Wesentlichen horizontalen Oberfläche 36 eines Werkstücks 8 verbunden werden. Alternativ dazu können sie auch, wie in
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- EP 2878402 A1 [0003]EP 2878402 A1 [0003]
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