DE102021121593A1 - Method and manufacturing device for the additive manufacturing of a component from a powder material - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum additiven Fertigen eines Bauteils (3) aus einem Pulvermaterial, wobei das Pulvermaterial sukzessive Pulvermaterialschicht für Pulvermaterialschicht in einem Arbeitsbereich (11) angeordnet wird, wobei Pulvermaterialschichten des Pulvermaterials jeweils lokal selektiv mit mindestens einem Energiestrahl (7) bestrahlt werden, um das Pulvermaterial mittels des Energiestrahls (7) in dem Arbeitsbereich (11) selektiv lokal zu verfestigen und damit das Bauteil (3) schichtweise herzustellen, wobei über dem Arbeitsbereich (11) eine Schutzgasströmung mit einer bestimmten Schutzgas-Strömungsrichtung erzeugt wird, wobei der mindestens eine Energiestrahl (7) in den Pulvermaterialschichten zumindest bereichsweise in Form von entlang einer Abtastrichtung (AR) kollinear zueinander orientierten Vektoren (18) verlagert wird, die entlang einer Vorschubrichtung (VR) nebeneinander angeordnet werden, wobei ein Vorschubwinkel (α), den die Vorschubrichtung (VR) mit der Schutzgas-Strömungsrichtung einschließt, zwischen den Pulvermaterialschichten verändert wird, wobei der Vorschubwinkel (α) derart gewählt wird, dass der Vorschubwinkel (α) für eine Mehrzahl der Pulvermaterialschichten in einem vorbestimmten Nutz-Winkelbereich (21) liegt, in dem die Vorschubrichtung (VR) zumindest komponentenweise entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist, wobei zugleich die Vorschubrichtung (VR) mit einer Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung einen Winkel einschließt, der größer als ein vorbestimmter Vorschub-Grenzwinkel ist, wobei der Vorschubwinkel (α) für eine Minderzahl der Pulvermaterialschichten in einem vorbestimmten Sperr-Winkelbereich (22) außerhalb des Nutz-Winkelbereichs (21) liegt.The invention relates to a method for additively manufacturing a component (3) from a powder material, the powder material being successively arranged powder material layer by powder material layer in a work area (11), powder material layers of the powder material each being locally selectively irradiated with at least one energy beam (7), to solidify the powder material locally in the work area (11) by means of the energy beam (7) and thus to produce the component (3) in layers, with a protective gas flow having a specific protective gas flow direction being generated over the work area (11), the at least an energy beam (7) is displaced in the powder material layers at least in regions in the form of vectors (18) oriented collinearly with one another along a scanning direction (AR) and arranged next to one another along a feed direction (VR), with a feed angle (α) that the feed direction (VR) with the S includes protective gas flow direction, is changed between the powder material layers, the feed angle (α) being selected in such a way that the feed angle (α) for a plurality of powder material layers lies in a predetermined useful angular range (21), in which the feed direction (VR) is aligned at least in components against the flow direction of the protective gas, with the feed direction (VR) at the same time including an angle with a normal of the flow direction of the protective gas which is greater than a predetermined feed limit angle, the feed angle (α) for a minority of the powder material layers in a predetermined blocking angle range (22) outside of the useful angle range (21).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial.The invention relates to a method and a manufacturing device for the additive manufacturing of a component from a powder material.
Bei einem solchen Verfahren wird das Pulvermaterial sukzessive Pulvermaterialschicht für Pulvermaterialschicht in einem Arbeitsbereich angeordnet. Pulvermaterialschichten des Pulvermaterials werden jeweils lokal selektiv mit mindestens einem Energiestrahl bestrahlt, um das Pulvermaterial mittels des Energiestrahls in dem Arbeitsbereich selektiv lokal zu verfestigen und damit das Bauteil schichtweise herzustellen. Über dem Arbeitsbereich wird eine Schutzgasströmung mit einer bestimmten Schutzgas-Strömungsrichtung erzeugt. Der mindestens eine Energiestrahl wird in den Pulvermaterialschichten zumindest bereichsweise in Form von entlang einer Abtastrichtung kollinear zueinander orientierten Vektoren verlagert, die entlang einer Vorschubrichtung nebeneinander angeordnet werden. Ein Vorschubwinkel, den die Vorschubrichtung mit der Schutzgas-Strömungsrichtung einschließt, wird dabei in einem vorbestimmten Nutz-Winkelbereich gewählt, um zu vermeiden, dass der Energiestrahl mit einer Schadstoffwolke aus beispielsweise Schmutzpartikeln, Rauch oder Schmauch interagiert, die ansonsten durch die Schutzgasströmung in den Bereich des Energiestrahls eingetragen werden könnte. Dabei soll insbesondere verhindert werden, dass der Energiestrahl durch die Schadstoffwolke in unvorhersehbarer Weise gestreut und/oder abgeschwächt wird, was die Qualität des entstehenden Bauteils mindern kann. Weiterhin soll vermieden werden, dass der Energiestrahl auf einen Ort der Pulvermaterialschicht trifft, an dem sich Schadstoffe abgesetzt haben, die von einem anderen Ort - insbesondere aufgrund der Schutzgasströmung - eingetragen wurden. Der Nutz-Winkelbereich schließt daher insbesondere solche Vorschubwinkel aus, bei denen sich die entsprechenden Nachteile - im Folgenden kurz als „Schadstoff-Problematik“ bezeichnet - zumindest mit einiger Wahrscheinlichkeit verwirklichen könnten. Insbesondere wird ein vorbestimmter Sperr-Winkelbereich für den Vorschubwinkel vermieden. Zugleich hat sich aber herausgestellt, dass es mit Blick auf die Qualität des entstehenden Bauteils, insbesondere auf dessen mechanische Eigenschaften wie Bruchfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung, nicht günstig ist, wenn der Vorschubwinkel für alle Pulvermaterialschichten gleich ist. Daher wird der Vorschubwinkel, den die Vorschubrichtung mit der Schutzgas-Strömungsrichtung einschließt, zwischen den Pulvermaterialschichten verändert. Während ein eng gewählter Nutz-Winkelbereich günstig ist, um die mit einer möglichen Interaktion mit Schadstoffen verbundenen Nachteile wirksam zu vermeiden, hat sich weiter herausgestellt, dass insbesondere die mechanischen Eigenschaften, insbesondere Bruchfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung, des entstehenden Bauteils bei Auswahl des Vorschubwinkel aus einem engen Nutz-Winkelbereich reduziert sein können, wobei insbesondere die mechanischen Eigenschaften des entstehenden Bauteils stark von dessen Orientierung in dem Pulvermaterial und insbesondere auch innerhalb der einzelnen Pulvermaterialschichten abhängen. Dies ist gerade aus Gründen der Reproduzierbarkeit nachteilig, da im Allgemeinen die Orientierung des entstehenden Bauteils im Pulvermaterial abhängig von anderen Kriterien wie beispielsweise der Effizienz des Verfahrens, der Anzahl der in dem Arbeitsbereich herzustellenden Bauteile sowie gegebenenfalls weiterer Kriterien, frei wählbar sein soll.In such a method, the powder material is successively arranged powder material layer by powder material layer in a working area. Powder material layers of the powder material are each locally selectively irradiated with at least one energy beam in order to selectively locally solidify the powder material in the work area by means of the energy beam and thus to produce the component in layers. A protective gas flow with a specific protective gas flow direction is generated over the working area. The at least one energy beam is displaced in the powder material layers at least in regions in the form of vectors which are oriented collinearly with one another along a scanning direction and are arranged next to one another along a feed direction. A feed angle, which the feed direction encloses with the protective gas flow direction, is selected in a predetermined useful angular range in order to prevent the energy beam from interacting with a pollutant cloud of, for example, dirt particles, smoke or smoke, which would otherwise enter the area due to the protective gas flow of the energy beam could be entered. In particular, the aim is to prevent the energy beam from being scattered and/or weakened in an unforeseeable manner by the pollutant cloud, which can reduce the quality of the component being produced. Furthermore, it should be avoided that the energy beam strikes a location in the powder material layer at which pollutants have settled that have been introduced from another location—in particular due to the protective gas flow. The useful angle range therefore excludes in particular those feed angles in which the corresponding disadvantages - hereinafter referred to as "pollutant problem" for short - could materialize at least with some probability. In particular, a predetermined blocking angle range for the feed angle is avoided. At the same time, however, it turned out that with a view to the quality of the resulting component, in particular its mechanical properties such as breaking strength, yield point and elongation at break, it is not favorable if the feed angle is the same for all powder material layers. Therefore, the feed angle, which the feed direction includes with the shielding gas flow direction, is changed between the layers of powder material. While a narrowly selected useful angle range is favorable in order to effectively avoid the disadvantages associated with possible interaction with pollutants, it has also been found that in particular the mechanical properties, in particular breaking strength, yield point and elongation at break, of the resulting component when the feed angle is selected a narrow useful angle range can be reduced, in particular the mechanical properties of the resulting component strongly depend on its orientation in the powder material and in particular within the individual powder material layers. This is disadvantageous precisely for reasons of reproducibility, since in general the orientation of the resulting component in the powder material should be freely selectable depending on other criteria such as the efficiency of the method, the number of components to be produced in the work area and, if necessary, other criteria.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest reduziert sind, vorzugsweise nicht auftreten.The invention is therefore based on the object of creating a method and a manufacturing device for the additive manufacturing of a component from a powder material, the disadvantages mentioned being at least reduced and preferably not occurring.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.The object is achieved by providing the present technical teaching, in particular the teaching of the independent claims and the embodiments disclosed in the dependent claims and the description.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial geschaffen wird, bei dem der Vorschubwinkel derart gewählt wird, dass er für eine Mehrzahl der Pulvermaterialschichten in einem vorbestimmten Nutz-Winkelbereich liegt, in dem die Vorschubrichtung zumindest komponentenweise entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist, wobei zugleich die Vorschubrichtung mit einer Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung einen Winkel einschließt, der größer als ein vorbestimmter Vorschub-Grenzwinkel ist, wobei der Vorschubwinkel für eine Minderzahl der Pulvermaterialschichten in einem vorbestimmten Sperr-Winkelbereich außerhalb des Nutz-Winkelbereichs liegt. Auf diese Weise gelingt es vorteilhaft, Bauteile mit reproduzierbaren mechanischen Eigenschaften herzustellen, wobei diese insbesondere in deutlich verringertem Maß oder gar nicht mehr von der Orientierung des hergestellten Bauteils im Pulvermaterial und insbesondere relativ zu der Schutzgas-Strömungsrichtung abhängen. Dies gelingt insbesondere, indem ein größerer Bereich an Winkeln für die Vorschubrichtung zugänglich gemacht wird, als wenn ausschließlich der vorbestimmte Nutz-Winkelbereich genutzt würde. Da der Vorschubwinkel nur für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten in dem Sperr-Winkelbereich gewählt wird, ergibt sich keine oder zumindest keine relevante Beeinträchtigung der Bauteilqualität aufgrund der oben diskutierten Schadstoff-Problematik. Zugleich kann der Nutz-Winkelbereich vorteilhaft eng gewählt werden.The object is achieved in particular by creating a method for additively manufacturing a component from a powder material, in which the feed angle is selected in such a way that it lies in a predetermined useful angular range for a plurality of the powder material layers, in which the feed direction is at least partially opposite the protective gas flow direction is aligned, at the same time the feed direction with a normal of the protective gas flow direction encloses an angle which is greater than a predetermined feed limit angle, the feed angle for a minority of the powder material layers in a predetermined blocking angle range outside the useful Angular range is. In this way, it is advantageously possible to produce components with reproducible mechanical properties, these being dependent to a significantly reduced extent or not at all on the orientation of the component produced in the powder material and in particular relative to the protective gas flow direction. This succeeds in particular in that a larger range of angles for the feed direction is made accessible than if only the predetermined useful angular range were used. Since the feed angle is selected only for the minority of powder material layers in the blocking angle range, there is no or at least no relevant impairment of the component quality due to the above discussed pollutant problem. At the same time, the useful angular range can advantageously be chosen to be narrow.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Vorschubwinkel gewählt, indem die Schutzgas-Strömungsrichtung konstant gehalten wird, wobei eine Scannervorrichtung zur Verlagerung des Energiestrahls innerhalb des Arbeitsbereichs geeignet - das heißt mit bestimmter Vorschubrichtung - angesteuert wird, um die Vorschubrichtung und damit den Vorschubwinkel zu wählen. Die Vorschubrichtung wird also bei konstanter Schutzgas-Strömungsrichtung verändert, um den Vorschubwinkel einzustellen, insbesondere zu verändern. In einer anderen, alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird der Vorschubwinkel gewählt, indem die Vorschubrichtung konstant gehalten wird, wobei die Schutzgas-Strömungsrichtung verändert wird, um den Vorschubwinkel einzustellen, insbesondere zu verändern. In einer weiteren, alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird der Vorschubwinkel gewählt, indem die Vorschubrichtung und die Schutzgas-Strömungsrichtung jeweils verändert und aufeinander abgestimmt werden, um den Vorschubwinkel einzustellen, insbesondere zu verändern.In one embodiment of the method, the feed angle is selected by keeping the protective gas flow direction constant, with a scanner device being suitably controlled for displacing the energy beam within the working area - i.e. with a specific feed direction - in order to select the feed direction and thus the feed angle. The direction of feed is thus changed with a constant flow direction of the protective gas in order to set, in particular to change, the feed angle. In another, alternative embodiment of the method, the feed angle is selected by keeping the feed direction constant, with the protective gas flow direction being changed in order to set, in particular to change, the feed angle. In a further, alternative embodiment of the method, the feed angle is selected by changing and coordinating the feed direction and the protective gas flow direction in order to set, in particular to change, the feed angle.
Die Abtastrichtung steht insbesondere in einer durch den Arbeitsbereich definierten Ebene, das heißt in einer Pulvermaterialschicht, senkrecht auf der Vorschubrichtung.In particular, the scanning direction is in a plane defined by the working area, ie in a powder material layer, perpendicular to the feed direction.
Dass der Vorschubwinkel zwischen den Pulvermaterialschichten verändert wird, bedeutet im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere, dass der Vorschubwinkel nicht über alle Pulvermaterialschichten des herzustellenden Bauteils gleich ist. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Vorschubwinkel von Schicht zu Schicht geändert. Es ist aber auch eine Ausführungsform des Verfahrens möglich, bei welcher der Vorschubwinkel über einige Schichten konstant gehalten wird, wobei er insbesondere zwischen Gruppen von Schichten verändert werden kann.In the context of the present technical teaching, the fact that the feed angle between the powder material layers is changed means in particular that the feed angle is not the same over all powder material layers of the component to be produced. In one embodiment of the method, the feed angle is changed from layer to layer. However, an embodiment of the method is also possible in which the feed angle is kept constant over some layers, it being possible in particular to change it between groups of layers.
Unter einer Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung wird eine Achse oder Richtung verstanden, die in einer durch den Arbeitsbereich definierten Ebene, das heißt in einer Pulvermaterialschicht, senkrecht auf der Schutzgas-Strömungsrichtung steht.A normal of the direction of flow of the protective gas is understood as meaning an axis or direction which is in a plane defined by the working area, ie in a layer of powder material, perpendicular to the direction of flow of the protective gas.
Der Nutz-Winkelbereich ist insbesondere ein Winkelbereich, in dem die oben diskutierte Schadstoff-Problematik nicht auftritt, da die Vorschubrichtung zumindest komponentenweise entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Dies bedeutet wiederum, dass die Vorschubrichtung bei vektorieller Zerlegung in der durch den Arbeitsbereich definierten Ebene, das heißt in einer Pulvermaterialschicht, zumindest eine Vektorkomponente aufweist, die antiparallel zu der Schutzgas-Strömungsrichtung orientiert ist. Indem vorteilhaft zugleich die Vorschubrichtung mit der Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung einen Winkel einschließt, der größer als der vorbestimmte Vorschub-Grenzwinkel ist, wird die Schadstoff-Problematik besonders effektiv vermieden. Insbesondere wird hierdurch gewährleistet, dass die Abtastrichtung, das heißt die Richtung der senkrecht auf der Vorschubrichtung stehenden Vektoren, einen Winkel mit der Schutzgas-Strömungsrichtung einschließt, der größer ist als der vorbestimmte Vorschub-Grenzwinkel. Dies bedeutet, dass die Vektoren innerhalb des Nutz-Winkelbereichs in keinem Fall exakt parallel oder antiparallel zu der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet sind. Insbesondere ist der Nutz-Winkelbereich ein für die Vorschubrichtung erlaubter Winkelbereich.The useful angular range is in particular an angular range in which the pollutant problem discussed above does not occur, since the feed direction is aligned at least in part against the flow direction of the protective gas. This in turn means that the feed direction in the case of vectorial decomposition in the plane defined by the working area, ie in a powder material layer, has at least one vector component which is oriented anti-parallel to the protective gas flow direction. Since the feed direction advantageously at the same time encloses an angle with the normal of the protective gas flow direction that is greater than the predetermined feed limit angle, the problem of pollutants is avoided in a particularly effective manner. In particular, this ensures that the scanning direction, ie the direction of the vectors perpendicular to the feed direction, encloses an angle with the protective gas flow direction that is greater than the predetermined feed limit angle. This means that the vectors within the useful angular range are in no case aligned exactly parallel or anti-parallel to the direction of flow of the protective gas. In particular, the useful angular range is an angular range that is permitted for the feed direction.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Vorschub-Grenzwinkel zu 20°, oder zu 22,5°, oder zu 30°, gewählt.In one embodiment of the method, the feed limit angle is chosen to be 20°, or 22.5°, or 30°.
Der Sperr-Winkelbereich ist demgegenüber insbesondere ein Winkelbereich, in dem grundsätzlich die Gefahr der oben diskutierten Schadstoff-Problematik besteht. Dies ist insbesondere entweder der Fall, weil die Vorschubrichtung komponentenweise in Richtung der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist, und/oder weil die Abtastrichtung nahezu kollinear oder kollinear mit der Schutzgas-Strömungsrichtung ist. Der Sperr-Winkelbereich ist daher insbesondere ein für die Vorschubrichtung grundsätzlich verbotener Winkelbereich, der im Rahmen der hier vorliegenden technischen Lehre ausnahmsweise für eine Minderzahl von Pulvermaterialschichten freigegeben wird, um die oben genannten Vorteile mit Blick auf die mechanischen Eigenschaften der entstehenden Bauteile zu verwirklichen.In contrast, the blocking angle range is, in particular, an angle range in which there is fundamentally the risk of the pollutant problem discussed above. In particular, this is either the case because the feed direction is oriented component-wise in the direction of the direction of flow of the protective gas and/or because the scanning direction is almost collinear or collinear with the direction of flow of the protective gas. The blocking angle range is therefore in particular an angle range that is fundamentally forbidden for the feed direction, which is exceptionally released for a minority of powder material layers within the scope of the present technical teaching in order to achieve the above-mentioned advantages with regard to the mechanical properties of the resulting components.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist der Sperr-Winkelbereich ein bezogen auf den Vollkreis zu dem Nutz-Winkelbereich komplementärer Winkelbereich. Insbesondere ist die Vereinigungsmenge aus dem Sperr-Winkelbereich und dem Nutz-Winkelbereich der vollständige Winkelbereich des Vollkreises von - je nach Winkelangabe - 0 bis 2π oder 0° bis 360°. Die im Folgenden angegebenen Grad-Zahlen beziehen sich stets auf einen vollständigen Winkelbereich des Vollkreises von 0° bis 360°.In one embodiment of the method, the blocking angle range is an angle range that is complementary to the useful angle range in relation to the full circle. In particular, the union of the blocking angle range and the useful angle range is the complete angle range of the full circle from--depending on the angle specification--0 to 2π or 0° to 360°. The degree numbers given below always refer to a complete angular range of the full circle from 0° to 360°.
Unter einem additiven oder generativen Fertigen oder Herstellen eines Bauteils wird insbesondere ein schichtweises Aufbauen eines Bauteils aus Pulvermaterial - Pulvermaterialschicht für Pulvermaterialschicht - verstanden, insbesondere ein Pulverbett-basiertes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in einem Pulverbett, insbesondere ein Fertigungsverfahren, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem selektiven Lasersintern, einem Laser-Metall-Fusionieren (Laser Metal Fusion - LMF), einem direkten Metall-Laser-Schmelzen (Direct Metal Laser Melting - DMLM), einem Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), und einem Laser Engineered Net Shaping (LENS).Additive or generative manufacturing or production of a component means in particular a layered construction of a component from powder material - powder material layer for powder material layer - understood, in particular a powder bed-based method for producing a component in a powder bed, in particular a Manufacturing process selected from a group consisting of selective laser sintering, laser metal fusion (LMF), direct metal laser melting (DMLM), laser net shaping manufacturing (LNSM), and a Laser Engineered Net Shaping (LENS).
Unter einem Energiestrahl wird allgemein gerichtete Strahlung verstanden, die Energie transportieren kann. Hierbei kann es sich allgemein um Teilchenstrahlung oder Wellenstrahlung handeln. Insbesondere propagiert der Energiestrahl entlang einer Propagationsrichtung durch den physikalischen Raum und transportiert dabei Energie entlang seiner Propagationsrichtung. Insbesondere ist es mittels des Energiestrahls möglich, Energie lokal in dem Arbeitsbereich zu deponieren.An energy beam is generally understood to mean directed radiation that can transport energy. This can generally involve particle radiation or wave radiation. In particular, the energy beam propagates through the physical space along a propagation direction and thereby transports energy along its propagation direction. In particular, it is possible by means of the energy beam to deposit energy locally in the work area.
Der Energiestrahl ist in bevorzugter Ausgestaltung ein optischer Arbeitsstrahl. Unter einem optischen Arbeitsstrahl ist insbesondere gerichtete elektromagnetische Strahlung, kontinuierlich oder gepulst, zu verstehen, die im Hinblick auf ihre Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich geeignet ist zum additiven oder generativen Fertigen eines Bauteils aus Pulvermaterial, insbesondere zum Sintern oder Schmelzen des Pulvermaterials. Insbesondere wird unter einem optischen Arbeitsstrahl ein Laserstrahl verstanden, der kontinuierlich oder gepulst erzeugt sein kann. Der optische Arbeitsstrahl weist bevorzugt eine Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum oder im infraroten elektromagnetischen Spektrum, oder im Überlappungsbereich zwischen dem infraroten Bereich und dem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums auf.In a preferred embodiment, the energy beam is an optical working beam. An optical working beam is to be understood in particular as directed electromagnetic radiation, continuous or pulsed, which is suitable in terms of its wavelength or a wavelength range for the additive or generative manufacturing of a component from powder material, in particular for sintering or melting the powder material. In particular, an optical working beam means a laser beam that can be generated continuously or in a pulsed manner. The optical working beam preferably has a wavelength or a wavelength range in the visible electromagnetic spectrum or in the infrared electromagnetic spectrum, or in the overlap region between the infrared range and the visible range of the electromagnetic spectrum.
Unter einem Arbeitsbereich wird insbesondere ein Bereich, insbesondere eine Ebene oder Fläche, verstanden, in dem das Pulvermaterial angeordnet ist, und der lokal mit dem Energiestrahl bestrahlt wird, um das Pulvermaterial lokal zu verfestigen. Insbesondere wird das Pulvermaterial in dem Arbeitsbereich sequentiell schichtweise angeordnet und mit dem Energiestrahl lokal bestrahlt, um - Schicht für Schicht - ein Bauteil herzustellen.A working area is understood to mean in particular an area, in particular a plane or surface, in which the powder material is arranged and which is locally irradiated with the energy beam in order to locally solidify the powder material. In particular, the powder material is sequentially arranged in layers in the work area and is locally irradiated with the energy beam in order to produce a component—layer by layer.
Dass der Arbeitsbereich lokal mit einem Energiestrahl beaufschlagt wird, bedeutet insbesondere, dass nicht der gesamte Arbeitsbereich global - weder instantan noch sequenziell - mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, sondern dass der Arbeitsbereich vielmehr stellenweise, insbesondere an einzelnen, zusammenhängenden oder voneinander getrennten Stellen, mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, wobei der Energiestrahl insbesondere mittels der Scannervorrichtung innerhalb des Arbeitsbereichs verlagert wird. Dass der Arbeitsbereich selektiv mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, bedeutet insbesondere, dass der Arbeitsbereich an ausgewählten, vorbestimmten Stellen oder Orten oder in ausgewählten, vorbestimmten Bereichen mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird. Der Arbeitsbereich ist insbesondere eine Pulvermaterialschicht oder ein vorzugsweise zusammenhängendes Gebiet einer Pulvermaterialschicht, welche/welches mithilfe der Scannervorrichtung durch den Energiestrahl erreichbar ist, das heißt er umfasst insbesondere solche Stellen, Orte oder Bereiche der Pulvermaterialschicht, die mit dem Energiestrahl beaufschlagt werden können.The fact that an energy beam is applied locally to the work area means in particular that the energy beam is not applied to the entire work area globally - neither instantaneously nor sequentially - but rather that the work area is covered in places, in particular at individual, connected or separate locations, with the Energy beam is applied, wherein the energy beam is shifted in particular by means of the scanner device within the work area. The fact that the energy beam is applied selectively to the work area means in particular that the energy beam is applied to the work area at selected, predetermined points or locations or in selected, predetermined areas. The working area is in particular a layer of powder material or a preferably contiguous area of a layer of powder material which can be reached by the energy beam using the scanner device, i.e. it includes in particular those points, locations or areas of the layer of powder material that can be impinged on by the energy beam.
Unter einem Vektor oder Bestrahlungsvektor wird insbesondere eine kontinuierliche, vorzugsweise lineare Verlagerung des Energiestrahls in dem Arbeitsbereich über eine bestimmte Strecke mit bestimmter Verlagerungsrichtung, der Abtastrichtung, verstanden. Der Bestrahlungsvektor schließt die Richtung oder Orientierung der Verlagerung als seine Orientierung ein. Dass die Verlagerung kontinuierlich erfolgt, bedeutet insbesondere, dass sie ohne Absetzen oder Unterbrechen des Energiestrahls, insbesondere ohne Sprung erfolgt. Dass die Bestrahlung bevorzugt linear erfolgt, bedeutet insbesondere, dass sie entlang einer Geraden erfolgt.A vector or irradiation vector is understood to mean, in particular, a continuous, preferably linear displacement of the energy beam in the work area over a specific distance with a specific direction of displacement, the scanning direction. The irradiance vector includes the direction or orientation of the displacement as its orientation. The fact that the displacement takes place continuously means in particular that it takes place without dropping or interrupting the energy beam, in particular without a jump. The fact that the irradiation preferably takes place linearly means in particular that it takes place along a straight line.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorschubwinkel derart gewählt wird, dass er für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten - insbesondere ausschließlich - in einem vorbestimmten Ausnahme-Winkelbereich innerhalb des Sperr-Winkelbereichs liegt, in dem die Vorschubrichtung mit der Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung einen Winkel einschließt, der kleiner als der vorbestimmte Vorschub-Grenzwinkel ist, vorzugsweise kleiner als ein vorbestimmter Ausnahme-Grenzwinkel. In einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt der vorbestimmte Ausnahme-Grenzwinkel 10° oder 8°.According to a development of the invention, it is provided that the feed angle is selected in such a way that for the minority of powder material layers - in particular exclusively - it lies in a predetermined exceptional angle range within the blocking angle range, in which the feed direction coincides with the normal of the protective gas flow direction encloses an angle which is smaller than the predetermined feed limit angle, preferably smaller than a predetermined exception limit angle. In one embodiment of the method, the predetermined exception limit angle is 10° or 8°.
Alternativ oder zusätzlich ist die Vorschubrichtung in dem Ausnahme-Winkelbereich zumindest komponentenweise in Richtung der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet, wobei, wenn die Vorschubrichtung zumindest komponentenweise in Richtung der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist, die Vorschubrichtung zugleich mit der Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung einen Winkel einschließt, der kleiner ist als der vorbestimmte Ausnahme-Grenzwinkel.Alternatively or additionally, the feed direction in the exceptional angular range is aligned at least in components in the direction of the flow direction of the protective gas, wherein if the direction of feed is aligned at least in components in the direction of the flow direction of the protective gas, the direction of feed also encloses an angle with the normal of the direction of flow of the protective gas , which is smaller than the predetermined exception limit angle.
Die beschriebenen Vorgehensweisen gewährleisten vorteilhaft, dass etwaige Auswirkungen der oben diskutierten Schadstoff-Problematik höchstens gering ausfallen, vorzugsweise nicht auftreten. Dabei werden insbesondere solche Bereiche des Sperr-Winkelbereichs für die Vorschubrichtung nicht genutzt, in denen die Schadstoff-Problematik besonders stark auftritt. Insbesondere umfasst der Ausnahme-Winkelbereich keine Winkel, bei denen die Vorschubrichtung nahezu parallel oder parallel zu der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist.The procedures described advantageously ensure that any effects of the pollutant problem discussed above are minimal at most, and preferably do not occur. In particular, those areas of the locking angle range for the feed direction are not used in which the pollutant problem occurs particularly severely. In particular, the Exceptional angle range no angles in which the feed direction is aligned almost parallel or parallel to the shielding gas flow direction.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der vorbestimmte Nutz-Winkelbereich - im mathematisch positiven Sinn, insbesondere in Draufsicht auf den Arbeitsbereich - von 110° bis 250°, vorzugsweise von 112,5° bis 247,5°, vorzugsweise von 120° bis 240°, beträgt. Insbesondere in diesen Winkelbereichen ist die oben diskutierten Schadstoff-Problematik deutlich reduziert oder tritt nicht auf.According to a development of the invention, it is provided that the predetermined useful angular range - in the mathematically positive sense, in particular in a plan view of the working area - from 110° to 250°, preferably from 112.5° to 247.5°, preferably from 120° up to 240°. In particular in these angular ranges, the pollutant problem discussed above is significantly reduced or does not occur.
Alternativ oder zusätzlich umfasst der vorbestimmte Sperr-Winkelbereich alle Winkel außerhalb des vorbestimmten Nutz-Winkelbereichs. Insbesondere beträgt der Sperr-Winkelbereich - im mathematisch positiven Sinn - zwischen 250° und 110°, vorzugsweise zwischen 247,5° und 112,5°, vorzugsweise zwischen 240° und 120°. Wie bereits ausgeführt, kann der Sperr-Winkelbereich also insbesondere komplementär zu dem Nutz-Winkelbereich definiert sein.Alternatively or additionally, the predetermined blocking angle range includes all angles outside of the predetermined useful angle range. In particular, the blocking angle range—in the mathematically positive sense—is between 250° and 110°, preferably between 247.5° and 112.5°, preferably between 240° and 120°. As already stated, the blocking angle range can therefore be defined in particular as complementary to the useful angle range.
Alternativ oder zusätzlich ist vorbestimmte Ausnahme-Winkelbereich die Vereinigungsmenge von zwei voneinander getrennten Teil-Winkelbereichen, wobei ein erster Teil-Winkelbereich der beiden Teil-Winkelbereiche von 80° bis 100°, vorzugsweise von 82° bis 98°, oder von 80° bis 90°, vorzugsweise von 82° bis 90°, oder von 90° bis 100°, vorzugsweise von 90° bis 98°, beträgt. Ein zweiter Teil-Winkelbereich der beiden Teil-Winkelbereiche beträgt von 260° bis 280°, vorzugsweise von 262° bis 278°, oder von 270° bis 280°, vorzugsweise von 270° bis 278°, oder von 260° bis 270°, vorzugsweise von 262° bis 270°. Die Teil-Winkelbereiche können demnach in einer Ausführungsform des Verfahrens jeweils vollständig innerhalb eines Halbraums angeordnet sein, der durch eine sich senkrecht zur Schutzgas-Strömungsrichtung erstreckende Achse von einem anderen Halbraum getrennt ist; die Teil-Winkelbereiche können sich aber in einer anderen Ausführungsform auch in beiden Halbräumen erstrecken.Alternatively or additionally, the predetermined exceptional angular range is the union of two separate partial angular ranges, with a first partial angular range of the two partial angular ranges from 80° to 100°, preferably from 82° to 98°, or from 80° to 90 °, preferably from 82° to 90°, or from 90° to 100°, preferably from 90° to 98°. A second partial angular range of the two partial angular ranges is from 260° to 280°, preferably from 262° to 278°, or from 270° to 280°, preferably from 270° to 278°, or from 260° to 270°, preferably from 262° to 270°. Accordingly, in one embodiment of the method, the partial angular ranges can each be arranged completely within a half-space which is separated from another half-space by an axis extending perpendicularly to the direction of flow of the protective gas; however, in another embodiment, the partial angular ranges can also extend in both half-spaces.
Insbesondere durch Freigabe der genannten Winkelbereiche für eine Minderzahl von Pulvermaterialschichten kann vorteilhaft die Reproduzierbarkeit der mechanischen Eigenschaften für die herzustellenden Bauteile gewährleistet werden, wobei zugleich die Vorschubrichtung auch für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten so gewählt ist, dass die oben diskutierte Schadstoff-Problematik zumindest reduziert, vorzugsweise vermieden ist.In particular, by releasing the angular ranges mentioned for a small number of powder material layers, the reproducibility of the mechanical properties for the components to be produced can advantageously be ensured, with the feed direction also being selected for the small number of powder material layers in such a way that the pollutant problem discussed above is at least reduced, preferably is avoided.
In einer Ausführungsform des Verfahrens sind entweder beide Teil-Winkelbereiche so definiert, dass sie sich in beiden Halbräume erstrecken, oder beide Teil-Winkelbereiche sind so definiert, dass sie sich jeweils nur in einem Halbraum, vorzugsweise in demselben Halbraum, erstrecken. Insbesondere beträgt in einer ersten Ausführungsform des Verfahrens der erste Teil-Winkelbereich von 80° bis 100°, vorzugsweise von 82° bis 98°, und der zweite Teil-Winkelbereich beträgt von 260° bis 280°, vorzugsweise von 262° bis 278°. In einer anderen, zweiten Ausführungsform des Verfahrens beträgt der erste Teil-Winkelbereich von 80° bis 90°, vorzugsweise von 82° bis 90°, und der zweite Teil-Winkelbereich beträgt von 270° bis 280°, vorzugsweise von 270° bis 278°. In einer anderen, dritten Ausführungsform des Verfahrens beträgt der erste Teil Winkelbereich von 90° bis 100°, vorzugsweise von 90° bis 98°, und der zweite Teil-Winkelbereich beträgt von 260° bis 270°, vorzugsweise von 262° bis 270°. Die Abtastrichtung ist in den genannten Teil-Winkelbereichen insbesondere ungefähr kollinear oder kollinear mit der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet.In one embodiment of the method, either both partial angular ranges are defined such that they extend in both half-spaces, or both partial angular ranges are defined such that they each only extend in one half-space, preferably in the same half-space. In particular, in a first embodiment of the method, the first partial angular range is from 80° to 100°, preferably from 82° to 98°, and the second partial angular range is from 260° to 280°, preferably from 262° to 278°. In another, second embodiment of the method, the first partial angular range is from 80° to 90°, preferably from 82° to 90°, and the second partial angular range is from 270° to 280°, preferably from 270° to 278° . In another, third embodiment of the method, the first partial angular range is from 90° to 100°, preferably from 90° to 98°, and the second partial angular range is from 260° to 270°, preferably from 262° to 270°. In particular, the scanning direction is aligned approximately collinear or collinear with the flow direction of the protective gas in the partial angular ranges mentioned.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorschubwinkel für die Minderzahl von Pulvermaterialschichten ausgewählt wird aus einer Gruppe, bestehend aus: 80°, 85°, 90°, 95°, 100°, 260°, 265°, 270°, 275°, und 280°. Insbesondere ist es möglich, dass für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten nur bestimmte Winkel, insbesondere aus der hier genannten Gruppe, für die Vorschubrichtung ausgewählt werden. Auf diese Weise können die mit der oben diskutierten Schadstoff-Problematik assoziierten Schwierigkeiten besonders effektiv vermieden werden. Die Abtastrichtung ist bei den genannten Winkeln insbesondere ungefähr kollinear oder kollinear mit der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet.According to a development of the invention, it is provided that the feed angle for the small number of powder material layers is selected from a group consisting of: 80°, 85°, 90°, 95°, 100°, 260°, 265°, 270°, 275 °, and 280°. In particular, it is possible for only specific angles, in particular from the group mentioned here, to be selected for the feed direction for the minority of powder material layers. In this way, the difficulties associated with the pollutant problem discussed above can be avoided particularly effectively. In the case of the angles mentioned, the scanning direction is in particular aligned approximately collinear or collinear with the direction of flow of the protective gas.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorschubwinkel derart gewählt wird, dass die Minderzahl der Pulvermaterialschichten höchstens 17 %, vorzugsweise höchstens 13 %, vorzugsweise höchstens 12,5 %, vorzugsweise höchstens 10 %, vorzugsweise höchstens 7 %, vorzugsweise höchstens 5 %, vorzugsweise höchstens 4 %, bezogen auf die Gesamtzahl aller Pulvermaterialschichten des herzustellenden oder hergestellten Bauteils beträgt. Somit können die mit der oben diskutierten Schadstoff-Problematik assoziierten Schwierigkeiten besonders effektiv vermieden werden. Dabei hat sich gezeigt, dass die sich im Kontext der vorliegenden technischen Lehre verwirklichenden Vorteile mit Blick auf die mechanischen Eigenschaften der entstehenden Bauteile auch bereits dann eintreten, wenn der Vorschubwinkel nur für einen kleinen Anteil der Pulvermaterialschichten außerhalb des Nutz-Winkelbereichs gewählt wird. Dieser Effekt ergibt sich insbesondere daraus, dass beim Bestrahlen einer neuen Pulvermaterialschicht mit dem Energiestrahl üblicherweise bis zu vier darunterliegende, bereits bestrahlte Pulvermaterialschichten zumindest teilweise erneut aufgeschmolzen werden.According to a further development of the invention, it is provided that the feed angle is selected in such a way that the minimum number of powder material layers is at most 17%, preferably at most 13%, preferably at most 12.5%, preferably at most 10%, preferably at most 7%, preferably at most 5% , preferably at most 4%, based on the total number of all powder material layers of the component to be produced or produced. The difficulties associated with the pollutant problem discussed above can thus be avoided in a particularly effective manner. It has been shown that the advantages realized in the context of the present technical teaching with regard to the mechanical properties of the resulting components also occur when the feed angle is selected outside the useful angle range for only a small proportion of the powder material layers. This effect results in particular from the fact that when a new layer of powder material is irradiated with the energy beam, there are usually up to four underlying powder material that have already been irradiated layers are at least partially melted again.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die zu der Minderzahl der Pulvermaterialschichten gehörenden Pulvermaterialschichten gleichmäßig über die Gesamtzahl der Pulvermaterialschichten verteilt. Auf diese Weise sind die entstehenden Bauteile bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften, insbesondere ihrer Bruchfestigkeit, besonders homogen ausgebildet.In one embodiment of the method, the powder material layers belonging to the minority of powder material layers are evenly distributed over the total number of powder material layers. In this way, the resulting components are particularly homogeneous in terms of their mechanical properties, in particular their breaking strength.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorschubwinkel für jede sechste Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede achte Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede zehnte Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede fünfzehnte Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede zwanzigste Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede fünfundzwanzigste Pulvermaterialschicht, in dem vorbestimmten Sperr-Winkelbereich, vorzugsweise in dem vorbestimmten Ausnahme-Winkelbereich, gewählt wird.According to a development of the invention, it is provided that the feed angle for every sixth layer of powder material, preferably for every eighth layer of powder material, preferably for every tenth layer of powder material, preferably for every fifteenth layer of powder material, preferably for every twentieth layer of powder material, preferably for every twenty-fifth layer of powder material, in the predetermined lock -Angle range, preferably in the predetermined exceptional angle range, is selected.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorschubwinkel derart gewählt wird, dass er für keine zwei unmittelbar übereinander angeordneten Pulvermaterialschichten jeweils in dem Sperr-Winkelbereich liegt. Auf diese Weise können besonders wirksam Nachteile vermieden werden, die sich einstellen könnten, wenn unmittelbar übereinanderliegende Pulvermaterialschichten durch die oben diskutierte Schadstoff-Problematik tangiert wären.According to a development of the invention, it is provided that the feed angle is selected in such a way that it does not lie in the blocking angle range for any two powder material layers arranged directly one above the other. In this way, disadvantages can be avoided in a particularly effective manner, which could arise if powder material layers lying directly one on top of the other were affected by the pollutant problem discussed above.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorschubwinkel für unmittelbar übereinander angeordnete Pulvermaterialschichten jeweils verschieden gewählt wird. Dies trägt in besonders vorteilhafter Weise dazu bei, die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Bruchfestigkeit des herzustellenden Bauteils zu verbessern und auch insgesamt die Reproduzierbarkeit der mechanischen Eigenschaften einer Mehrzahl im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens herzustellender Bauteile zu erhöhen. Insbesondere werden auf diese Weise Anisotropien vermieden, die aus Wiederholungen derselben Vorschubrichtung resultieren können; außerdem ist eine für die mechanischen Eigenschaften nachteilige Porenbildung reduziert.According to a development of the invention, it is provided that the feed angle is selected differently for powder material layers arranged directly one above the other. This contributes in a particularly advantageous manner to improving the mechanical properties, in particular the breaking strength of the component to be produced, and also overall to increasing the reproducibility of the mechanical properties of a plurality of components to be produced within the scope of the method proposed here. In particular, this avoids anisotropies that can result from repetitions of the same feed direction; in addition, pore formation, which is disadvantageous for the mechanical properties, is reduced.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorschubwinkel von Pulvermaterialschicht zu Pulvermaterialschicht um einen vorbestimmten Winkelbetrag, oder zufällig, oder pseudo-zufällig, verändert wird. Diese Ausgestaltung trägt vorteilhaft dazu bei, die Wiederholung bestimmter Vorschubrichtungen und insbesondere Wiederholungen bestimmter Abfolgen von Vorschubrichtung, das heißt insbesondere die regelmäßige oder sogar periodische Wiederkehr von Vorschubrichtungen, zu reduzieren oder zu vermeiden, insbesondere wenn der vorbestimmte Winkelbetrag geeignet gewählt ist, oder wenn der Vorschubwinkel zufällig oder pseudo-zufällig verändert wird. Auf diese Weise können besonders wirksam die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Bruchfestigkeit, der herzustellenden Bauteile verbessert, Anisotropien vermieden und Porenbildung reduziert werden.According to a development of the invention, it is provided that the feed angle is changed from powder material layer to powder material layer by a predetermined angular amount, or randomly, or pseudo-randomly. This configuration advantageously contributes to reducing or avoiding the repetition of certain feed directions and in particular repetitions of certain sequences of feed directions, i.e. in particular the regular or even periodic recurrence of feed directions, in particular if the predetermined angular amount is suitably selected, or if the feed angle is changed randomly or pseudo-randomly. In this way, the mechanical properties, in particular the breaking strength, of the components to be produced can be improved in a particularly effective manner, anisotropies can be avoided and the formation of pores can be reduced.
Unter „pseudo-zufällig“ wird im Kontext der hier vorliegenden technischen Lehre insbesondere verstanden, dass die Veränderung des Vorschubwinkels oder der Vorschubwinkel nicht im strengen Sinn zufällig gewählt wird, sondern gemäß einem Algorithmus, aus dem eine Abfolge von Vorschubwinkeln resultiert, die unter vorbestimmten Kriterien als zufällig angesehen werden kann, oder zumindest keiner einfachen und insbesondere keiner einfach aus der Abfolge von Vorschubwinkeln ableitbaren Regel folgt. Unter „zufällig“ wird demgegenüber im Kontext der hier vorliegenden technischen Lehre wahlweise eine echt zufällige Wahl des Vorschubwinkels oder die Verwendung eines Zufallsgenerators, insbesondere eines in eine Rechenvorrichtung implementierten Zufallsgenerators, verstanden.In the context of the present technical teaching, “pseudo-random” means in particular that the change in the feed angle or feed angles is not selected randomly in the strict sense, but according to an algorithm, which results in a sequence of feed angles that are subject to predetermined criteria can be regarded as random, or at least does not follow any simple rule, and in particular no rule which can be easily derived from the sequence of feed angles. In contrast, “random” in the context of the present technical teaching is understood to mean either a genuinely random selection of the feed angle or the use of a random number generator, in particular a random number generator implemented in a computing device.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Sperr-Winkelbereich bei der Veränderung des Vorschubwinkels für die Mehrzahl der Pulvermaterialschichten vermieden, insbesondere verworfen oder übersprungen, wobei für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten der Sperr-Winkelbereich oder der Ausnahme-Winkelbereich zugelassen wird.In one embodiment of the method, the blocking angle range is avoided when changing the feed angle for the majority of the powder material layers, in particular discarded or skipped, with the blocking angle range or the exception angle range being permitted for the minority of powder material layers.
Darunter, dass der Sperr-Winkelbereich verworfen wird, wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere verstanden, dass ein durch regelmäßige Veränderung, zufällig, pseudo-zufällig oder auf andere Weise ermittelter Vorschubwinkel, der in den Sperr-Winkelbereich fällt, nicht für die Bestrahlung des Arbeitsbereichs mit dem Energiestrahl verwendet wird, sondern dass vielmehr - insbesondere ausgehend von diesem ermittelten Vorschubwinkel - ein neuer Vorschubwinkel ermittelt wird. Dabei wird für jeden ermittelten Vorschubwinkel geprüft, ob der Vorschubwinkel in den Sperr-Winkelbereich fällt, und der ermittelte Vorschubwinkel wird verworfen, wenn er in den Sperr-Winkelbereich fällt.In the context of the present technical teaching, the fact that the blocking angle range is discarded means in particular that a feed angle determined by regular change, randomly, pseudo-randomly or in some other way that falls within the blocking angle range is not suitable for the irradiation of the work area with the energy beam is used, but that rather - a new feed angle is determined - in particular based on this determined feed angle. For each feed angle determined, a check is made as to whether the feed angle falls within the blocking angle range, and the feed angle determined is discarded if it falls into the blocking angle range.
Darunter, dass der Sperr-Winkelbereich übersprungen wird, wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere verstanden, dass der Sperr-Winkelbereich bei der Ermittlung des Vorschubwinkels ausgespart wird, sodass erst gar keine ermittelten Vorschubwinkel resultieren, die in den Sperr-Winkelbereich fallen würden. Es bedarf dann keiner gesonderten Prüfung, ob ein ermittelter Vorschubwinkel in den Sperr-Winkelbereich fällt. Beispielsweise kann dann, wenn eine Veränderung des Vorschubwinkels um einen vorbestimmten Winkelbetrag ausgehend von einem bestimmten Start-Winkel zu einem Ergebnis-Winkel führen würde, der in den Sperr-Winkelbereich fällt, der Sperr-Winkelbereich derart ausgespart werden, dass der vorbestimmte Winkelbetrag aufgeteilt wird in einen ersten Teil-Winkelbetrag und einem zweiten Teil-Winkelbetrag, wobei der erste Teil-Winkelbetrag von dem bestimmten Start-Winkel bis zu einem Beginn des Sperr-Winkelbereichs bestimmt wird, wobei der zu dem vorbestimmten Winkelbetrag verbleibende zweite Teil-Winkelbetrag zu einem Ende des Sperr-Winkelbereichs addiert wird. Der auf diese Weise resultierende Vorschubwinkel liegt dann selbst nicht in dem Sperr-Winkelbereich. Alternativ kann dann, wenn eine Veränderung des Vorschubwinkels um einen vorbestimmten Winkelbetrag ausgehend von einem bestimmten Start-Winkel zu einem Ergebnis-Winkel führen würde, der in den Sperr-Winkelbereich fällt, der Sperr-Winkelbereich derart ausgespart werden, dass der vorbestimmte Winkelbetrag nicht auf den bestimmten Start-Winkel, sondern auf das Ende des Sperr-Winkelbereichs addiert wird.In the context of the present technical teaching, the fact that the blocking angle range is skipped is understood in particular to mean that the blocking angle range is left out when the feed angle is determined, so that no feed angles that are determined that would fall into the blocking angle range result in the first place. There is then no need for a separate check as to whether a determined feed angle falls within the blocking angle range. At For example, if a change in the feed angle by a predetermined angle starting from a specific starting angle would lead to a result angle that falls within the blocking angle range, the blocking angle range can be omitted in such a way that the predetermined angle is divided into a first partial angular amount and a second partial angular amount, the first partial angular amount being determined from the specific starting angle to a beginning of the blocking angle range, the second partial angular amount remaining at the predetermined angular amount to an end of the blocking angle range is added. The feed angle resulting in this way is then itself not in the blocking angle range. Alternatively, if a change in the feed angle by a predetermined angle starting from a specific starting angle would lead to a result angle that falls within the blocking angle range, the blocking angle range can be left out in such a way that the predetermined angle does not occur the determined start angle, but is added to the end of the blocking angle range.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Vorschubrichtung von Pulvermaterialschicht zu Pulvermaterialschicht um einen vorbestimmten Winkelbetrag gedreht. Dabei ist gemäß einer ersten Ausgestaltung möglich, dass der Drehpunkt außerhalb des Arbeitsbereichs liegt. Bei einer anderen, zweiten Ausgestaltung ist es möglich, dass der Drehpunkt innerhalb des Arbeitsbereichs liegt. In einer weiteren Ausgestaltung ist es möglich, dass für eine Mehrzahl von mit dem Energiestrahl beaufschlagten Bereichen, insbesondere eine Mehrzahl von Bauteilen und/oder eine Mehrzahl an zusammenhängenden Stellen, innerhalb des Arbeitsbereichs jeweils ein separater Drehpunkt festgelegt wird. Bevorzugt ist der Drehwinkel um die mehreren Drehpunkte für alle Bereiche der Mehrzahl von Bereichen und/oder in jeder Pulvermaterialschicht gleich. So kann insbesondere jeweils ein Ursprung der Bereiche geeignet gewählt werden, um insbesondere eine Anzahl der Bereiche, beispielsweise Streifen, in einer Pulvermaterialschicht und/oder eine Anzahl kurzer Vektoren in jedem zusammenhängenden Bereich zu minimieren.In one embodiment of the method, the feed direction is rotated from powder material layer to powder material layer by a predetermined angular amount. According to a first embodiment, it is possible for the pivot point to lie outside the working area. In another, second embodiment, it is possible for the pivot point to lie within the working area. In a further embodiment, it is possible for a separate pivot point to be defined within the working area for a plurality of areas exposed to the energy beam, in particular a plurality of components and/or a plurality of connected locations. Preferably, the angle of rotation about the plurality of pivot points is the same for all areas of the plurality of areas and/or in each layer of powder material. In particular, an origin of the areas can be suitably selected in each case in order in particular to minimize a number of areas, for example stripes, in a powder material layer and/or a number of short vectors in each coherent area.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Pulvermaterialschichten mit dem mindestens einen Energiestrahl in Form von Streifen bestrahlt werden, wobei sich die Streifen in Vorschubrichtung erstrecken und aus den senkrecht zur Vorschubrichtung kollinear zueinander orientierten Vektoren gebildet werden. Die Vektoren erstrecken sich dabei insbesondere in Breitenrichtung des jeweiligen Streifens, das heißt senkrecht zur Längserstreckung des Streifens, das heißt zur Vorschubrichtung. Bevorzugt erstrecken sich die Vektoren entlang der gesamten Breite des jeweiligen Streifens. Die Breite des Streifens definiert also bevorzugt die Länge der Vektoren - oder umgekehrt. Insbesondere wird ein Streifen bevorzugt sequenziell mit einer Vielzahl von in Breitenrichtung, das heißt Abtastrichtung, ausgerichteten, in Längsrichtung des Streifens, das heißt in Vorschubrichtung zueinander versetzt oder nebeneinander angeordneten Vektoren überstrichen.According to a development of the invention, it is provided that the powder material layers are irradiated with the at least one energy beam in the form of strips, with the strips extending in the feed direction and being formed from the vectors oriented collinearly with one another perpendicular to the feed direction. In this case, the vectors extend in particular in the width direction of the respective strip, that is to say perpendicular to the longitudinal extension of the strip, that is to say to the feed direction. The vectors preferably extend along the entire width of the respective strip. The width of the strip thus preferably defines the length of the vectors - or vice versa. In particular, a strip is preferably swept sequentially with a multiplicity of vectors aligned in the width direction, ie in the scanning direction, and offset from one another or arranged next to one another in the longitudinal direction of the strip, ie in the feed direction.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass einander in Vorschubrichtung unmittelbar benachbarte Vektoren entlang der Abtastrichtung parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet werden. In einer Ausführungsform des Verfahrens werden einander in Vorschubrichtung unmittelbar benachbarte Vektoren entlang der Abtastrichtung antiparallel zueinander ausgerichtet, insbesondere auch für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten in dem Sperr-Winkelbereich oder in dem Ausnahme-Winkelbereich. Diese an sich mit Blick auf die oben diskutierte Schadstoff-Problematik ungünstige Ausrichtung der Vektoren, bei der die Hälfte der Vektoren ungefähr kollinear oder kollinear mit der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet sein können, ist vorteilhaft für die mechanischen Eigenschaften des entstehenden Bauteils und unter dem Aspekt hinnehmbar oder auch insgesamt von Vorteil, dass nur eine Minderzahl von Pulvermaterialschichten von der Schadstoff-Problematik überhaupt betroffen ist.According to a further development of the invention, it is provided that vectors which are directly adjacent to one another in the feed direction are aligned parallel or antiparallel to one another along the scanning direction. In one embodiment of the method, vectors immediately adjacent to one another in the feed direction are aligned antiparallel to one another along the scanning direction, in particular also for the minority of powder material layers in the blocking angle range or in the exception angle range. This alignment of the vectors, which is unfavorable per se with regard to the pollutant problem discussed above, in which half of the vectors can be aligned approximately collinear or collinear with the direction of flow of the protective gas, is advantageous for the mechanical properties of the resulting component and is acceptable from this point of view or also an overall advantage that only a minority of powder material layers are affected by the pollutant problem at all.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der vorbestimmte Winkelbetrag, um den die Vorschubrichtung von Pulvermaterialschicht zu Pulvermaterialschicht gedreht wird, von 10°, 45°, 90°, 50°, und 180° verschieden gewählt wird. Mit dieser Wahl werden vorteilhaft solche Winkelbeträge vermieden, die zu einer häufigen, insbesondere periodischen Wiederkehr identischer Vorschubrichtungen führen würden.According to a development of the invention, it is provided that the predetermined angular amount by which the feed direction is rotated from powder material layer to powder material layer is selected to be different from 10°, 45°, 90°, 50° and 180°. This choice advantageously avoids such angular amounts that would lead to a frequent, in particular periodic recurrence of identical feed directions.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der vorbestimmte Winkelbetrag größer als 10°, vorzugsweise größer als 20°, gewählt. Dies hat sich gerade unter dem Aspekt der Vermeidung einer häufigen Wiederkehr identischer Vorschubrichtungen als vorteilhaft erwiesen.In one embodiment of the method, the predetermined angular amount is selected to be greater than 10°, preferably greater than 20°. This has proven to be advantageous precisely from the point of view of avoiding a frequent recurrence of identical feed directions.
In einer Ausführungsform des Verfahrens weist der vorbestimmte Winkelbetrag keinen von eins verschiedenen ganzzahligen gemeinsamen Teiler von 360° auf. Dies trägt in besonders günstiger Weise dazu bei, eine häufige Wiederkehr identischer Vorschubrichtungen zu vermeiden.In one embodiment of the method, the predetermined angular amount does not have a common divisor of 360° that differs from one. This contributes in a particularly favorable manner to avoiding a frequent recurrence of identical feed directions.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der vorbestimmte Winkelbetrag vorzugsweise zu 54° oder zu 67° gewählt. Gerade bei diesen Winkeln wird in besonderer Weise eine häufige Wiederkehr identischer Vorschubrichtungen vermieden.In one embodiment of the method, the predetermined angular amount is preferably chosen to be 54° or 67°. Especially with these angles, a frequent recurrence of identical feed directions is avoided in a special way.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für den Vorschubwinkel ein vorbestimmter zusätzlicher Sperr-Winkelbereich berücksichtigt wird, der von 170° bis 190°, vorzugsweise von 160° bis 200°, vorzugsweise von 150° bis 210° beträgt, wobei der Vorschubwinkel zumindest für die Mehrzahl der Pulvermaterialschichten außerhalb des vorbestimmten zusätzlichen Sperr-Winkelbereichs gewählt wird. Indem ein bestimmter Winkelbereich in der Nähe von 180° zu der Schutzgas-Strömungsrichtung für den Vorschubwinkel ausgespart wird, wird vorteilhaft erreicht, dass insbesondere streifenförmige Bereiche einer Pulvermaterialschicht mit größerer Freiheit zeitlich simultan - insbesondere mit einer Mehrzahl von Energiestrahlen - bestrahlt werden können, ohne dass eine wechselseitige Beeinflussung der streifenförmigen Bereiche mit Schadstoffen erfolgt. Insbesondere können Schadstoffe aus einem bestrahlten Bereich mit zunehmendem Abstand des Vorschubwinkels von 180° nur in zunehmend kleinere Teilbereiche unmittelbar benachbarter bestrahlter Bereiche eindringen, sodass in den unmittelbar benachbarten bestrahlten Bereichen größere Freiheit für eine simultanen Bestrahlung besteht.According to a development of the invention, it is provided that a predetermined additional blocking angle range is taken into account for the feed angle, which is from 170° to 190°, preferably from 160° to 200°, preferably from 150° to 210°, the feed angle being at least is selected for the majority of the powder material layers outside the predetermined additional blocking angle range. By leaving out a certain angular range in the vicinity of 180° to the protective gas flow direction for the feed angle, it is advantageously achieved that, in particular, strip-shaped areas of a powder material layer can be irradiated simultaneously with greater freedom - in particular with a plurality of energy beams - without there is a mutual influence of the strip-shaped areas with pollutants. In particular, pollutants from an irradiated area can only penetrate increasingly smaller sub-areas of immediately adjacent irradiated areas with increasing distance of the advance angle of 180°, so that there is greater freedom for simultaneous irradiation in the immediately adjacent irradiated areas.
Insbesondere liegt der vorbestimmte zusätzliche Sperr-Winkelbereich innerhalb des vorbestimmten Nutz-Winkelbereichs. Insbesondere beschränkt somit der zusätzliche Sperr-Winkelbereich den vorbestimmten Nutz-Winkelbereich, insbesondere auf mindestens einen Teil-Nutz-Winkelbereich. Der vorbestimmte zusätzliche Sperr-Winkelbereich teilt insbesondere den Nutz-Winkelbereich in zwei voneinander getrennte Teil-Nutz-Winkelbereiche, sodass im Ergebnis der verbleibende, für die Mehrzahl der Pulvermaterialschichten noch erlaubte Nutz-Winkelbereich die Vereinigungsmenge der beiden voneinander getrennten Teil-Nutz-Winkelbereiche ist. Beispielsweise reicht dann ein erster Teil-Nutz-Winkelbereich von 120° bis 150°, und ein zweiter Teil-Nutz-Winkelbereich reicht von 210° bis 240°, wenn einerseits der vorbestimmte Nutz-Winkelbereich von 120° bis 240° reicht und andererseits der vorbestimmte zusätzliche Sperr-Winkelbereich von 150° bis 210° reicht.In particular, the predetermined additional blocking angle range lies within the predetermined useful angle range. In particular, the additional blocking angle range thus limits the predetermined useful angle range, in particular to at least a partial useful angle range. The predetermined additional blocking angle range divides in particular the useful angle range into two separate partial useful angle ranges, so that the remaining useful angle range that is still permitted for the majority of the powder material layers is the union of the two separate partial useful angle ranges . For example, a first partial useful angle range extends from 120° to 150°, and a second partial useful angle range extends from 210° to 240°, if on the one hand the predetermined useful angular range extends from 120° to 240° and on the other hand the predetermined additional blocking angle range from 150 ° to 210 °.
Dass der Vorschubwinkel außerhalb des vorbestimmten zusätzlichen Sperr-Winkelbereichs gewählt wird, bedeutet im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere, dass der vorbestimmte zusätzlich Sperr-Winkelbereich für den Vorschubwinkel ausgespart wird, das heißt dass der Vorschubwinkel nicht in dem vorbestimmten zusätzlichen Sperr-Winkelbereich gewählt wird.In the context of the present technical teaching, the fact that the advance angle is selected outside of the predetermined additional blocking angle range means in particular that the predetermined additional blocking angle range for the advance angle is left out, i.e. that the advance angle is not selected in the predetermined additional blocking angle range .
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Vorschubwinkel für alle Pulvermaterialschichten außerhalb des vorbestimmten zusätzlichen Sperr-Winkelbereichs gewählt. In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, dass der Vorschubwinkel für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten - zusätzlich zu dem vorbestimmten Sperr-Winkelbereich oder dem vorbestimmten Ausnahme-Winkelbereich - auch in dem vorbestimmten zusätzlichen Sperr-Winkelbereich gewählt werden kann.In one embodiment of the method, the feed angle for all layers of powder material is selected outside of the predetermined additional blocking angle range. In another embodiment of the method, it is possible that the feed angle for the minority of powder material layers—in addition to the predetermined blocking angle range or the predetermined exceptional angle range—can also be selected in the predetermined additional blocking angle range.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial geschaffen wird. Die Fertigungsvorrichtung weist eine Strahlerzeugungsvorrichtung auf, die eingerichtet ist zum Erzeugen von mindestens einem Energiestrahl. Außerdem weist die Fertigungsvorrichtung eine Pulverbeschichtungsvorrichtung auf, die eingerichtet ist, um das Pulvermaterial sukzessive Pulvermaterialschicht für Pulvermaterialschicht in einem Arbeitsbereich anzuordnen. Die Fertigungsvorrichtung weist außerdem eine Scannervorrichtung auf, die eingerichtet ist, um den Arbeitsbereich lokal selektiv mit dem mindestens einen Energiestrahl zu bestrahlen, um mittels des mindestens einen Energiestrahls ein Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial schichtweise herzustellen. Weiterhin weist die Fertigungsvorrichtung eine Schutzgasvorrichtung auf, die eingerichtet ist, um eine Schutzgasströmung mit vorbestimmter Schutzgas-Strömungsrichtung über dem Arbeitsbereich zu erzeugen. Schließlich weist die Fertigungsvorrichtung eine Steuervorrichtung auf, die mit der Scannervorrichtung wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannervorrichtung anzusteuern. Die Steuervorrichtung ist weiter eingerichtet, um den mindestens einen Energiestrahl in den Pulvermaterialschichten zumindest bereichsweise in Form von entlang einer Abtastrichtung kollinear zueinander orientierten, entlang einer Vorschubrichtung nebeneinander angeordneten Vektoren zu verlagern. Die Steuervorrichtung ist außerdem eingerichtet, um einen Vorschubwinkel, den die Vorschubrichtung mit der Schutzgas-Strömungsrichtung einschließt, zwischen den Pulvermaterialschichten zu verändern, und um den Vorschubwinkel derart zu wählen, dass der Vorschubwinkel für eine Mehrzahl der Pulvermaterialschichten in einem vorbestimmten Nutz-Winkelbereich liegt, in dem die Vorschubrichtung zumindest komponentenweise entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist, wobei zugleich die Vorschubrichtung mit einer Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung einen Winkel einschließt, der größer als ein vorbestimmter Vorschub-Grenzwinkel ist, und dass der Vorschubwinkel für eine Minderzahl der Pulvermaterialschichten in einem vorbestimmten Sperr-Winkelbereich außerhalb des Nutz-Winkelbereichs liegt. In Zusammenhang mit der Fertigungsvorrichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.The object is also achieved by creating a manufacturing device for the additive manufacturing of components from a powder material. The manufacturing device has a beam generating device that is set up to generate at least one energy beam. In addition, the manufacturing device has a powder coating device that is set up to arrange the powder material successively powder material layer by powder material layer in a working area. The production device also has a scanner device that is set up to locally and selectively irradiate the work area with the at least one energy beam in order to use the at least one energy beam to produce a component layer by layer from the powder material arranged in the work area. Furthermore, the production device has a protective gas device which is set up to generate a protective gas flow with a predetermined protective gas flow direction over the working area. Finally, the manufacturing device has a control device that is operatively connected to the scanner device and set up to control the scanner device. The control device is further set up to displace the at least one energy beam in the powder material layers at least in regions in the form of vectors oriented collinearly to one another along a scanning direction and arranged next to one another along a feed direction. The control device is also set up to change a feed angle between the powder material layers, which the feed direction includes with the protective gas flow direction, and to select the feed angle in such a way that the feed angle for a plurality of the powder material layers is in a predetermined useful angle range. in which the feed direction is at least partially aligned counter to the flow direction of the protective gas, wherein at the same time the feed direction encloses an angle with a normal of the flow direction of the protective gas which is greater than a predetermined feed limit angle, and that the feed angle for a minority of the powder material layers in one predetermined blocking angle range is outside of the useful angle range. In connection with the manufacturing device, there are in particular the advantages that have already been explained in connection with the method.
Die Fertigungsvorrichtung ist insbesondere eingerichtet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens. Insbesondere ist die Steuervorrichtung bevorzugt eingerichtet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens.The production device is set up in particular to carry out the method according to the invention or one or more of the previously described embodiments of the method. In particular, the control device is preferably set up to carry out the method according to the invention or one or more of the previously described embodiments of the method.
In einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung ist die Steuervorrichtung zusätzlich mit der Schutzgasvorrichtung wirkverbunden und eingerichtet zu deren Ansteuerung, insbesondere um die Schutzgas-Strömungsrichtung einzustellen, insbesondere um die Schutzgas-Strömungsrichtung zu verändern.In one embodiment of the production device, the control device is also operatively connected to the protective gas device and set up to control it, in particular to set the direction of flow of the protective gas, in particular to change the direction of flow of the protective gas.
Die Fertigungsvorrichtung ist insbesondere eingerichtet zur Durchführung von wenigstens einem additiven oder generativen Fertigungsverfahren, das insbesondere ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem selektiven Lasersintern, einem Laser-Metall-Fusionieren (Laser Metal Fusion - LMF), einem direkten Metall-Laser-Schmelzen (Direct Metal Laser Melting - DMLM), einem Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), und einem Laser Engineered Net Shaping (LENS).The manufacturing device is set up in particular to carry out at least one additive or generative manufacturing method, which is selected in particular from a group consisting of selective laser sintering, laser metal fusion (laser metal fusion - LMF), direct metal laser melting (Direct Metal Laser Melting - DMLM), Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), and Laser Engineered Net Shaping (LENS).
In einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung ist die Strahlerzeugungsvorrichtung ein Laser.In one embodiment of the manufacturing device, the beam generating device is a laser.
In einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung weist die Pulverbeschichtungsvorrichtung eine Pulverfördervorrichtung auf, die eingerichtet ist, um Pulvermaterial aus einem Pulvervorrat in den Arbeitsbereich zu fördern und vorzugsweise das Pulvermaterial in dem Arbeitsbereich - insbesondere homogen - in einer Pulvermaterialschicht anzuordnen. Die Pulverfördervorrichtung ist bevorzugt als Schieber ausgebildet.In one embodiment of the production device, the powder coating device has a powder conveying device that is set up to convey powder material from a powder supply into the work area and preferably to arrange the powder material in the work area—in particular homogeneously—in a powder material layer. The powder conveying device is preferably designed as a slide.
Der Arbeitsbereich ist bevorzugt auf einer Bauplattform angeordnet, die schrittweise abgesenkt werden kann, um die Pulvermaterialschichten in einer gleichbleibenden Bauebene sukzessive aufeinander anordnen zu können. Der Pulvervorrat weist bevorzugt eine Hubplattform auf, die schrittweise angehoben werden kann, um Pulver für eine neue Pulvermaterialschicht dem Pulvervorrat entnehmen und in den Arbeitsbereich überführen zu können.The work area is preferably arranged on a construction platform that can be lowered step by step in order to be able to successively arrange the powder material layers on top of one another in a constant construction level. The powder store preferably has a lifting platform that can be raised step by step in order to be able to remove powder for a new layer of powder material from the powder store and transfer it to the work area.
Die Scannervorrichtung weist bevorzugt mindestens einen Scanner, insbesondere einen Galvanometer-Scanner, Piezoscanner, Polygonscanner, MEMS-Scanner, und/oder einen relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf auf - vorzugsweise für jeden Energiestrahl einer Mehrzahl von Energiestrahlen mindestens ein dem jeweiligen Energiestrahl separat zugeordnetes solches Element. Die hier vorgeschlagenen Vorrichtungen sind in besonderer Weise geeignet, den mindestens einen Energiestrahl innerhalb des Arbeitsbereichs zwischen einer Mehrzahl von Bestrahlungspositionen zu verlagern.The scanner device preferably has at least one scanner, in particular a galvanometer scanner, piezo scanner, polygon scanner, MEMS scanner, and/or a working head or processing head that can be displaced relative to the work area—preferably at least one for each energy beam of a plurality of energy beams separately from the respective energy beam associated such element. The devices proposed here are particularly suitable for shifting the at least one energy beam within the working area between a plurality of irradiation positions.
Unter einem relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf wird hier insbesondere ein integriertes Bauteil der Fertigungsvorrichtung verstanden, welches mindestens einen Strahlungsauslass für mindestens einen Energiestrahl aufweist, wobei das integrierte Bauteil, das heißt der Arbeitskopf, als Ganzes entlang zumindest einer Verlagerungsrichtung, vorzugsweise entlang zweier senkrecht aufeinander stehenden Verlagerungsrichtungen, relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbar ist. Ein solcher Arbeitskopf kann insbesondere in Portalbauweise ausgebildet sein oder von einem Roboter geführt werden. Insbesondere kann der Arbeitskopf als Roboterhand eines Roboters ausgebildet sein.A working head or processing head that can be displaced relative to the work area is understood here in particular to mean an integrated component of the production device which has at least one radiation outlet for at least one energy beam, the integrated component, i.e. the working head, as a whole along at least one displacement direction, preferably along two mutually perpendicular directions of displacement, is displaceable relative to the work area. Such a working head can, in particular, be designed in the form of a portal or be guided by a robot. In particular, the working head can be designed as a robot hand of a robot.
Die Schutzgasvorrichtung weist vorzugsweise wenigstens einen Schutzgas-Auslass, insbesondere eine Düse, vorzugsweise eine Mehrzahl von insbesondere nebeneinander angeordneten und bevorzugt parallel zueinander ausgerichteten Schutzgas-Auslässen, insbesondere Düsen, auf. Der mindestens einen Schutzgas-Auslass ist insbesondere eingerichtet, um ein gerichtetes Ausströmen des Schutzgases aus dem Schutzgas-Auslass zu bewirken und so die Schutzgas-Strömungsrichtung zu definieren.The protective gas device preferably has at least one protective gas outlet, in particular a nozzle, preferably a plurality of protective gas outlets, in particular nozzles, arranged in particular next to one another and preferably aligned parallel to one another. The at least one protective gas outlet is set up in particular to cause the protective gas to flow out of the protective gas outlet in a directed manner and thus to define the direction of flow of the protective gas.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Schutzgasvorrichtung zusätzlich wenigstens einen Schutzgas-Einlass, insbesondere eine Mehrzahl von bevorzugt nebeneinander angeordneten und insbesondere parallel zueinander ausgerichteten Schutzgas-Einlässen auf, durch den/die das Schutzgas aus dem Arbeitsbereich heraus wieder in die Schutzgasvorrichtung eintreten kann. Insbesondere ist der wenigstens eine Schutzgas-Einlass bevorzugt in Schutzgas-Strömungsrichtung gesehen dem mindestens einen Schutzgas-Auslass gegenüberliegend angeordnet, wobei der Arbeitsbereich zwischen dem mindestens einen Schutzgas-Einlass und den mindestens einen Schutzgas-Auslass angeordnet ist. In bevorzugter Ausgestaltung weist die Schutzgasvorrichtung eine Absaugvorrichtung, insbesondere eine Pumpe, auf, mittels der das Schutzgas über den mindestens einen Schutzgas-Einlass aus dem Arbeitsbereich abgesaugt werden kann. Insbesondere mittels einer Kombination aus definierter Ausströmung des Schutzgases aus dem mindestens einen Schutzgas-Auslass und definierter Absaugung des Schutzgases über den mindestens einen Schutzgas-Einlass kann die Schutzgas-Strömungsrichtung über dem Arbeitsbereich mit besonders hoher Präzision vorgegeben werden.According to a preferred embodiment, the protective gas device additionally has at least one protective gas inlet, in particular a plurality of protective gas inlets which are preferably arranged next to one another and in particular aligned parallel to one another, through which the protective gas can enter the protective gas device again from the working area. In particular, the at least one protective gas inlet is preferably arranged opposite the at least one protective gas outlet when viewed in the protective gas flow direction, with the working area being arranged between the at least one protective gas inlet and the at least one protective gas outlet. In a preferred embodiment, the protective gas device has a suction device, in particular a pump, by means of which the protective gas can be sucked out of the work area via the at least one protective gas inlet. The direction of flow of the protective gas over the working area can be specified with particularly high precision, in particular by means of a combination of defined outflow of the protective gas from the at least one protective gas outlet and defined suction of the protective gas via the at least one protective gas inlet.
Die Steuervorrichtung ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Computer, insbesondere Personal Computer (PC), einer Einschubkarte oder Ansteuerkarte, und einem FPGA-Board. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Steuervorrichtung eine RTC6-Ansteuerkarte der SCANLAB GmbH, insbesondere in der an dem den Zeitrang des vorliegenden Schutzrechts bestimmenden Tag aktuell erhältlichen Ausgestaltung.The control device is preferably selected from a group consisting of a computer, in particular a personal computer (PC), a plug-in card or control card, and an FPGA board. In a preferred configuration, the control device is an RTC6 control card from SCANLAB GmbH, in particular in the configuration currently available on the date determining the seniority of the present property right.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial; -
2 eine schematische Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial, und -
3 eine weitere schematische Erläuterung des Ausführungsbeispiels des Verfahrens.
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1 a schematic representation of an embodiment of a manufacturing device for the additive manufacturing of a component from a powder material; -
2 a schematic explanation of an embodiment of a method for additively manufacturing a component from a powder material, and -
3 a further schematic explanation of the exemplary embodiment of the method.
Die Fertigungsvorrichtung 1 weist eine Strahlerzeugungsvorrichtung 5 auf, die eingerichtet ist zum Erzeugen mindestens eines Energiestrahls 7, hier einer Mehrzahl von Energiestrahlen 7, einem ersten Energiestrahl 7.1 und einem zweiten Energiestrahl 7.2. Die Strahlerzeugungsvorrichtung 5 kann hierzu beispielsweise eine Mehrzahl von Lasern aufweisen, oder aber einen Laser, der mit einer Strahlteilervorrichtung, beispielweise einem Beamsplitter, zusammenwirkt, um die Mehrzahl von Energiestrahlen 7 zu erzeugen. Die Energiestrahlen 7 sind in bevorzugter Ausgestaltung als Laserstrahlen ausgebildet.The
Die Verlagerungsvorrichtung 1 weist eine Pulverbeschichtungsvorrichtung 8 auf, die eingerichtet ist, um das Pulvermaterial sukzessive Pulvermaterialschicht für Pulvermaterialschicht in einem Arbeitsbereich 11 anzuordnen. Die Pulverbeschichtungsvorrichtung 8 ist hier nur schematisch dargestellt; sie umfasst bevorzugt einen Schieber zur Verlagerung des Pulvermaterials von einem Pulvervorrat zu dem Arbeitsbereich 11 und zum Verteilen des Pulvermaterials in dem Arbeitsbereich 11 in Form einer vorzugsweise homogenen Pulvermaterialschicht. Der Arbeitsbereich 11 ist hierfür insbesondere auf einer schrittweise absenkbaren Bauplattform angeordnet, um die verschiedenen Pulvermaterialschichten übereinander erzeugen zu können. Zugleich ist der Pulvervorrat bevorzugt auf einer Hubplattform gelagert, um das Pulver schrittweise auf das Niveau des Arbeitsbereichs 11 anheben und dort mit dem Schieber entnehmen und in den Arbeitsbereich 11 transportieren zu können.The
Die Fertigungsvorrichtung 1 weist außerdem eine Scannervorrichtung 9 auf, die eingerichtet ist, um den Arbeitsbereich 11 lokal selektiv mit dem mindestens einen Energiestrahl 7 zumindest zeitweise zu bestrahlen, um mittels des mindestens einen Energiestrahls 7 das Bauteil 3 aus dem in dem Arbeitsbereich 11 angeordneten Pulvermaterial schichtweise herzustellen. Die Scannervorrichtung 9 kann insbesondere für jeden Energiestrahl 7 einen separat ansteuerbaren Scanner 13, beispielsweise einen Galvoscanner, aufweisen.The
Die Fertigungsvorrichtung 1 weist außerdem eine Schutzgasvorrichtung 15 auf, die eingerichtet ist, um eine Schutzgasströmung mit definierter Schutzgas-Strömungsrichtung - die hier durch erste Pfeile P1 dargestellt ist, wobei der besseren Übersichtlichkeit wegen nur einer der ersten Pfeile mit dem entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet ist - über dem Arbeitsbereich 11 zu erzeugen.The
Außerdem weist die Fertigungsvorrichtung 1 eine Steuervorrichtung 17 auf, die mit der Scannervorrichtung 9, hier insbesondere mit den einzelnen Scannern 13, wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannervorrichtung 9, insbesondere die einzelnen Scanner 13 separat, anzusteuern.In addition, the
Die Steuervorrichtung 9 ist weiter eingerichtet, um den mindestens einen Energiestrahl 7 in den Pulvermaterialschichten zumindest bereichsweise in Form von entlang einer Abtastrichtung AR kollinear zueinander orientierten, entlang einer Vorschubrichtung VR nebeneinander angeordneten Vektoren 18 zu verlagern, um einen Vorschubwinkel α, den die Vorschubrichtung VR mit der Schutzgas-Strömungsrichtung einschließt, zwischen den Pulvermaterialschichten zu verändern, und um den Vorschubwinkel α derart zu wählen, dass der Vorschubwinkel α für eine Mehrzahl der Pulvermaterialschichten in einem vorbestimmten Nutz-Winkelbereich liegt, in dem die Vorschubrichtung VR zumindest komponentenweise entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist, wobei zugleich die Vorschubrichtung VR mit einer Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung einen Winkel einschließt, der größer als ein vorbestimmter Vorschub-Grenzwinkel ist, und dass der Vorschubwinkel α für eine Minderzahl der Pulvermaterialschichten in einem vorbestimmten Sperr-Winkelbereich außerhalb des Nutz-Winkelbereichs liegt.The control device 9 is also set up to displace the at least one energy beam 7 in the powder material layers at least in regions in the form of
Es ist möglich, dass die Steuervorrichtung 9 zusätzlich mit der Schutzgasvorrichtung 15 wirkverbunden und eingerichtet ist zu deren Ansteuerung, insbesondere um die Schutzgas-Strömungsrichtung einzustellen, insbesondere um die Schutzgas-Strömungsrichtung zu verändern.It is possible for the control device 9 to be additionally operatively connected to the
Die Steuervorrichtung 9 ist insbesondere eingerichtet zur Durchführung eines im Folgenden näher erläuterten Verfahrens.The control device 9 is set up in particular to carry out a method which is explained in more detail below.
Bevorzugt wird der Arbeitsbereich 11, insbesondere sukzessive die Pulvermaterialschichten, mit dem mindestens einen Energiestrahl 7 in Form von Streifen 19 bestrahlt, die sich in Vorschubrichtung VR erstrecken, und die aus den senkrecht zur Vorschubrichtung VR kollinear zueinander orientierten Vektoren 18 gebildet werden. In
Unmittelbar einander benachbarte Vektoren 18 sind entlang der Abtastrichtung AR bevorzugt antiparallel zueinander ausgerichtet. Es ist aber auch möglich, dass die Vektoren 18 entlang der Abtastrichtung AR parallel zueinander ausgerichtet werden.
Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.Elements that are the same and have the same function are provided with the same reference symbols in all figures, so that reference is made to the previous description in each case.
Für die Mehrzahl der Pulvermaterialschichten wird der Vorschubwinkel α in einem Nutz-Winkelbereich 21 gewählt, der bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel - im mathematisch positiven Sinn - von 110° bis 250° reicht. Der vorbestimmte Vorschub-Grenzwinkel beträgt hier 20°. Bei anderen Ausführungsbeispielen des Verfahrens reicht der Nutz-Winkelbereich 21 von 112,5° bis 247,5°, oder von 120° bis 240°.For the majority of the powder material layers, the feed angle α is selected in a useful
Dargestellt ist auch ein Sperr-Winkelbereich 22, der komplementär zu dem Nutz-Winkelbereich 21 ausgebildet ist, das heißt er erstreckt sich insbesondere - im mathematisch positiven Sinn - zwischen 250° und 110°. Bei anderen Ausführungsbeispielen des Verfahrens erstreckt sich der Sperr-Winkelbereich zwischen 247,5° und 112,5°, oder zwischen 240° und 120°.A blocking
Bevorzugt wird der Vorschubwinkel α derart gewählt, dass er für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten - insbesondere ausschließlich - in einem vorbestimmten Ausnahme-Winkelbereich 23 innerhalb des Sperr-Winkelbereichs 22 liegt. In dem Ausnahme-Winkelbereich 23 schließt die Vorschubrichtung VR mit der Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung einen Winkel ein, der kleiner als der vorbestimmte Vorschub-Grenzwinkel ist, und/oder die Vorschubrichtung VR ist zumindest komponentenweise in Richtung der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet. Ist die Vorschubrichtung VR zumindest komponentenweise in Richtung der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet, schließt die Vorschubrichtung VR zugleich mit der Normalen der Schutzgas-Strömungsrichtung einen Winkel ein, der kleiner ist als ein vorbestimmter Ausnahme-Grenzwinkel, der vorzugsweise 10° oder 8° beträgt.The feed angle α is preferably selected in such a way that it lies in a predetermined exception angle range 23 within the blocking
Der vorbestimmte Ausnahme-Winkelbereich 23 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Vereinigungsmenge von zwei voneinander getrennten Teil-Winkelbereichen 23.1, 23.2, wobei ein erster Teil-Winkelbereich 23.1 der beiden Teil-Winkelbereiche 23.1, 23.2 von 80° bis 90° reicht. Bei anderen Ausführungsbeispielen des Verfahrens reicht der erste Teil-Winkelbereich 23.1 bevorzugt von 80° bis 100°, vorzugsweise von 82° bis 98°, oder von 82° bis 90°, oder von 90° bis 100°, vorzugsweise von 90° bis 98°. Ein zweiter Teil-Winkelbereich 23.2 der beiden Teil-Winkelbereiche 23.1, 23.2 reicht bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel von 270° bis 280°. Bei anderen Ausführungsbeispielen des Verfahrens reicht der zweite Teil-Winkelbereich 23.2 bevorzugt von 260° bis 280°, vorzugsweise von 262° bis 278°, oder von 270° bis 278°, oder von 260° bis 270°, vorzugsweise von 262° bis 270°.In the exemplary embodiment shown here, the predetermined exceptional angular range 23 is the union of two separate partial angular ranges 23.1, 23.2, with a first partial angular range 23.1 of the two partial angular ranges 23.1, 23.2 ranging from 80° to 90°. In other exemplary embodiments of the method, the first partial angular range 23.1 preferably ranges from 80° to 100°, preferably from 82° to 98°, or from 82° to 90°, or from 90° to 100°, preferably from 90° to 98° °. A second partial angular range 23.2 of the two partial angular ranges 23.1, 23.2 extends from 270° to 280° in the exemplary embodiment shown here. In other exemplary embodiments of the method, the second partial angular range 23.2 preferably ranges from 260° to 280°, preferably from 262° to 278°, or from 270° to 278°, or from 260° to 270°, preferably from 262° to 270 °.
Bei wieder einem anderen Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird der Vorschubwinkel α für die Minderzahl von Pulvermaterialschichten bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus: 80°, 85°, 90°, 95°, 100°, 260°, 265°, 270°, 275°, und 280°.In yet another embodiment of the method, the feed angle α for the minority of powder material layers is preferably selected from a group consisting of: 80°, 85°, 90°, 95°, 100°, 260°, 265°, 270°, 275 °, and 280°.
Vorzugsweise wird für den Vorschubwinkel ein hier nicht explizit dargestellter vorbestimmter zusätzlicher Sperr-Winkelbereich berücksichtigt, der von 170° bis 190°, vorzugsweise von 160° bis 200°, vorzugsweise von 150° bis 210° beträgt, wobei der Vorschubwinkel zumindest für die Mehrzahl der Pulvermaterialschichten außerhalb des vorbestimmten zusätzlichen Sperr-Winkelbereichs gewählt wird.A predetermined angle that is not explicitly shown here is preferably used for the feed angle additional blocking angle range is taken into account, which is from 170° to 190°, preferably from 160° to 200°, preferably from 150° to 210°, the feed angle being selected outside the predetermined additional blocking angle range at least for the majority of the powder material layers.
Bevorzugt wird der Vorschubwinkel α derart gewählt, dass die Minderzahl der Pulvermaterialschichten höchstens 17 %, vorzugsweise höchstens 13 %, vorzugsweise höchstens 12,5 %, vorzugsweise höchstens 10 %, vorzugsweise höchstens 7 %, vorzugsweise höchstens 5 %, vorzugsweise höchstens 4 %, bezogen auf die Gesamtzahl aller Pulvermaterialschichten des herzustellenden oder hergestellten Bauteils 3 beträgt, wobei die zu der Minderzahl der Pulvermaterialschichten gehörenden Pulvermaterialschichten vorzugsweise gleichmäßig über die Gesamtzahl der Pulvermaterialschichten verteilt werden.The feed angle α is preferably selected in such a way that the minority of powder material layers is at most 17%, preferably at most 13%, preferably at most 12.5%, preferably at most 10%, preferably at most 7%, preferably at most 5%, preferably at most 4% to the total number of all powder material layers of the
Bevorzugt wird der Vorschubwinkel α für jede sechste Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede achte Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede zehnte Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede 15. Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede 20. Pulvermaterialschicht, vorzugsweise für jede 25. Pulvermaterialschicht, in dem vorbestimmten Sperr-Winkelbereich 22, vorzugsweise in dem vorbestimmten Ausnahme-Winkelbereich 23, gewählt.The feed angle α is preferred for every sixth layer of powder material, preferably for every eighth layer of powder material, preferably for every tenth layer of powder material, preferably for every 15th layer of powder material, preferably for every 20th layer of powder material, preferably for every 25th layer of powder material, in the predetermined
Bevorzugt wird der Vorschubwinkel α derart gewählt, dass er für keine zwei unmittelbar übereinander angeordneten Pulvermaterialschichten jeweils in dem Sperr-Winkelbereich 22 liegt. The feed angle α is preferably selected in such a way that it does not lie in the blocking
Bevorzugt wird der Vorschubwinkel α für unmittelbar übereinander angeordnete Pulvermaterialschichten jeweils verschieden gewählt.The feed angle α is preferably selected differently for powder material layers arranged directly one above the other.
Bevorzugt wird der Vorschubwinkel α von Pulvermaterialschicht zu Pulvermaterialschicht um einen vorbestimmten Winkelbetrag, oder zufällig, oder pseudo-zufällig, verändert, wobei für die Mehrzahl der Pulvermaterialschichten der Sperr-Winkelbereich 22 vermieden, insbesondere verworfen oder übersprungen wird. Für die Minderzahl der Pulvermaterialschichten wird der Sperr-Winkelbereich 22 oder der Ausnahme-Winkelbereich 23 zugelassen.The feed angle α is preferably changed from powder material layer to powder material layer by a predetermined angular amount, or randomly, or pseudo-randomly, with the blocking
Der vorbestimmte Winkelbetrag, um den der Vorschubwinkel α von Pulvermaterialschicht zu Pulvermaterialschicht verändert wird, wird bevorzugt von 10°, 45°, 90°, 50°, und 180° verschieden gewählt. Vorzugsweise wird der vorbestimmte Winkelbetrag größer als 10°, vorzugsweise größer als 20°, gewählt. Vorzugsweise weist der vorbestimmte Winkelbetrag keinen von eins verschiedenen ganzzahligen gemeinsamen Teiler von 360° auf. Besonders bevorzugt wird der vorbestimmte Winkelbetrag zu 54° oder zu 67° gewählt.The predetermined angular amount by which the feed angle α is changed from powder material layer to powder material layer is preferably selected to be different from 10°, 45°, 90°, 50° and 180°. The predetermined angular amount is preferably selected to be greater than 10°, preferably greater than 20°. Preferably, the predetermined angular amount does not have a common divisor of 360° that is different from one. The predetermined angular amount is particularly preferably chosen to be 54° or 67°.
In den nachfolgend diskutierten Diagrammen sind verschiedene konventionell hergestellte Gruppen von Proben mit den Buchstaben A, B, C, D, E bezeichnet, und eine mithilfe des hier vorgeschlagenen Verfahrens hergestellte Gruppe von Proben ist mit dem Buchstaben X bezeichnet. Die den einzelnen Gruppen von Proben zugeordneten Daten sind jeweils - innerhalb jeder Gruppe - unterteilt in einen linken und einen rechten Bereich, wobei der linke, der einfacheren Darstellung wegen nur bei A und bei X beispielhaft mit v bezeichnete Bereich vertikal orientierte Proben nach Art der ersten Probe 3,v in
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102013205724A1 (en) | 2013-03-28 | 2014-10-02 | Eos Gmbh Electro Optical Systems | Method and device for producing a three-dimensional object |
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2021
- 2021-08-19 DE DE102021121593.5A patent/DE102021121593A1/en active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102013205724A1 (en) | 2013-03-28 | 2014-10-02 | Eos Gmbh Electro Optical Systems | Method and device for producing a three-dimensional object |
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