DE102021129607A1

DE102021129607A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung

Info

Publication number: DE102021129607A1
Application number: DE102021129607.2A
Authority: DE
Inventors: Peter Holfelder
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2021-11-12
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2023-05-17
Also published as: WO2023083649A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung von Steuerdaten (PS, BS) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2), umfassend die Schritte:- Erhalten oder Generieren von Schichtinformationen (SI) umfassend Schichtstrukturen des Bauteils, wobei Schichtstrukturen mit einer Anzahl von vorgegebenen Füllmustern (F) in Form einer Schraffur aus zueinander parallelen Verfestigungsbahnen (B) verfestigt werden sollen,- Aufteilen von Verfestigungsbahnen (B) mindestens eines der Füllmuster (F) in zumindest eine erste Gruppe (G1), eine zweite Gruppe (G2) und eine dritte Gruppe (G3), wobei jede Gruppe (G1, G2, G3) im Wesentlichen Verfestigungsbahnen (B) umfasst, die nicht unmittelbar nebeneinander liegen,- Festlegen einer Bestrahlungsreihenfolge der Verfestigungsbahnen (B) der Gruppen (G1, G2, G3), wobei zunächst die Verfestigungsbahnen (B) der ersten Gruppe (G1) verfestigt werden, dann die Verfestigungsbahnen (B) der zweiten Gruppe (G2) und dann die Verfestigungsbahnen (B) der dritten Gruppe (G3),- Generieren von Steuerdaten (PS, BS) derart, dass die Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten (PS, BS) ein Füllmuster (F) gemäß der entsprechenden Bestrahlungsreihenfolge erzeugen kann.Die Erfindung betrifft des Weiteren entsprechende Steuerdaten, eine Steuerdatenerzeugungsvorrichtung, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von Bauteilen, eine Steuereinrichtung für diese und ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise aufgebaut wird und, insbesondere jeweils zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten von Aufbaumaterial, eine selektive Verfestigung von Aufbaumaterial durch Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl erfolgt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils, wobei in einem Baufeld Aufbaumaterial schichtweise aufgebaut wird und, insbesondere jeweils zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten, eine selektive Verfestigung von Aufbaumaterial durch eine Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl erfolgt. Außerdem betrifft die Erfindung eine entsprechende Steuerdatenerzeugungsvorrichtung zur Generierung von Steuerdaten, eine Steuereinrichtung für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung sowie eine entsprechende Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils, welche mit einer solchen Steuereinrichtung ausgestattet ist.
Bei der Herstellung von Prototypen und inzwischen auch in der Serienfertigung werden additive Fertigungsprozesse immer relevanter. Im Allgemeinen sind unter „additiven Fertigungsprozessen“ solche Fertigungsprozesse zu verstehen, bei denen in der Regel auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material (dem „Aufbaumaterial“) ein Fertigungsprodukt (im Folgenden auch „Bauteil“ genannt) aufgebaut wird. Der Aufbau erfolgt dabei meist, aber nicht zwingend, schichtweise. Als ein Synonym für die additive Fertigung wird häufig auch der Begriff „3D-Druck“ verwendet, die Herstellung von Modellen, Mustern und Prototypen mit additiven Fertigungsprozessen wird oft als „Rapid Prototyping“, die Herstellung von Werkzeugen als „Rapid Tooling“ und die flexible Herstellung von Serienbauteilen wird als „Rapid Manufacturing“ bezeichnet. Wie eingangs erwähnt, ist ein Kernpunkt die selektive Verfestigung des Aufbaumaterials, wobei diese Verfestigung bei vielen Fertigungsprozessen mit Hilfe einer Bestrahlung mit Strahlungsenergie, z. B. elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht- und/oder Wärmestrahlung, aber ggf. auch mit Teilchenstrahlung wie z. B. Elektronenstrahlung erfolgen kann. Beispiele für mit einer Bestrahlung arbeitende Verfahren sind das „selektive Lasersintern“ oder „selektive Laserschmelzen“. Dabei werden wiederholt dünne Schichten eines meist pulverförmigen Aufbaumaterials übereinander aufgebracht und in jeder Schicht wird das Aufbaumaterial durch räumlich begrenztes Bestrahlen der Stellen, die nach der Fertigung zum herzustellenden Bauteil gehören sollen, in einem „Schweißprozess“ selektiv verfestigt, indem die Pulverkörner des Aufbaumaterials mit Hilfe der durch die Strahlung an dieser Stelle lokal eingebrachten Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen werden. Während einer Abkühlung verfestigen diese Pulverkörner dann miteinander zu einem Festkörper. Meist wird dabei der Energiestrahl entlang von Verfestigungsbahnen über das Baufeld geführt und das Umschmelzen bzw. Verfestigen des Materials in der jeweiligen Schicht erfolgt entsprechend in Form von „Schweißbahnen“ oder „Schweißraupen“, so dass letztlich im Bauteil eine Vielzahl solcher aus Schweißbahnen gebildeter Schichten vorliegt. Die Verfestigungsbahnen verlaufen oft in Form einer Schraffur (engl.: „hatching“) und werden daher als „Schraffurlinien“ oder „Hatchlinien“ bezeichnet.
Auf diese Weise können inzwischen Bauteile mit sehr hoher Qualität und Bruchfestigkeit hergestellt werden. Dennoch kann es natürlich auch, je nach Material, Aufbaumethode und Belastungen des Bauteils - wie bei jedem Bauteil - zu Brüchen kommen.
Insbesondere bei Füllmustern, welche aus Schraffuren bestehen, können innere mechanische Spannungen im Bauteil auftreten, welche zu Rissen oder Verformungen führen können. Diese mechanischen Spannungen treten vorwiegend aus dem Grund auf, dass Werkstoffe beim Vorgang von Aufschmelzen und Erstarren unterschiedliche Volumina annehmen. Diese können durch thermische Volumenänderungen oder Volumenänderungen aufgrund unterschiedlicher Phasen des Werkstoffs (amorphe Phasen, Kristallisationsphasen) entstehen.
Beispielsweise können metallische Werkstoffe verschiedene Gitterstrukturen aufweisen, deren Ausprägung von der Chemie als auch von der Temperatur abhängen kann. Für manche Werkstoffe tragen die Strukturen Trivialnamen wie z.B. α-, β- oder γ-Phase, aber auch Namen wie „Ferrit“ oder „Austenit“. Die Namensvergabe hängt vom Werkstoffsystem und der Geschichte ab. Titan erstarrt beispielsweise aus einer Schmelze in einem kubischen Gitter (β-Phase). Bei ca. 900°C wandelt sich das kubische Gitter in eine hexagonale Gitterstruktur (α-Phase) um. Solche Umwandlungen gehen in der Regel mit einer rapiden Volumenänderung („Volumensprung“) einher, welche nicht unbedingt isotrop sein muss, d.h. in manchen Richtungen dehnt sich ein Körper bzw. Referenzvolumen aus, in anderen Richtungen zieht er/es sich zusammen. Des Weiteren schrumpft ein Kristall mit abnehmender Temperatur durch eine sich ändernde Ausrichtung der Atomanordnungen im Kristall. Beim Erstarren kann das thermische Schrumpfen durch einen Volumensprung der Phasenumwandlung ausgeglichen werden.
Die auftretenden mechanischen Spannungen und deren Konsequenzen (z.B. Verformungen oder Risse) sind sehr nachteilig und können zur Aussonderung des Werkstücks als Ausschuss oder zum Versagen des Werkstücks bei der Anwendung führen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren zur Generierung von Steuerdaten bzw. zur additiven Fertigung eines Bauteils sowie geeignete Vorrichtungen hierfür anzugeben, um Bauteile mit verminderter innerer mechanischer Spannung herstellen zu können, vorzugsweise in einem selektiven Laserschmelzprozess, wie er eingangs genannt wurde.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Generierung von Steuerdaten gemäß Patentanspruch 1, Steuerdaten gemäß Patentanspruch 10, einer Steuerdatenerzeugungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 11, eine Steuereinrichtung für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils gemäß Patentanspruch 12, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von Bauteilen (im Folgenden auch kurz „Fertigungsvorrichtung“ genannt) gemäß Patentanspruch 13 und ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils gemäß Patentanspruch 14 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Generierung von Steuerdaten werden, wie eingangs bereits erwähnt, für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess Steuerdaten generiert. In diesem Fertigungsprozess wird in einem Baufeld Aufbaumaterial schichtweise, d. h. nacheinander in mehreren Materialauftragsebenen bzw. Materialschichten, aufgebaut. Bei dem Aufbaumaterial handelt es sich bevorzugt um ein Metallpulver. Die Erfindung ist aber nicht hierauf beschränkt, sondern kann auch mit anderen, vorzugsweise pulverförmigen, Aufbaumaterialien eingesetzt werden, wie z. B. Kunststoffen oder Keramik oder Mischungen der verschiedenen Materialien. Dabei wird, insbesondere jeweils zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten, Aufbaumaterial selektiv verfestigt, indem eine Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem von einer Bestrahlungseinheit der Fertigungsvorrichtung erzeugten Energiestrahl erfolgt (damit ist ein energetischer Strahl aus Photonen oder Partikeln, z.B. ein Lichtstrahl oder ein Elektronenstrahl gemeint). Dabei wird nicht nur das Aufbaumaterial in der obersten, frisch aufgebrachten Materialschicht von dem Energiestrahl erfasst und auf- bzw. umgeschmolzen, sondern der Energiestrahl geht üblicherweise ein Stück tiefer in das Materialbett hinein und erreicht, wie später noch erläutert wird, auch darunterliegendes, bereits umgeschmolzenes Material aus zuvor aufgetragenen Materialschichten. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für Aufbaumaterialien, bei denen während der Abkühlung eine Umwandlung der Gitterstruktur erfolgt, z.B. eine Umwandlung eines kubischen Gitters in eine hexagonale Gitterstruktur bzw. wenn mit der Abkühlung eine rapide Volumenänderung einhergeht, insbesondere eine nicht-isotrope Volumenänderung. Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Aufbaumaterial durchgeführt, das zumindest einen Werkstoff der Gruppe Titan, Zirkon, Kobalt und Magnesium umfasst, und zwar als Reinmaterial und/oder als Hauptbestandteil einer Legierung. Für diese Materialien ist die Erfindung besonders vorteilhaft.
Die Steuerdaten werden dabei derart erstellt, dass die Fertigungsvorrichtung so angesteuert wird, dass der Energiestrahl bzw. eine Auftrefffläche des Energiestrahls, wie eingangs erwähnt, entlang einer Anzahl von Verfestigungsbahnen über das Baufeld bewegt wird. Unter einem „Bewegen“ kann hierbei das übliche Ablenken des Energiestrahlbündels, z.B. durch Galvanometerspiegel, zu verstehen sein, aber auch ein Verfahren der kompletten Strahlabgabeeinheit, z.B. in Form einer Diodenbank, insbesondere Laserdiodenbank, oder durch eine bewegte Strahlformung der Bestrahlungseinheit. Durch die mit dem Energiestrahl eingebrachte Energie wird entlang dieser Verfestigungsbahnen jeweils in einem Bereich in der Auftrefffläche und um die Auftrefffläche des Energiestrahls auf dem Baufeld Aufbaumaterial umgeschmolzen, da hier jeweils der Gesamtenergieeintrag hoch genug ist. Der Energiestrahl kann dabei über den Querschnitt des Bauteils in der jeweiligen Schicht entlang einer einzigen zusammenhängenden Verfestigungsbahn (Scanspur) verfahren werden.
Üblicherweise werden von dem Energiestrahl aber kurze nebeneinander verlaufende Verfestigungsbahnen abgefahren, z.B. sogenannte Hatches oder „Hatchlinien“, die quer zu einem Bestrahlungsstreifen oder in einem Bestrahlungsfeld (beispielsweise ein Feld in einem Schachbrettmuster) verlaufen, d. h. die gesamte zu verfestigende Fläche wird virtuell in Bestrahlungsstreifen oder Bestrahlungsfelder aufgeteilt, die sich wiederum aus den Hatches zusammensetzen, die dann vom Energiestrahl nach einer vorgegebenen Scanstrategie abgefahren werden. Die Bestrahlung erfolgt im Rahmen der Erfindung zumindest teilweise auf eine Weise, dass sich ein Füllmuster in Form einer solchen Schraffur aus zueinander parallelen Verfestigungsbahnen ergibt. Hatches als Verfestigungsbahnen können gerade oder gekrümmt/gebogen sein (z. B. in Füllrichtung parallel verschobene gekrümmte Linien, z. B. Kreissegmente).
Im Folgenden wird mit dem Begriff „Hatchlinie“ bzw. „Verfestigungsbahn“ nicht nur eine existierende Bahn aus verfestigtem Aufbaumaterial bezeichnet, sondern auch Bahnen, die erst noch verfestigt werden müssen, und z.B. nur in Form eines Plans des Werkstücks oder in Form von Steuerbefehlen vorhanden sind. Somit werden mit diesen Bezeichnungen insbesondere noch nicht existierende Strukturen umfasst, aus denen ein Werkstück bei seiner Fertigung aufgebaut werden soll.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Erhalten oder Generieren von Schichtinformationen umfassend Schichtstrukturen des Bauteils, wobei Schichtstrukturen mit einer Anzahl von vorgegebenen Füllmustern in Form einer Schraffur aus zueinander parallelen Verfestigungsbahnen verfestigt werden sollen,
- Aufteilen von Verfestigungsbahnen mindestens eines der Füllmuster in zumindest eine erste Gruppe, eine zweite Gruppe und eine dritte Gruppe, wobei jede Gruppe im Wesentlichen (insbesondere nur) Verfestigungsbahnen umfasst, die (bezogen auf ein Endergebnis einer selektiven Verfestigung der Schicht) nicht unmittelbar nebeneinander liegen,
- Festlegen einer Bestrahlungsreihenfolge der Verfestigungsbahnen der Gruppen, wobei zunächst die Verfestigungsbahnen der ersten Gruppe verfestigt werden, dann die Verfestigungsbahnen der zweiten Gruppe und dann die Verfestigungsbahnen der dritten Gruppe,
- Generieren von Steuerdaten derart, dass die Vorrichtung zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten ein Füllmuster gemäß der entsprechenden Bestrahlungsreihenfolge erzeugen kann.

Das Erhalten oder Generieren von Schichtinformationen umfassend Schichtstrukturen des Bauteils ist im Stand der Technik bestens bekannt und eine übliche Vorgehensweise. Die Erfindung betrifft den Fall, dass Schichten mittels Hatches verfestigt werden sollen, sich also nebeneinanderliegende, parallele Verfestigungsbahnen berühren bzw. miteinander überlappen. Der Energiestrahl wird dabei bevorzugt so geführt, dass zwei benachbarte Verfestigungsbahnen miteinander verschweißt sind. Wie oben gesagt, sind diese Verfestigungsbahnen noch nicht in Form verfestigten Aufbaumaterials vorhanden, sondern stellen Bahnen dar, die zum Aufbau des Werkstücks verfestigt werden sollen.
Erfindungsgemäß werden aus den geplanten Verfestigungsbahnen drei Gruppen gebildet. Innerhalb einer Gruppe befinden sich dabei im Wesentlichen Verfestigungsbahnen, die nicht direkt benachbart sind, zwischen denen also noch mindestens eine weitere Verfestigungsbahn liegt. Der Ausdruck „im Wesentlichen“ bedeutet dabei, dass mindestens 90% der Verfestigungsbahnen nicht direkt benachbart sind, insbesondere mindestens 99%, wobei es zur Unterdrückung von Spannungen besonders vorteilhaft ist, wenn die drei Gruppen jede für sich ausschließlich Verfestigungsbahnen umfassen, die nicht unmittelbar nebeneinanderliegen. Wohlgemerkt können Verfestigungsbahnen unterschiedlicher Gruppen durchaus direkt nebeneinanderliegen, was auch erwünscht ist.
Wohlgemerkt ist der Ausdruck „drei Gruppen“ im Grunde als „mindestens drei Gruppen“ zu verstehen, da es weitere Gruppen geben kann. Es können aber auch genau drei Gruppen vorliegen, da dies eine sehr einfache und effektive Aufteilung darstellt.
Ausdrücke wie „benachbart“ oder „nebeneinanderliegend“ sind dabei in Bezug zur geometrischen Anordnung der Verfestigungsbahnen in einer Schichtstruktur in Aufsicht auf eine Schicht zu verstehen, insbesondere ohne Übergangsbereiche am Rand, wenn während der Verfestigung ein mäandernder Übergang erfolgen sollte. Es wird dabei nicht der Aufbau einer Schicht im Querschnitt betrachtet, auch nicht, wenn zu deren Aufbau mehrerer Male Aufbaumaterial aufgebracht werden sollte, sondern lediglich die Abstrakte Anordnung von „Linien“, die zur Verfestigung der Verfestigungsbahnen abgefahren werden (müssen), also im Grunde Trajektorien eines Grundmusters. Betrachtet man das Muster der Gesamtheit von Linien (Hatchlininen) einer Schichtstruktur in Aufsicht auf eine Schicht, so sind Hatchlinien (Verfestigungsbahnen) benachbart oder nebeneinanderliegend, wenn keine weitere Linie zwischen ihnen verläuft. Bei parallelen Linien, welche in ihrer Reihenfolge nummeriert sind, hätten benachbarte bzw. nebeneinanderliegende Linien aufeinanderfolgende Zahlen. In absoluten Maßen ausgedrückt wären bei einem Linienabstand A benachbarte bzw. nebeneinanderliegende Linien im Abstand A zueinander angeordnet. Da sich benachbarte Verfestigungsbahnen in der Regel überlappen, würde in diesem Fall mit benachbart bzw. nebeneinanderliegend auch „sich berührend“ oder „überlappend“ gemeint sein.
Die Erfindung fordert mit dem Merkmal, dass sich in einer Gruppe im Wesentlichen Verfestigungsbahnen befinden sollen, die nicht direkt benachbart sind, dass die dort vorhandenen Verfestigungsbahnen im Wesentlichen weiter auseinanderliegen als der vorgenannte Abstand A, bzw. dass bei einer aufsteigenden Nummerierung aller Verfestigungsbahnen deren Nummern im Wesentlichen mehr als 1 auseinanderliegen, bzw. die Verfestigungsbahnen im Wesentlichen nicht miteinander überlappen. Was den Abstand A betrifft, kann dieser durchaus größer sein als ein Strahldurchmesser, der zur Verfestigung eingesetzt wird, da die Breite einer Verfestigungsbahn durch Wärmeleitung nach außen bzw. durch Aufschmelzen benachbarten Materials durchaus breiter sein kann als der zur Verfestigung eingesetzte Energiestrahl.
Wenn die Gruppen gebildet sind, wird eine Bestrahlungsreihenfolge der Verfestigungsbahnen der Gruppen festgelegt. Die Gruppen werden so angeordnet, dass ihre Verfestigungsbahnen gruppenweise nacheinander erstellt werden. Dies bedeutet, dass (vorwiegend) keine direkt benachbarten Verfestigungsbahnen aufeinanderfolgend verfestigt werden.
Zuletzt werden basierend auf dieser Bestrahlungsreihenfolge Steuerdaten generiert. Dadurch dass diese Steuerdaten zu einer Verfestigung führen, bei der (vorwiegend) keine direkt benachbarten Verfestigungsbahnen aufeinanderfolgend verfestigt werden, entsteht keine sich in Arbeitsrichtung ausbreitende Schicht aus miteinander verschweißten Verfestigungsbahnen, sondern zunächst ein Muster aus einzelnen Verfestigungsbahnen, die mit jeweils einem Zwischenraum voneinander beabstandet sind (erste Gruppe), d. h. zwischen welchen unverfestigtes Aufbaumaterial liegt, und wobei dann diese Zwischenräume sukzessive mit Verfestigungsbahnen „aufgefüllt“ werden (zweite und dritte Gruppe). Es treten dadurch in der Schicht bzw. im Werkstück nur minimale interne Spannungen auf.
Nachdem der Prozess so weit fortgeschritten ist, dass eine der Gruppen abgearbeitet wurde (z.B. die erste Gruppe) kann daher durchaus eine Schicht aus neuem, pulverförmigem Aufbaumaterial aufgebracht werden, welches sich vorwiegend in den Zwischenräumen sammeln wird. Dadurch wird sichergestellt, dass für die Abarbeitung der folgenden Gruppe(n) genügend Aufbaumaterial vorhanden ist. Dies ist aber nicht unbedingt notwendig. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Fertigungsverfahren können die aufgebrachten Schichten aus Aufbaumaterial durchaus weniger Aufbaumaterial umfassen, z.B. ein Drittel, die Hälfte oder zwei Drittel. Dies hat den Vorteil, dass zwar pro Schicht dieselbe Menge an Aufbaumaterial verfestigt wird, aber das Material innerhalb einer Schicht und im Hinblick auf zwei aufeinanderliegende Schichten besser intrinsisch verschweißt ist. Bei diesem bevorzugten Verfahren, bei dem zur Fertigung einer Schicht zwei oder mehrere Male Aufbaumaterial aufgebracht wird, kann die Schicht als aus zwei oder mehr gestaffelten Teilschichten aufgebaut angesehen werden. Eine Schicht (zumindest eine Schichtstruktur des Bauteils) zeichnet sich dann bevorzugt durch sein Hatching aus: Innerhalb der gestaffelten Teilschichten ist die Hatchrichtung zur Verfestigung der Verfestigungsbahnen gleich, bei der nächstfolgenden Schicht ändert sich die Hatchrichtung.
Es ist in der Praxis zu beachten, dass sich das verflüssigte Material durch die Oberflächenspannung zusammenzieht und eine Schweißraupe bildet. Durch die Kapillarkräfte wird auch pulverförmiges Material, das mit der Schweißraupe im flüssigen Zustand in Kontakt steht, in diese gezogen. Es ist auch zu beobachten, dass im aktuellen Prozess jede Schweißnaht aus dem noch nicht verfestigten Bereich in der Regel pulverförmiges Aufbaumaterial aufnimmt. Somit ist nach dem Verfestigen der Schweißraupen in den zwischenliegenden Lücken weniger pulverförmiges Material vorhanden, als vor dem Belichten. Die Schweißraupe wölbt sich je nach Größe des Schweißbades auf. Wird die Schweißnaht zu groß, zerfällt diese in „Tröpfchen“ (siehe „Humping-Regime“ und „Railay Plateau Instability“). Somit werden die Zwischenräume geleert und durch die Masse wird die Schweißnaht höher.
Es sollte diesbezüglich beachtet werden, dass in dem Fall, dass die Lücken zwischen zwei Schweißraupen gefüllt werden, es sein kann, dass die Schmelze keinen Kontakt mehr mit dem Substrat bildet und kein Wulst entsteht, sondern die Schmelze den Kanal zwischen den Schweißraupen benetzt. Hierdurch kommt es durch die Kapillarwirkung zu einem zusätzlichen Massenfluss. Es können somit die Verfahren Tiefschweißen und Wärmeleitschweißen gemischt werden.
Als Tiefschweißen wird hier ein Vorgang angesehen, wenn sich eine Dampfkapillare bildet, auch „Keyhole“ genannt. Der auftreffende Energiestrahl erzeugt hierbei einen See aus geschmolzenem Material. Erreicht die Seeoberfläche des Materials dessen Siedetemperatur, drückt die entstehende Dampfblase die Schmelze seitlich und nach unten weg und erzeugt so die Dampfkapillare. Der Durchmesser dieses Keyholes ist kleiner als der des Energiestrahls bzw. Laserstrahls. Die Dampfkapillare entsteht dabei auch in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Energiestrahls, bei einem Laser typisch ab einer Intensität von 2 MW/cm² bei 1 m/Min. Je tiefer das Keyhole wird, desto größer werden die Kräfte, die es dann kollabieren lassen wollen und desto mehr Leistung des Energiestrahls wurde bereits absorbiert, so dass sich schließlich ein Gleichgewicht bei einer bestimmten, von gewissen Parametern abhängigen Tiefe einstellt. Infolge der Ausbildung der Dampfkapillare an der Oberfläche des Aufbaumaterials dringt das Strahlbündel tiefer unter die Oberfläche der zu verfestigenden Schicht ein. Hierdurch kann es zu einer Mehrfachreflektion des Strahlbündels kommen, durch welche die Strahlungsabsorption verbessert wird.
Als Wärmeleitungsschweißen wird hier ein Vorgang angesehen, bei dem die durch die Strahlung in das Aufbaumaterial eingetragene Strahlungsleistung pro Flächeneinheit zu niedrig ist, um eine Verdampfung des Aufbaumaterials zu bewirken. Die Energie breitet sich über Wärmeleitung in das Aufbaumaterial aus, was zu einer geringeren Ausdehnung des durch die Strahlung erzeugten Schmelzbades senkrecht zur Oberfläche führt.
Zunächst wird bevorzugt bei der Formung von nicht-benachbarten Verfestigungsbahnen ein Tiefschweißprozess verwendet und bei der Formung von Verfestigungsbahnen, die zwischen zwei bereits verfestigten Verfestigungsbahnen geformt werden, oder von Verfestigungsbahnen, die an eine bereits verfestigte Verfestigungsbahn angrenzen, ein Wärmeleitschweißprozess verwendet. Bevorzugt werden dabei Die Verfestigungsbahnen der ersten Gruppe bevorzugt mit einem Tiefschweißprozess produziert, da hier keine Kapillarkräfte wirken. Die Geschwindigkeit dafür sollte so gewählt werden, dass die Schweißnaht nicht der oben genannten Instabilität unterliegt und Humping auftritt. Die Verfestigungsbahnen der zweiten und dritten Gruppe werden bevorzugt mit einem Wärmeleitungsschweißprozess hergestellt. Es ist bevorzugt, dass der Hatchabstand im Wärmeleitungsschweißprozess mehr als das einfache des Strahldurchmessers beträgt, da die Kapillarkräfte dabei helfen, dass sich die Schmelze in den Kanal zwischen den bereits verfestigten Verfestigungsbahnen zieht.
Insbesondere wenn mit unterschiedlichen Schweißprozessen gearbeitet wird, ist bevorzugt, dass die Gruppen unterschiedliche Breiten der Verfestigungsbahnen aufweisen, insbesondere die erste Gruppe verglichen mit den anderen Gruppen. Das Verhältnis der Breiten ist bevorzugt 2:3 oder 1:2 oder 1:3 oder 1:4, wobei die erste Zahl die Breite für den Tiefschweißprozess angibt und die zweite Zahl die Breite für den Wärmeleitungsschweißprozess.
Es ergeben sich aus diesem Verfahren erfindungsgemäße Steuerdaten, die zur Steuerung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung genutzt werden können. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass Hatchlinien (Verfestigungsbahnen) so verfestigt werden, dass bei einem Füllmuster in Form eines Hatch-Musters zunächst im Wesentlichen (bzw. nur) Verfestigungsbahnen verfestigt werden, die voneinander so beabstandet sind, dass mindestens eine Hatchlinie zwischen ihnen liegt (z.B. erste Gruppe), insbesondere zwei Hatchlinien (z.B. zweite und dritte Gruppe), dann zwischen diesen bereits verfestigten Hatchlinien wiederum im Wesentlichen (bzw. nur) Verfestigungsbahnen verfestigt werden, die voneinander so beabstandet sind, dass mindestens eine (ggf. bereits verfestigte) Hatchlinie zwischen ihnen liegt (zweite Gruppe), insbesondere zwei Hatchlinien, und dann zwischen diesen verfestigten Hatchlinien wiederum im Wesentlichen (bzw. nur) Verfestigungsbahnen verfestigt werden, die voneinander so beabstandet sind, dass mindestens eine bereits verfestigte Hatchlinie zwischen ihnen liegt (dritte Gruppe), insbesondere zwei bereits verfestigte Hatchlinien. Durch diese besondere Art der Verfestigung haben Verfestigungsbahnen genügend Zeit zur Abkühlung, bevor ihre direkt benachbarten Verfestigungsbahnen verfestigt werden.
Die auf diese Weise generierten Steuerdaten können dann zur Ansteuerung der Fertigungsvorrichtung genutzt werden, damit dann die Verfestigung des Aufbaumaterials erfolgt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei möglich, den Fertigungsprozess, insbesondere einen selektiven Laserschmelzprozess, so zu steuern, dass die eingangs genannten Probleme, insbesondere das Auftreten von inneren mechanischen Spannungen im Werkstück, reduziert oder sogar ganz vermieden werden können.
Bei den Steuerdaten handelt es sich bevorzugt um Belichtungssteuerdaten, wie beispielsweise Scandaten, die die Bewegung des Energiestrahls auf der Oberfläche definieren bzw. vorgeben, Steuerdaten zur Einstellung der Höhe der Energie bzw. Laserintensität, Steuerdaten über die „Form“ des Strahls bzw. das Strahlprofil und/oder den Fokus bzw. die Ausdehnung des Strahls senkrecht zur Strahlbewegungsrichtung. Weiterhin können diese Steuerdaten aber auch andere Steuerinformationen umfassen, wie Beschichtungssteuerdaten, die vorgeben, wie dick eine aktuelle Schicht ist, Informationen zur Steuerung von Vor- oder Nachbeheizung mit anderen Energieeintragungsmitteln, zur Eindüsung von Schutzgas etc. All diese Parameter können ggf. die Einschweißtiefe beeinflussen und daher zur Steuerung derselben genutzt werden.
Nach Abarbeiten der Steuerdaten für eine Bauteilschicht kann die nächste Schicht abgearbeitet werden, wobei diese bezüglich der Schraffur zur darunterliegenden Schicht bevorzugt verdreht ist, um eine bessere innere Struktur zu schaffen. Die Steuerdaten dazu können zu Beginn des Fertigungsprozesses bereits vorliegen oder zu Beginn der Bearbeitung der betreffenden Schicht. Als Drehwinkel sind alle Primzahlen zwischen 0° und 360° bevorzugt, sowie 0° oder 90° plus eine solche Primzahl, z.B. 67° oder 90°+67°=157°. Die Drehwinkel können aber insbesondere auch so gewählt werden, dass in n aufeinanderfolgenden Schichten (z.B. mit n zwischen 5 und 9) nicht die gleichen Hatchwinkel auftreten.
Es wird an dieser Stelle daraufhin hingewiesen, dass bei Verwendung eines Laserstrahls als Energiestrahl im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt ein Dauerstrichlaser (cw) verwendet wird. Grundsätzlich könnte aber auch ein Pulslaser bzw. ein gepulst modulierter Laser (Modulation kann z. B. mit einem EOM oder AOM erfolgen) verwendet werden. Auch bei Verwendung eines gepulsten bzw. gepulst modulierten Lasers wird dessen Auftrefffläche im Sinne der Erfindung entlang der Verfestigungsbahn bewegt, auch wenn kurzzeitig im Rahmen des Pulsierens die Strahlungsleistung unterbrochen ist. Die Pulsfrequenz ist dabei auch in der Regel so hoch gewählt, dass die Einschweißtiefe hierbei nicht wesentlich beeinflusst wird, d.h. sich immer noch eine kontinuierliche Schweißraupe mit im Rahmen der üblichen Prozessschwankungen im Wesentlichen konstanter Einschweißtiefe ausbildet.
Es wird noch einmal darauf hingewiesen, dass diese besondere Art des Hatchings im gesamten Bauteil genutzt werden kann, aber nicht zwingend genutzt werden muss. Es kann zum Beispiel sinnvoll sein, einzelne Bereiche bzw. Segmente von der besonderen Fertigung auszunehmen.
Eine erfindungsgemäße Steuerdatenerzeugungsvorrichtung zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise aufgebaut wird und, insbesondere jeweils zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten von Aufbaumaterial, eine selektive Verfestigung von Aufbaumaterial durch eine Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl von einer Bestrahlungsvorrichtung erfolgt, umfasst die folgenden Komponenten:

- Eine Datenschnittstelle ausgelegt zum Empfangen von Schichtinformationen umfassend Schichtstrukturen des Bauteils, oder eine Schnitteinheit (engl: „Slicer“) ausgelegt zum Generieren von Schichtinformationen umfassend Schichtstrukturen des Bauteils, wobei Schichtstrukturen mit einem vorgegebenen Füllmuster verfestigt werden sollen. Die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung kann also mittels der im Stand der Technik bekannten Datenschnittstelle bereits erstellte Schichtinformationen empfangen oder diese mittels des im Stand der Technik bekannten Slicers selbst generieren.
- Eine Segmentierungseinheit ausgelegt zum Aufteilen von Verfestigungsbahnen mindestens eines der Füllmuster in zumindest eine erste Gruppe, eine zweite Gruppe und eine dritte Gruppe, wobei jede Gruppe im Wesentlichen (also mindestens zu 90%, insbesondere nur) Verfestigungsbahnen umfasst, die (bezogen auf ein Endergebnis einer selektiven Verfestigung der Schicht) nicht unmittelbar nebeneinanderliegen, also die nicht direkt miteinander benachbart sind. Die Segmentierungseinheit sorgt also für die Aufteilung der Verfestigungsbahnen in Gruppen, wie oben beschrieben.
- Eine Zuordnungseinheit ausgelegt zum Festlegen einer Bestrahlungsreihenfolge der Verfestigungsbahnen der Gruppen, wobei zunächst die Verfestigungsbahnen der ersten Gruppe verfestigt werden, dann die Verfestigungsbahnen der zweiten Gruppe und dann die Verfestigungsbahnen der dritten Gruppe. Die Zuordnungseinheit sorgt also für die Anordnung der zu bestrahlenden Verfestigungsbahnen basierend auf den gebildeten Gruppen (Bestrahlungsreihenfolge).
- Eine Steuerdaten-Erzeugungseinheit ausgelegt zum Generieren von Steuerdaten derart, dass die Vorrichtung zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten ein Füllmuster gemäß der entsprechenden Bestrahlungsreihenfolge erzeugen kann. Die erfindungsgemäße Steuerdatenerzeugungsvorrichtung erzeugt auf diese Weise im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfindungsgemäße Steuerdaten.

Die Steuerdatenerzeugungseinrichtung kann beispielsweise Teil einer Steuereinrichtung einer Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung von Bauteilen sein. Sie kann aber auch eigenständig auf einem anderen Rechner realisiert werden, um die Daten dann an die Steuereinrichtung zu übergeben.
Eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise aufgebaut wird und, insbesondere jeweils zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten von Aufbaumaterial, eine selektive Verfestigung von Aufbaumaterial durch eine Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl mittels einer Bestrahlungsvorrichtung erfolgt, ist dazu ausgebildet, die Vorrichtung zur additiven Fertigung der Bauteilschicht des Bauteils gemäß erfindungsgemäßer Steuerdaten anzusteuern.
Zur Generierung dieser Steuerdaten weist die erfindungsgemäße Steuereinrichtung bevorzugt eine erfindungsgemäße Steuerdatenerzeugungsvorrichtung auf und/oder eine Schnittstelle zu einer solchen Steuerdatenerzeugungsvorrichtung zur Bereitstellung der betreffenden Steuerdaten, bzw. um die Steuerdaten von der Steuerdatenerzeugungsvorrichtung zu übernehmen und um die Fertigungsvorrichtung, insbesondere zur Bestrahlung des Aufbaumaterials mit dem Energiestrahl, unter Nutzung dieser Steuerdaten anzusteuern.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung (Fertigungsvorrichtung) zur additiven Fertigung von Bauteilen in einem additiven Fertigungsprozess weist neben den üblichen Komponenten, wie einer Zuführvorrichtung zum Einbringen von Materialschichten von Aufbaumaterial - beispielsweise in Form einer Schicht von Aufbaumaterial - auf ein Baufeld in einem Prozessraum, und eine Bestrahlungsvorrichtung zum selektiven Verfestigen des Aufbaumaterials durch Bestrahlung mittels eines Energiestrahls, insbesondere zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten, zumindest eine solche Steuereinrichtung auf.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mehrere Bestrahlungsvorrichtungen aufweisen kann, die dann wie oben erwähnt entsprechend koordiniert mit den Steuerdaten angesteuert werden. Auch sei noch einmal erwähnt, dass insoweit der Energiestrahl auch aus mehreren überlagerten Energiestrahlen bestehen kann.
Die erfindungsgemäße Steuerdatenerzeugungseinrichtung kann insbesondere in Form einer Rechnereinheit mit geeigneter Software realisiert sein. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen. Insbesondere kann sie in Form von geeigneten Softwareprogrammteilen in der Rechnereinheit einer Steuerdatenerzeugungseinrichtung bzw. Steuereinrichtung realisiert sein. Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Rechnereinheiten, insbesondere Steuerdatenerzeugungseinrichtung und Steuereinrichtungen von Fertigungsvorrichtungen, auf einfache Weise durch ein Software- bzw. Firmware-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Rechnereinheit, insbesondere eine Steuerdatenerzeugungseinrichtung und/oder Steuereinrichtung, ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Rechnereinheit bzw. Steuerdatenerzeugungseinrichtung und/oder Steuereinrichtung ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z. B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z. B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen. Zum Transport zur Rechnereinheit bzw. Steuerdatenerzeugungseinrichtung und/oder Steuereinrichtung und/oder zur Speicherung an oder in der Rechnereinheit bzw. Steuerdatenerzeugungseinrichtung und/oder Steuereinrichtung kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit, insbesondere der Steuerdatenerzeugungseinrichtung und/oder der Steuereinrichtung, einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils, bzw. zur Steuerung einer Fertigungsvorrichtung, wird in einem Baufeld Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise aufgebaut. Es erfolgt dabei, insbesondere jeweils zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten von Aufbaumaterial, eine selektive Verfestigung von Aufbaumaterial durch Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl gemäß der erfindungsgemäßen Steuerdaten. In diesem Rahmen wird zur Erstellung von Schichtstrukturen des Bauteils der Energiestrahl innerhalb festgelegter Bereiche der Schichtstruktur gemäß den Steuerdaten entlang einer Anzahl von parallelen Verfestigungsbahnen über das Baufeld bewegt.
Dabei können wie erwähnt die Steuerdaten vorab generiert werden und als komplettes Paket bzw. eine Art „Steuerprotokoll“ an eine Fertigungsvorrichtung übermittelt werden, die dann den Produktionsprozess durchführt. Prinzipiell wäre es aber auch möglich, Steuerdaten während des bereits laufenden Prozesses für nachfolgende Prozessschritte zu ermitteln, beispielsweise während eine Schicht verfestigt wird, die Steuerdaten für die nächste Schicht zu ermitteln und bei der Verfestigung der weiteren Schicht zu nutzen.
Ausgangsbasis für die Steuerdaten sind dabei u. a. Daten (Schichtinformationen), die angeben, an welchen Stellen innerhalb des Prozessraumes bzw. des Baufelds Material verfestigt werden soll, d. h. welche Teile später zum Bauteil oder zu eventuellen Stützstrukturen oder dergleichen gehören sollen und welche Bereiche nicht (Schichtstrukturen des Bauteils). Diese Daten können beispielsweise einem digitalen 3D-Modell des zu fertigenden Objekts und/oder der Stützstrukturen entnommen werden.
Lediglich der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle noch einmal erwähnt, dass es sich bei dem Energiestrahl sowohl um Teilchenstrahlung als auch um elektromagnetische Strahlung, wie z. B. Licht- bzw. vorzugsweise Laserstrahlung, handeln kann.
Es wird auch darauf hingewiesen, dass auch mehrere Energiestrahlen koordiniert eingesetzt werden können, und zwar parallel an verschiedenen Stellen des Bauteilquerschnitts (z.B. zur Erhöhung der Baugeschwindigkeit) oder auch kombiniert an einer Stelle, wie später noch an einem Beispiel erläutert wird. Dementsprechend müssen die Steuerdaten so ausgebildet sein, dass mehrere Energiestrahlen koordiniert gesteuert werden.
Ebenso sei an dieser Stelle bereits erwähnt, dass die Steuerdaten zum einen für eine „einfache“ Steuerung des Prozesses dienen können, aber auch zur Regelung des Prozesses, beispielsweise indem die Steuerdaten Soll-Daten für eine weitergehende Regelung des Prozesses vorgeben. Mit anderen Worten, es können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auch die benötigten Größen für einen Regler abgeleitet werden, welcher zur Rückkopplung beispielsweise Ist-Daten erhält, die mit einem Meltpool-Monitoring oder einer zeitlich aufgelösten Optical Tomography ermittelt werden.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen und Ausführungsbeispielen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird innerhalb einer Gruppe eine Bestrahlungsfolge festgelegt, bei der die Verfestigungsbahnen dieser Gruppe aufeinanderfolgend derart verfestigt werden, dass nach dem Verfestigen einer Verfestigungsbahn bevorzugt die in einer Richtung nächstliegende Verfestigungsbahn der Gruppe verfestigt wird. Betrachtet man also die Verfestigungsbahnen innerhalb einer Gruppe (die im Wesentlichen nicht direkt benachbart sind), so wird nach dieser bevorzugten Ausführungsform nach dem Verfestigen einer Verfestigungsbahn der Gruppe die nächstgelegene Verfestigungsbahn der Gruppe in der zeitlichen Abfolge als nächstes verfestigt. Diese Ausführungsform kann alle drei Gruppen (oder mehr Gruppen) betreffen, aber auch nur eine einzelne Gruppe oder eine andere Anzahl der Gruppen, wobei in diesem Fall die anderen Gruppen nach einer anderen Reihenfolge abgearbeitet werden.
Bei parallelen Verfestigungsbahnen ist die nächstliegende Verfestigungsbahn diejenige mit dem kürzesten minimalen Abstand. Bei Verfestigungsbahnen mit anderen Geometrien wird bevorzugt der kürzeste mittlere Abstand betrachtet. Es kann aber auch der kürzeste Abstand zwischen Massenschwerpunkten der Strecken der Verfestigungsbahnen betrachtet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass eine mäandernde Führung des Energiestrahls am Rand eines Schichtsegments und eine daraus resultierende am Rand zusammenhängende Struktur der Verfestigungsbahnen diesbezüglich keine Rolle spielt. Daher wird bevorzugt der Abstand der Verfestigungsbahnen im Zentrum eines Schichtsegments betrachtet und nicht in dessen Randbereichen.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren sind die Verfestigungsbahnen in den Gruppen so gewählt, dass ihr Abstand zueinander in der ersten Gruppe kleiner ist als der Abstand der Verfestigungsbahnen der zweiten Gruppe zueinander und der Abstand der Verfestigungsbahnen der dritten Gruppe zueinander. Dies bedeutet, dass die Verfestigungsbahnen, welche in die erste Gruppe aufgenommen worden sind, näher aneinander liegen als die Verfestigungsbahnen, welche in die zweite und dritte Gruppe aufgenommen worden sind. Zwischen den Verfestigungsbahnen der zweiten und dritten Gruppe liegt dann im Endergebnis einer selektiven Verfestigung der Schicht bevorzugt stets mindestens eine Verfestigungsbahn der ersten Gruppe. Es ist dabei bevorzugt, dass zwischen jeweils zwei Verfestigungsbahnen der zweiten bzw. der dritten Gruppe genau zwei Verfestigungsbahnen der ersten Gruppe liegen. Beispielsweise sind die Verfestigungsbahnen der ersten Gruppe B1, der zweiten Gruppe B2 und der dritten Gruppe B3 wie folgt geordnet: B1, B2, B1, B3, B1, B2, B1, B3, B1, usw.
Der Abstand der Verfestigungsbahnen zueinander ist bevorzugt regelmäßig, insbesondere in allen drei Gruppen. Der Abstand ist dabei bevorzugt identisch in jeder Gruppe.
Bevorzugt ist der Abstand der Verfestigungsbahnen zueinander innerhalb der ersten Gruppe bevorzugt so gewählt, dass zwischen zwei Verfestigungsbahnen der ersten Gruppe eine Verfestigungsbahn zumindest einer der anderen Gruppen liegt. Beispielsweise liegt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verfestigungsbahnen der ersten Gruppe jeweils eine Verfestigungsbahn der Gruppe 2 oder 3.
Der Abstand der Verfestigungsbahnen zueinander innerhalb zumindest einer der anderen Gruppen (2 und/oder 3) ist bevorzugt so gewählt, dass zwischen zwei Verfestigungsbahnen der jeweiligen Gruppe jeweils mindestens eine Verfestigungsbahn der anderen beiden Gruppen liegt. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verfestigungsbahnen der zweiten Gruppe liegen bevorzugt zwei Verfestigungsbahnen der ersten Gruppe und eine Verfestigungsbahn der dritten Gruppe. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verfestigungsbahnen der dritten Gruppe liegen bevorzugt entsprechend zwei Verfestigungsbahnen der ersten Gruppe und eine Verfestigungsbahn der zweiten Gruppe.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird die Bestrahlungsreihenfolge der Verfestigungsbahnen so gewählt, dass zumindest ein wesentlicher Teil der Verfestigungsbahnen bei ihrer Bestrahlung an unverfestigtes Aufbaumaterial oder verfestigtes, abgekühltes Aufbaumaterial grenzt. Der Ausdruck „ein wesentlicher Teil“ bedeutet hier, dass die Bedingung für zumindest 90% (insbesondere mindestens 99%) einer Verfestigungsbahn bezogen auf ihre Länge und/oder mindestens 90% der Verfestigungsbahnen in allen Gruppen gilt, insbesondere für mindestens 99%. Besonders bevorzugt ist, dass die Bedingung für alle Verfestigungsbahnen gilt. Es ist auch bevorzugt, dass dies für die gesamte Länge der Verfestigungsbahnen gilt.
Der Begriff „abgekühlt“ bedeutet hier, dass eine vorbestimmte Zeit seit der Bestrahlung dieses Bereichs vergangen sein muss, welche ausreichte, dass die betreffende Verfestigungsbahn nicht mehr flüssig ist, bzw. eine vorbestimmte Temperatur (z.B. die Glasübergangstemperatur) unterschritten ist. In der Praxis können dazu genaue Zeiten je nach Werkstoff und Volumen des aufgeschmolzenen Bereichs angegeben werden. Bei Fertigstellung einer Hatchlinie mit der Länge 10 mm sind in der Regel schon 7-8 mm erstarrt. Eine Größenordnung für die Zeit bis zur Erstarrung einer üblichen Hatchlinie, nachdem ein Laser den betreffenden Ort bestrahlt hat, kann z.B. mit 60 µs bis 250 µs angenommen werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Vorgesagte bevorzugt auf einen „Streifen“ eines Hatch-Musters angewandt wird. Zur Verhinderung nachteiliger Effekte durch lange Hatchlinien (Verfestigungsbahnen) werden Hatches oftmals in Streifen mit einer festgelegten Maximalbreite gruppiert, die zumeist orthogonal zur Hatchrichtung abgearbeitet werden, wobei dann eine lokale Streifenbreite einer Länge der dort angeordneten Hatches entspricht. Gruppen von Hatches in Form dieser Streifen können in der Regel aus Gründen der Festigkeit an den Hatch-Enden miteinander überlappen. Dies bedeutet, dass eine einzelne Hatchlinie eines Streifens an ihren Enden mit einer Hatchlinie eines benachbarten Streifens überlappt. In der Regel wird ein zu verfestigender Bauteilquerschnitt in einer Schicht mit Ausnahme einer Konturlinie mit diesen Streifen flächendeckend aufgefüllt. Als „Füllmuster“ kann nun solch ein einzelner Streifen angesehen werden, da dieser eine Schraffur umfasst. Es kann aber auch ein Bereich mehrerer Streifen als Füllmuster aufgefasst werden. In diesem Falle können durchaus mehrere Gruppen als drei auftreten, wobei jedem Streifen bevorzugt (mindestens) drei Gruppen zugeordnet werden.
Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass ein Füllmuster mehrere Streifen umfasst, die als „Schraffur-Segmente“ bezeichnet werden.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird (mindestens) eines der Füllmuster in mindestens zwei Schraffur-Segmente mit jeweils zueinander parallelen Verfestigungsbahnen unterteilt, wobei auch die Verfestigungsbahnen unterschiedlicher Schraffur-Segmente zueinander parallel sind, und wobei die Verfestigungsbahnen so ausgerichtet sind, dass ihre Länge durch das jeweils andere Schraffur-Segment begrenzt wird. Das Muster ist also in Streifen senkrecht oder schräg zu den Hatchlinien unterteilt und die Streifen verlaufen nicht parallel zu den Hatchlinien. Dabei liegt bevorzugt ein Überlappungsbereich der Verfestigungsbahnen benachbarter Schraffur-Segmente vor.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Verfahren wird (mindestens) eines der Füllmuster in mindestens zwei Schraffur-Segmente mit jeweils zueinander schrägen Verfestigungsbahnen unterteilt. Dabei werden die Schraffur-Segmente besonders bevorzugt schachbrettartig angeordnet. Die schrägen Verfestigungsbahnen benachbarter Schraffur-Segmente sind bevorzugt in einem Winkel von 90° zueinander gedreht. Alternativ können die schrägen Verfestigungsbahnen benachbarter Schraffur-Segmente auch bevorzugt in Form von zufällig gewählten oder vorgegebenen Primzahlenwinkeln (Primzahlen zwischen 0° und 360°) gedreht sein. Auch hier sind die Verfestigungsbahnen so ausgerichtet, dass ihre Länge durch das jeweils andere Schraffur-Segment begrenzt wird. Das Muster ist also bevorzugt schachbrettartig mit jeweils unterschiedlichen Hatchwinkeln in jeweils angrenzenden Schraffur-Segmenten ausgestaltet. Dabei liegt bevorzugt ein Überlappungsbereich der Verfestigungsbahnen benachbarter Schraffur-Segmente vor.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren werden Verfestigungsbahnen der Schraffur-Segmente (z.B. der Streifen bzw. der schachbrettartigen Kästchen) einer Gruppe zugeordnet, insbesondere der ersten Gruppe. Es werden also über die Schraffur-Segmente übergreifend gemäß den Vorgaben für das Verfahren (im Wesentlichen nicht direkt angrenzend) Verfestigungsbahnen ausgewählt und der betreffenden Gruppe zugeordnet. Dies geschieht bevorzugt für alle Gruppen, insbesondere zunächst für die erste Gruppe.
Es sind dabei Verfestigungsbahnen benachbarter Schraffur-Segmente bevorzugt versetzt zueinander angeordnet. Dies entspricht dem Sinne der Erfindung, da versetzt zueinander angeordnete Hatchlinien benachbarter Streifen nicht direkt benachbart sind. Es werden also stets Verfestigungsbahnen ausgewählt, die weder an ihren Seiten, noch an ihren Enden überlappen/aneinanderstoßen.
Die ausgewählten Verfestigungsbahnen einer Gruppe können dann aufeinanderfolgend verfestigt werden. Bevorzugt wird jedoch eine Bestrahlungsreihenfolge der Verfestigungsbahnen der betreffenden Gruppe nach den folgenden Schritten festgelegt:

- Aufteilen von Verfestigungsbahnen mindestens eines ersten Schraffur-Segments (z. B. Kästchens bzw. Streifens) in eine erste Sub-Gruppe und eine zweite Sub-Gruppe,
- Aufteilen von Verfestigungsbahnen mindestens eines zweiten Schraffur-Segments, welches bevorzugt dem ersten Schraffur-Segment benachbart ist, in eine dritte Sub-Gruppe und eine vierte Sub-Gruppe.

Jede Sub-Gruppe umfasst dabei bevorzugt nur Verfestigungsbahnen, die nicht aufeinanderfolgend sind. Dies bedeutet, dass die Verfestigungsbahnen eine Gruppe (die nicht benachbart sind aber dennoch mit Abstand nebeneinanderliegen) so aufgeteilt werden, dass für eine Sub-Gruppe diejenigen ausgewählt werden, die nicht direkt mit Abstand nebeneinanderliegen. Nummeriert man die aufeinander folgenden Verfestigungsbahnen durch, dann sind bevorzugt in der einen Sub-Gruppe die ungeraden Verfestigungsbahnen und in der anderen Sub-Gruppe die geraden Verfestigungsbahnen eines Schraffur-Segments (z.B. eines Streifens bzw. Kästchens).
Es wird nun die Bestrahlungsreihenfolge der Verfestigungsbahnen der Sub-Gruppen festgelegt, wobei zunächst die Verfestigungsbahnen gemäß den Sub-Gruppen in einer Reihenfolge angeordnet werden. Bevorzugt werden dabei zunächst die Verfestigungsbahnen der ersten Sub-Gruppe ausgewählt, dann die Verfestigungsbahnen der dritten Sub-Gruppe, dann die Verfestigungsbahnen der zweiten Sub-Gruppe und dann die Verfestigungsbahnen der vierten Sub-Gruppe. Die Sub-Gruppen werden also jeweils zwischen den Schraffur-Segments wechselnd abgearbeitet. Dies hat den Vorteil, dass nicht nur keine direkt überlappenden bzw. aneinanderstoßenden Verfestigungsbahnen verfestigt werden, sondern auch nicht die nächstliegenden Verfestigungsbahnen einer Gruppe. Dadurch werden potentielle Spannungen weiter reduziert.
Es ist dabei bevorzugt eine innere (geometrische) Ordnung der Verfestigungsbahnen der ersten Sub-Gruppe und der dritten Sub-Gruppe gleich und/oder eine innere Ordnung der Verfestigungsbahnen der zweiten Sub-Gruppe und der vierten Sub-Gruppe gleich. Also ist die Aufteilung von Verfestigungsbahnen innerhalb eines Streifens bzw. Kästchens verglichen mit dem anderen Streifen bzw. Kästchen (bis auf die versetzte Anordnung) bevorzugt gleich. Dies fördert die Uniformität des entstehenden Füllmusters. Beispielsweise können die Verfestigungsbahnen so aufgeteilt sein, dass bei einer durchgehenden Nummerierung (jeweils von einer Seite zur anderen Seite oder jeweils zur Hatchrichtung) der Hatchlinien (Verfestigungsbahnen) und der Schraffur-Segmente in der ersten Sub-Gruppe ungerade Hatchlinien ungerader Streifen sind, in der zweiten Sub-Gruppe gerade Hatchlinien gerader Streifen sind, in der dritten Sub-Gruppe gerade Hatchlinien ungerader Streifen sind und in der vierten Sub-Gruppe ungerade Hatchlinien gerader Streifen sind. Es ist aber auch bevorzugt, dass in der ersten Sub-Gruppe ungerade Hatchlinien ungerader Streifen sind, in der zweiten Sub-Gruppe ungerade Hatchlinien gerader Streifen sind, in der dritten Sub-Gruppe gerade Hatchlinien ungerader Streifen sind und in der vierten Sub-Gruppe gerade Hatchlinien gerader Streifen sind. Gleiches ist für Schraffur-Segmente in Form von Kästchen bevorzugt, wobei „ungerade“ und „gerade“ eine Nummerierung in zwei Dimensionen betrifft.
Es können aber auch die Streifen jeder für sich (teilweise) verfestigt werden, in dem in der ersten Sub-Gruppe ungerade Hatchlinien ungerader Streifen sind, in der zweiten Sub-Gruppe gerade Hatchlinien ungerader Streifen sind, in der dritten Sub-Gruppe gerade Hatchlinien gerader Streifen sind und in der vierten Sub-Gruppe ungerade Hatchlinien gerader Streifen sind. Gleiches ist für Schraffur-Segmente in Form von Kästchen bevorzugt, wobei „ungerade“ und „gerade“ eine Nummerierung in zwei Dimensionen betrifft.
Wohlgemerkt bezieht sich die Nummerierung der Hatchlinien nicht auf alle Hatchlinien des Schraffur-Segments (Streifens bzw. Kästchens), sondern nur auf die jeweiligen Hatchlinien der entsprechenden Gruppe.
Die Richtung der Verfestigung der Verfestigungsbahnen („Hatchrichtung“) bei benachbarten Schraffur-Segmenten kann durchaus wechseln. Sie kann aber auch gleich bleiben.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren ist die Bestrahlungsreihenfolge der Verfestigungsbahnen so gestaltet, dass zwischen einer Bestrahlung von Verfestigungsbahnen unterschiedlicher Gruppen, eine weitere Materialschicht von Aufbaumaterial aufgebracht wird. Es werden also (nicht zusammenliegende) Hatchlinien verfestigt, dann weiteres Material aufgebracht und erst danach weitere Hatchlinien verfestigt. Dies geschieht bevorzugt vor der Verfestigung der Verfestigungsbahnen der zweiten Gruppe, also nachdem die Hatchlinie der ersten Gruppe verfestigt worden sind. Dies hat den Vorteil, dass Aufbaumaterial, welches ungewollt in einem Bereich verdampft wurde, welcher zum Aufbau weiterer Hatchlinien vorgesehen ist, wieder aufgefüllt wird, z.B. der Randbereich von bereits verfestigten Hatchlinien. Es ist diesbezüglich bevorzugt, dass die Menge des Aufbaumaterials bei weiteren Auftragungen geringer ist als die Menge der initialen Auftragung für die betreffende Schicht.
Bevorzugt erfolgt der Fertigungsbetrieb (also der Betrieb der Fertigungsvorrichtung, insbesondere des Energiestrahls) in diesem Rahmen zumindest zeitweise in einem „Verzahnungsmodus“. „Zumindest zeitweise“ heißt, dass der Verzahnungsmodus unter Umständen nur in bestimmten Abschnitten/Segmenten des Bauteils, z. B. im Inneren des Bauteils, angewendet wird. Grundsätzlich könnte der Verzahnungsmodus aber auch während des kompletten Produktionsprozesses genutzt werden. Dieser Verzahnungsmodus ist derart ausgestaltet, dass bei der Verfestigung einer Gruppe eine andere Intensität des Energiestrahls bzw. eine andere Verfestigungstiefe gewählt wird als bei der Verfestigung einer anderen Gruppe. Bevorzugt wird für die erste Gruppe eine geringere Verfestigungstiefe gewählt als bei der Verfestigung der zweiten und/oder dritten Gruppe. Auf diese Weise wird kompensiert, dass weiteres Aufbaumaterial aufgebracht worden ist und die Verfestigungsbahnen werden miteinander verzahnt.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird der Energiestrahl so eingestellt, dass er einen Bereich tiefer als die Dicke der jeweils zuletzt aufgebrachten Materialschicht von Aufbaumaterial beim Verfestigen der Verfestigungsbahnen aufschmilzt bzw. verfestigt. Beispielsweise wird in der Praxis von Laser Powder Bed Fusion oft mit nominellen Schichtstärken von 30-90 µm gearbeitet, da eine reale Schichtstärke prozessbedingt größer sein kann und ein Laser als Energiestrahl nur bis zu einer gewissen maximalen Tiefe einschweißt, z.B. von 150-250 µm.
Diese Ausführungsform wirkt sehr vorteilhaft mit der vorgenannten zwischengeschalteten Beschichtung zusammen. Wird z.B. mit 30 µm beschichtet, wobei jede Schweißspur bis zu einer Tiefe von 80 µm Pulver aufschmilzt, so sind alle Verfestigungsbahnen direkt übereinanderliegender Schichten miteinander verschweißt.
Es wird also in der Regel nicht nur das in der obersten, frisch aufgebrachten Materialschicht von dem Energiestrahl erfasste Aufbaumaterial geschmolzen, sondern der Energiestrahl durchdringt das Materialbett und erreicht auch darunterliegendes Material aus zuvor aufgetragenen, ggf. verfestigten Materialschichten. Die Tiefe der Schweißnaht, welche nach der Verfestigung der Schicht von der neu geschaffenen Oberfläche (d.h. der im Pulverbettverfahren in z-Richtung nach oben weisenden verfestigten Querschnittoberfläche des Bauteils; diese Oberfläche unterscheidet sich also von der Arbeitsebene bzw. Beschichterebene dadurch, dass die Arbeitsebene um eine aktuell unverfestigte Pulverschicht höher liegt als die verfestigte Querschnittoberfläche des Bauteils) aus gemessen wird, wird als „Einschweißtiefe“ oder „Verfestigungsspurtiefe“ bezeichnet. Die gewünschte mittlere Tiefe der Wirkung des Energiestrahls, die am jeweiligen Ort in der Bauebene vorgesehen ist, wird als „Soll-Einschweißtiefe“ bezeichnet. Bezüglich der unverfestigten Pulverschicht sollte beachtet werden, dass deren Dicke lokal unterschiedlich sein kann. Sie wird durch das Einsinken des darunter liegenden Materials bei der vorangegangenen Verfestigung bestimmt. Allerdings stellt sich bei konstanten Rahmenbedingungen (z. B. im Inneren eines großvolumigen Bereichs eines Bauteils) nach mehreren Schichten eine relativ gleichbleibende Schichtdicke ein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können als Mindest-Einschweißtiefe eine nominelle Schichtdicke und als Höchst-Einschweißtiefe das Achtfache der nominellen Schichtdicke festgelegt werden. Eine typische nominelle Schichtdicke liegt bei einem Lasersinterprozess bei 30 µm Schichtdicke. Dieser Wert entspricht in diesem Beispiel der Mindest-Einschweißtiefe. Ein Bearbeitungsprozess mit dem genannten Wert wird auch als „30µm-Prozess“ bezeichnet. Eine beispielhafte faktische Dicke der neu aufgetragenen Pulverschicht beträgt dagegen 120 µm. Insgesamt ergibt sich somit eine Tiefenerstreckung des Schmelzbads ausgehend von der verfestigten Bauteiloberfläche von 150 µm. Es halbiert sich aber in etwa die Dicke der neu aufgetragenen Pulverschicht während der Bearbeitung. Mit einer Maximal-Einschweißtiefe in der Höhe des Achtfachen der nominellen Schichtdicke ergibt sich ein maximaler Wert für die Tiefenerstreckung des Schmelzbads ausgehend von der verfestigten Bauteiloberfläche von 7 × 30µm = 210µm + 30µm = 240µm. Bei dieser Berechnung wird nur die verfestigte Schicht gezählt, die noch komplett unverfestigte, neu aufgezogene Pulverschicht wird nicht berücksichtigt. Als eine bevorzugte Soll-Einschweißtiefe wird eine Einschweißtiefe zwischen einer vorgegebenen Mindest-Einschweißtiefe und einer vorgegebenen Höchst-Einschweißtiefe gewählt.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren werden die Steuerdaten dermaßen generiert, dass bei der Verfestigung einer zweiten Verfestigungsbahn direkt neben einer bereits verfestigten ersten Verfestigungsbahn die Verfestigung so erfolgt, dass ein Teil der ersten (verfestigten) Verfestigungsbahn aufgeschmolzen wird, so dass die erste Verfestigungsbahn und die zweite Verfestigungsbahn nach der Verfestigung in einem Bereich miteinander überlappen. Dies hat den Vorteil, dass ein starker Verbund aus Verfestigungsbahnen im Füllmuster entsteht.
Oftmals werden Schraffuren bzw. Streifen (oder Kästchen) in jeder neuen Schicht um einen gewissen Winkel, z.B. 90° oder 67° rotiert. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Festigkeit des Werkstücks aus.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:

1 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur additiven Fertigung mit einer erfindungsgemäßen Steuerdatenerzeugungseinrichtung,
2 eine Verfestigung von Hatchlinien gemäß dem Stand der Technik,
3 eine Verfestigung von Hatchlinien gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils,
5 eine Aufteilung von Hatchlinien in drei Gruppen,
6 eine Aufteilung einer Gruppe von Hatchlinien in vier Sub-Gruppen,
7 eine Verfestigung von Hatchlinien gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
8 eine Verfestigung von Hatchlinien zur Erzeugung eines Füllmusters gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
9 ein Flussdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils.

Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung von Bauteilen in Form einer selektiven Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 beschrieben, wobei explizit noch einmal darauf hingewiesen ist, dass die Erfindung nicht auf selektive Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtungen beschränkt ist. Die Vorrichtung wird im Folgenden - ohne eine Beschränkung der Allgemeinheit - daher kurz als „Lasersintervorrichtung“ 1 bezeichnet.
Eine solche Lasersintervorrichtung 1 ist schematisch in 1 gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Prozesskammer 3 bzw. einen Prozessraum 3 mit einer Kammerwandung 4 auf, in der im Wesentlichen der Fertigungsprozess abläuft. In der Prozesskammer 3 befindet sich ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6. Die obere Öffnung des Behälters 5 bildet die jeweils aktuelle Arbeitsebene 7. Der innerhalb der Öffnung des Behälters 5 liegende Bereich dieser Arbeitsebene 7 kann zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden und wird daher als Baufeld 8 bezeichnet.
Der Behälter 5 weist eine in einer vertikalen Richtung V bewegliche Grundplatte 11 auf, die auf einem Träger 10 angeordnet ist. Diese Grundplatte 11 schließt den Behälter 5 nach unten ab und bildet damit dessen Boden. Die Grundplatte 11 kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein, sie kann aber auch eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein und an dem Träger 10 befestigt oder auf diesem einfach gelagert sein. Je nach Art des konkreten Aufbaumaterials, also beispielsweise des verwendeten Pulvers, und des Fertigungsprozesses kann auf der Grundplatte 11 eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Grundsätzlich kann das Objekt 2 aber auch auf der Grundplatte 11 selber aufgebaut werden, die dann die Bauunterlage bildet.
Der grundsätzliche Aufbau des Objekts 2 erfolgt, indem eine Schicht Aufbaumaterial 13 zunächst auf die Bauplattform 12 aufgebracht wird, dann - wie später erläutert - mit einem Laserstrahl 22 als Energiestrahl an den Punkten, welche Teile des zu fertigenden Objekts 2 bilden sollen, das Aufbaumaterial 13 selektiv verfestigt wird, dann mit Hilfe des Trägers 10 die Grundplatte 11, somit die Bauplattform 12 abgesenkt wird und eine neue Schicht des Aufbaumaterials 13 aufgetragen und selektiv verfestigt wird usw. In 1 ist das in dem Behälter auf der Bauplattform 12 aufgebaute Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt. Es weist bereits mehrere verfestigte Schichten auf, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13. Als Aufbaumaterial 13 können verschiedene Materialien verwendet werden, vorzugsweise Pulver, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver oder auch pastöse Materialien sowie optional eine Mischung mehrerer Materialien.
Frisches Aufbaumaterial 15 befindet sich in einem Vorratsbehälter 14 der Lasersintervorrichtung 1. Mit Hilfe eines in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichters 16 kann das Aufbaumaterial in der Arbeitsebene 7 bzw. innerhalb des Baufelds 8 in Form einer dünnen Schicht aufgebracht werden.
Optional befindet sich in der Prozesskammer 3 eine zusätzliche Strahlungsheizung 17. Diese kann zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 13 dienen, so dass die für die selektive Verfestigung genutzte Bestrahlungseinrichtung nicht zu viel Energie einbringen muss. Das heißt, es kann beispielsweise mit Hilfe der Strahlungsheizung 17 schon eine Menge an Grundenergie in das Aufbaumaterial 13 eingebracht werden, welche natürlich noch unterhalb der notwendigen Energie ist, bei der das Aufbaumaterial 13 verschmilzt oder sintert. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler oder VCSEL-Strahler genutzt werden.
Zum selektiven Verfestigen weist die Lasersintervorrichtung 1 eine Bestrahlungsvorrichtung 20 bzw. konkret Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21 auf. Dieser Laser 21 erzeugt einen Laserstrahl 22, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt wird, um so die gemäß der Belichtungsstrategie vorgesehenen Belichtungspfade oder Spuren (Hatchlinien) in der jeweils selektiv zu verfestigenden Schicht abzufahren und selektiv die Energie einzubringen. Weiter wird dieser Laserstrahl 22 durch eine Fokussiereinrichtung 24 auf die Arbeits- ebene 7 in geeigneter Weise fokussiert. Die Bestrahlungsvorrichtung 20 befindet sich hier vorzugsweise außerhalb der Prozesskammer 3 und der Laserstrahl 22 wird über ein an der Oberseite der Prozesskammer 3 in der Kammerwandung 4 angebrachtes Einkoppelfenster 25 in die Prozesskammer 3 geleitet.
Die Bestrahlungsvorrichtung 20 kann beispielsweise nicht nur einen, sondern mehrere Laser umfassen. Vorzugsweise kann es sich hierbei um Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z. B. Laserdioden handeln, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) oder eine Zeile dieser Laser. Ganz besonders bevorzugt können im Rahmen der Erfindung ein oder mehrere unpolarisierte Single-Mode-Laser, z. B. ein 3 kW-Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1070 nm, eingesetzt werden.
Die Steuereinrichtung 30 umfasst eine Steuereinheit 29, welche die Komponenten der Bestrahlungsvorrichtung 20, nämlich hier den Laser 21, die Umlenkvorrichtung 23 und die Fokussiervorrichtung 24, ansteuert und hierzu an diese entsprechend Bestrahlungssteuerdaten BS übergibt.
Die Steuereinheit 29 steuert auch mittels geeigneter Heizungssteuerdaten HS die Strahlungsheizung 17 an, mittels Beschichtungssteuerdaten ST den Beschichter 16 und mittels Trägersteuerdaten TS die Bewegung des Trägers 10 und steuert somit die Schichtdicke.
Die Steuereinrichtung 30 ist, hier z. B. über einen Bus 60 oder eine andere Datenverbindung, mit einem Terminal 40 mit einem Display oder dergleichen gekoppelt. Über dieses Terminal 40 kann ein Bediener die Steuereinrichtung 30 und somit die gesamte Lasersintervorrichtung 1 steuern, z. B. durch Übermittlung von Prozesssteuerdaten PS. Um den Produktionsprozess zu optimieren, werden mittels einer Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 in der erfindungsgemäßen Weise die Steuerdaten so generiert bzw. so modifiziert, dass die Ansteuerung der Vorrichtung 1 zumindest zeitweise in einem erfindungsgemäßen Modus erfolgt.
Die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 umfasst hier eine Datenschnittstelle 35 ausgelegt zum Empfangen von Schichtinformationen SI umfassend Schichtstrukturen des Bauteils. Alternativ umfasst die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 eine Schnitteinheit 35 ausgelegt zum Generieren von diesen Schichtinformationen Sl. Flächen der Schichtstrukturen sollen dabei mit einem vorgegebenen Füllmuster F verfestigt werden (s. zu den Funktionen der Komponenten auch die nachfolgenden Figuren).
Des Weiteren umfasst die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 eine Segmentierungseinheit 36 ausgelegt zum Aufteilen von Verfestigungsbahnen B mindestens eines der Füllmuster F in zumindest eine erste Gruppe G1, eine zweite Gruppe G2 und eine dritte Gruppe G3, wobei jede Gruppe G1, G2, G3 im Wesentlichen Verfestigungsbahnen B umfasst, die nicht unmittelbar nebeneinander liegen.
Des Weiteren umfasst die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 eine Zuordnungseinheit 37 ausgelegt zum Festlegen einer Bestrahlungsreihenfolge der Verfestigungsbahnen B der Gruppen G1, G2, G3, wobei zunächst die Verfestigungsbahnen B der ersten Gruppe G1 verfestigt werden, dann die Verfestigungsbahnen B der zweiten Gruppe G2 und dann die Verfestigungsbahnen B der dritten Gruppe G3.
Des Weiteren umfasst die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 eine Steuerdaten-Erzeugungseinheit 38 ausgelegt zum Generieren von Steuerdaten PS, BS derart, dass die Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten PS, BS ein Füllmuster F gemäß der entsprechenden Bestrahlungsreihenfolge erzeugen kann.
Die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 kann beispielsweise Teil der Steuereinrichtung 50 sein und dort beispielsweise in Form von Softwarekomponenten realisiert sein. Eine solche in die Steuereinrichtung 50 integrierte Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 kann beispielsweise die Prozesssteuerdaten PS übernehmen und entsprechend so modifizieren, dass die Ansteuerung der Vorrichtung 1 zumindest zeitweise in dem erfindungsgemäßen Modus erfolgt, und die entsprechend modifizierten Steuerdaten PS dann an die Steuereinheit 51 weiter übermitteln. Die modifizierten Steuerdaten PS umfassen dabei insbesondere modifizierte Belichtungssteuerdaten BS, aber ggf. auch noch andere modifizierte Steuerdaten, wie beispielsweise geänderte Beschichtungssteuerdaten ST oder Trägersteuerdaten TS, um eine passende Schichtdicke zu wählen, oder geeignete Düsensteuerdaten DS, um durch die lokale Begasung die Einschweißtiefe einzustellen. Alternativ könnten in der Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 aber auch nur die Belichtungssteuerdaten BS modifiziert werden und an die Steuereinheit 51 übergeben werden, so dass die Bestrahlungssteuerschnittstelle 31 mit den modifizierten Belichtungssteuerdaten BS arbeitet.
Bei einer besonders bevorzugten Variante ist die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 auf einer externen Rechnereinheit, beispielsweise dem Terminal 40, realisiert und liefert vorab bereits Prozesssteuerdaten PS mit entsprechend passenden Belichtungssteuerdaten BS, mit denen die Vorrichtung 1 so angesteuert wird, dass in den gewünschten Bereichen des Bauteils der beabsichtigte Modus erreicht wird. In diesem Fall könnte auf die in der Steuereinrichtung 30 hier vorhandene interne Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 auch verzichtet werden.
Wie bereits erwähnt können die durch die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 erzeugten bzw. modifizierten Prozesssteuerdaten PS, insbesondere Belichtungssteuerdaten BS, auch als Sollwerte angesehen werden, die dann in der Steuereinheit 51 für einen Regelprozess verwendet werden.
Es wird an dieser Stelle auch noch einmal darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Lasersintervorrichtung 1 beschränkt ist. Sie kann auf andere Verfahren zum generativen bzw. additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials angewendet werden, wobei ein Energiestrahl zum Verfestigen auf das zu verfestigende Aufbaumaterial abgegeben wird. Dementsprechend kann auch die Bestrahlungsvorrichtung nicht nur, wie hier beschrieben, ein Laser sein, sondern es könnte jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie als Wellen- oder Teilchenstrahlung selektiv auf bzw. in das Aufbaumaterial gebracht werden kann. Beispielsweise könnte anstelle eines Lasers eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl etc. verwendet werden.
Auch wenn in 1 nur ein einzelnes Objekt 2 bzw. Bauteil 2 dargestellt wird, ist es möglich und in der Regel auch üblich, mehrere Objekte in der Prozesskammer 3 bzw. im Behälter 5 parallel herzustellen. Dazu wird das Aufbaumaterial schichtweise an Stellen, die den Querschnitten der Objekte in der jeweiligen Schicht entsprechen, durch den Energiestrahl abgetastet.
2 zeigt eine Verfestigung von Hatchlinien B gemäß dem Stand der Technik. Dargestellt ist ein Blick von der Seite auf eine Schicht eines Bauteils 2, sozusagen ein Querschnitt. Links sind (schematisch) Partikel des Aufbaumaterials 13 zu sehen, rechts bereits verfestigte Hatchlinien B, welche zur besseren Darstellung ihrer Verfestigungsanordnung in Hatchrichtung S (Pfeil) mit nummerierten Bezeichnern n1, n2, n3, n4 versehen sind. Dadurch, dass direkt benachbarte Verfestigungsbahnen B hergestellt worden sind, welche ihr Volumen beim Abkühlen änderten, entstehen im Bauteil 2 intrinsische Spannungen, die mit einem gestrichelten Pfeil dargestellt sind.
3 zeigt eine Verfestigung von Hatchlinien B gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier ist wie in 2 ein Querschnitt durch das Bauteil 2 zu sehen, wobei die komplette Schicht in Scanrichtung S bereits verfestigt worden ist. Die Bezeichner i1, i2, i3, i4, j1, j2, k1, k2 der Verfestigungsbahnen B geben die Reihenfolge der Verfestigung an, wobei Bezeichner mit einem ‚i‘ die erste Gruppe G1, Bezeichner mit einem ‚j‘ die zweite Gruppe G2 und Bezeichner mit einem ‚k‘ die dritte Gruppe G3 kennzeichnen (s dazu auch 4). Zunächst wurden gemäß der Erfindung die Hatchlinien B ‚i‘ mit aufsteigender Nummerierung verfestigt. Zwischen diesen Hatchlinien B befand sich stets ein Zwischenraum unverfestigten Aufbaumaterials 13. Dann wurden gemäß der Erfindung die Hatchlinien B ‚j‘ mit aufsteigender Nummerierung und zuletzt die Hatchlinien B ‚k‘ mit aufsteigender Nummerierung verfestigt.
4 zeigt ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Generierung von Steuerdaten PS, BS für eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines Bauteils 2, wie sie z.B. in 1 dargestellt ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

In Schritt I werden Schichtinformationen SI umfassend Schichtstrukturen des Bauteils generiert, z.B. mittels eines sogenannten „Slicers“ (Schnitteinheit 35). Dabei sollen Schichtstrukturen mit einer Anzahl von vorgegebenen Füllmustern F in Form einer Schraffur aus zueinander parallelen Verfestigungsbahnen B verfestigt werden. Die Verfestigungsbahnen B bilden hier Füllmuster F und liegen in Form von Daten vor. Unterschiedliche Schraffuren (z.B. in unterschiedlichen Richtungen bzw. in unterschiedlichen Streifen) können als unterschiedliche Füllmuster F angesehen werden, die jeweils individuell dem erfindungsgemäßen Verfahren zugehen.
In Schritt II erfolgt ein Aufteilen von Verfestigungsbahnen B mindestens eines der Füllmuster F in eine erste Gruppe G1, eine zweite Gruppe G2 und eine dritte Gruppe G3. Diese Gruppen tragen hier die Bezeichner i, j und k (s. dazu auch 3). Jede Gruppe G1, G2, G3 umfasst hier nur Verfestigungsbahnen B, die nicht unmittelbar nebeneinander liegen, wie z.B. in 3 gezeigt ist, im Gegensatz zu 2.
In Schritt III erfolgt ein Festlegen einer Bestrahlungsreihenfolge der Verfestigungsbahnen B der Gruppen G1, G2, G3. Wie durch die Pfeile angedeutet, sollen zunächst die Verfestigungsbahnen B der ersten Gruppe G1 (Bezeichner i) verfestigt werden, dann die Verfestigungsbahnen B der zweiten Gruppe G2 (Bezeichner j) und zuletzt die Verfestigungsbahnen B der dritten Gruppe G3 (Bezeichner k). Im Bereich der Pfeile können noch zusätzlichen Schritte mit einer Auftragung von Arbeitsmaterial 13 eingefügt werden (s. z.B. 9).
In Schritt III erfolgt ein Generieren von Steuerdaten PS, BS derart, dass die Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten PS, BS ein Füllmuster F gemäß der entsprechenden Bestrahlungsreihenfolge erzeugen kann.

5 zeigt eine Aufteilung von Hatchlinien B in drei Gruppen G1, G2, G3 (s. 4) mit den Bezeichnern i. j und k (s. 3). Dargestellt ist eine Aufsicht auf eine Bauteilschicht, bei der das Hatch-Muster drei Streifen aufweist, wobei die Hatchlinien B an den Rändern der Streifen SM einander überlappen (schraffierte Bereiche an den Schraffur-Segmenten SM). Die Hatchlinien B mit dem Bezeichner i sind durchgezogene Linien, die Hatchlinien B mit dem Bezeichner j sind gestrichelte Linien und die Hatchlinien B mit dem Bezeichner k sind punktierte Linien. Es ergibt sich ein Muster, wie es bereits in 3 dargestellt worden ist.
6 zeigt eine Aufteilung einer Gruppe von Hatchlinien B in vier Sub-Gruppen ia, ib, ic, id. Ausgehend von einem Muster, wie es in 5 dargestellt wurde (hier in 6 links mit nur zwei Streifen SM), werden nun nur noch Verfestigungslinien B der ersten Gruppe G1 betrachtet (die Hatchlinien B mit dem Bezeichner i). Die übrigen Hatchlinien (Bezeichner j und k) werden ausgeblendet, was im rechten oberen Bild der 6 (in Leserichtung dem zweiten Bild) dargestellt ist.
Hatchlinien der Gruppen G2 und G3 haben jeweils den doppelten Abstand zueinander wie die Hatchlinien der Gruppe G1.
Wie im in Leserichtung dritten bzw. im rechts unten dargestellten Bild der 6 gezeigt, werden nun die betrachteten Hatchlinien B (Bezeichner i) in vier Sub-Gruppen aufgeteilt, so dass die Verfestigungsbahnen B des oberen Schraffur-Segments SM in eine erste Sub-Gruppe ia (durchgezogene Linie) und eine zweite Sub-Gruppe ib (strichpunktierte Linie) und die Verfestigungsbahnen B des unteren Schraffur-Segments SM in eine dritte Sub-Gruppe ic (durchgezogene Linie) und eine vierte Sub-Gruppe id (strichpunktierte Linie) aufgeteilt werden.
7 zeigt die Verfestigung der in 6 aufgeteilten Hatchlinien B der ersten Gruppe G1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zuerst werden die Verfestigungsbahnen B der ersten Gruppe (links oben), dann die Verfestigungsbahnen B der dritten Gruppe (rechts oben), dann die Verfestigungsbahnen B der zweiten Gruppe (links unten), und zuletzt die Verfestigungsbahnen B der vierten Gruppe (rechts unten) verfestigt.
8 zeigt nachfolgend auf 7 eine Verfestigung von Hatchlinien B zur Erzeugung eines Füllmusters gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Nach der Verfestigung gemäß 7 ergibt sich ein Muster aus Verfestigungsbahnen B wie es oben dargestellt ist. Dies sind nur die Verfestigungsbahnen B der ersten Gruppe G1 (Bezeichner i). Nun werden, wie in den 3 und 5 gezeigt, die Hatchlinien der beiden anderen Gruppen G2, G3 (Bezeichner j und k) verfestigt (Mitte). Es ergibt sich ein Muster aus miteinander überlappenden Hatchlinien B (unten) wie es in 2 von der Seite gezeigt wird. 8 zeigt dieses Muster in Aufsicht. Die „Nahtstelle“ zwischen den beiden nebeneinanderliegenden Befestigungsbahnen B ist hier im untersten Bild durch einen kleinen Versatz der Linien angedeutet. In der Praxis ist dieser Versatz in der Regel nicht vorhanden.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Generierung von Steuerdaten BS, PS für eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines Bauteils 2. Das Verfahren verläuft von oben nach unten und kehrt nach Fertigstellung einer Schicht wieder zum Anfang zurück, um erneut durchlaufen zu werden.
Zuerst erfolgt eine Auftragung einer Schicht von Arbeitsmaterial 13 (erster Kasten).
Dieses Arbeitsmaterial 13 wird mit einem Energiestrahl 22 gemäß der Erfindung (s. vorangehende Figuren) an den Stellen verfestigt, an denen sich die Hatchlinien B der ersten Gruppe G1 befinden (zweiter Kasten).
Danach erfolgt eine Auftragung einer weiteren Schicht von Arbeitsmaterial 13 über die verfestigten Hatchlinien B, die durchaus dünner sein kann, als die vorangehend aufgebrachte (dritter Kasten).
Das aufgetragene Arbeitsmaterial 13 wird nun erneut mit dem Energiestrahl 22 an den Stellen verfestigt, an denen sich die Hatchlinien B der zweiten Gruppe G2 befinden (vierter Kasten).
Dann wird das aufgetragene Arbeitsmaterial 13 mit dem Energiestrahl 22 an den Stellen verfestigt, an denen sich die Hatchlinien B der dritten Gruppe G3 befinden (fünfter Kasten).
Zuletzt wird die Hatchrichtung gedreht, z.B. um 67°. Und die nächste Schicht mit einem Hatching in der gedrehten Hatchrichtung verfestigt.
Dies wird so lange durchgeführt bis das Bauteil fertiggestellt ist.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel könnte eine Verfestigung anstatt mit Laserlicht auch mit anderen Energiestrahlen erfolgen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur additiven Fertigung / Lasersintervorrichtung
2: Bauteil / Objekt
3: Prozessraum / Prozesskammer
4: Kammerwandung
5: Behälter
6: Behälterwandung
7: Arbeitsebene
8: Baufeld
10: Träger
11: Grundplatte
12: Bauplattform
13: Aufbaumaterial (im Behälter 5)
14: Vorratsbehälter
15: Aufbaumaterial (im Vorratsbehälter 14)
16: Beschichter
17: Strahlungsheizung
20: Bestrahlungsvorrichtung / Belichtungsvorrichtung
21: Laser
22: Laserstrahl / Energiestrahl
23: Umlenkvorrichtung / Scanner
24: Fokussiereinrichtung
25: Einkoppelfenster
29: Steuereinheit
30: Steuereinrichtung
31: Bestrahlungssteuerschnittstelle
34: Steuerdatenerzeugungsvorrichtung
35: Datenschnittstelle / Schnitteinheit
36: Segmentierungseinheit
37: Zuordnungseinheit
38: Steuerdaten-Erzeugungseinheit
40: Terminal
60: Bus
B: Verfestigungsbahn / Hatchlinie
BS: Steuerdaten / Belichtungssteuerdaten
F: Füllmuster
H: horizontale Richtung
HS: Heizungssteuerdaten
i, i1, i2, i3, i4: Bezeichner
ia, ib, ic, id: Sub-Gruppe
j, j1, j2: Bezeichner
k, k1, k2: Bezeichner
n1, n2, n3, n4: Bezeichner
PS: Prozesssteuerdaten
S: Scanrichtung / Hatchrichtung
SB: Prozessraum-Sensordatensatz / Schichtbild
SDS: Prozessraum-SensordatenSI Schichtinformationen
SM: Schraffur-Segment / Streifen
ST: Beschichtungssteuerdaten
TS: Trägersteuerdaten
V: vertikale Richtung

Claims

Verfahren zur Generierung von Steuerdaten (PS, BS) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) aufgebaut wird, das Verfahren umfassend die Schritte: - Erhalten oder Generieren von Schichtinformationen (SI) umfassend Schichtstrukturen des Bauteils, wobei Schichtstrukturen mit einer Anzahl von vorgegebenen Füllmustern (F) in Form einer Schraffur aus zueinander parallelen Verfestigungsbahnen (B) verfestigt werden sollen, - Aufteilen von Verfestigungsbahnen (B) mindestens eines der Füllmuster (F) in zumindest eine erste Gruppe (G1), eine zweite Gruppe (G2) und eine dritte Gruppe (G3), wobei jede Gruppe (G1, G2, G3) im Wesentlichen Verfestigungsbahnen (B) umfasst, die nicht unmittelbar nebeneinander liegen, - Festlegen einer Bestrahlungsreihenfolge der Verfestigungsbahnen (B) der Gruppen (G1, G2, G3), wobei zunächst die Verfestigungsbahnen (B) der ersten Gruppe (G1) verfestigt werden, dann die Verfestigungsbahnen (B) der zweiten Gruppe (G2) und dann die Verfestigungsbahnen (B) der dritten Gruppe (G3), - Generieren von Steuerdaten (PS, BS) derart, dass die Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten (PS, BS) ein Füllmuster (F) gemäß der entsprechenden Bestrahlungsreihenfolge erzeugen kann.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei innerhalb einer Gruppe (G1, G2, G3) eine Bestrahlungsfolge festgelegt wird, bei der die Verfestigungsbahnen (B) dieser Gruppe (G1, G2, G3) aufeinanderfolgend derart verfestigt werden, dass nach dem Verfestigen einer Verfestigungsbahn (B) bevorzugt die in einer Richtung nächstliegende Verfestigungsbahn (B) der Gruppe (G1, G2, G3) verfestigt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Verfestigungsbahnen (B) in den Gruppen (G1, G2, G3) so gewählt sind, dass ihr Abstand zueinander in der ersten Gruppe (G1) kleiner ist als der Abstand der Verfestigungsbahnen der zweiten Gruppe (G2) zueinander und der Abstand der Verfestigungsbahnen der dritten Gruppe (G3) zueinander, und der Abstand insbesondere regelmäßig ist, wobei der Abstand der Verfestigungsbahnen (B) zueinander innerhalb der ersten Gruppe (G1) bevorzugt so gewählt ist, dass zwischen zwei Verfestigungsbahnen (B) der ersten Gruppe (G1) eine Verfestigungsbahn (B) zumindest einer der anderen Gruppen (G2, G3) liegt und wobei der Abstand der Verfestigungsbahnen (B) zueinander innerhalb der anderen Gruppen (G2, G3) bevorzugt so gewählt ist, dass zwischen zwei Verfestigungsbahnen (B) der jeweiligen Gruppe (G2, G3) jeweils mindestens eine Verfestigungsbahn (B) der anderen beiden Gruppen (G1, G2, G3) liegt.
Verfahren einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bestrahlungsreihenfolge der Verfestigungsbahnen (B) so gewählt wird, dass zumindest ein wesentlicher Teil der Verfestigungsbahnen (B) bei ihrer Bestrahlung an unverfestigtes Aufbaumaterial (13) oder verfestigtes, abgekühltes Aufbaumaterial (13) grenzt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eines der Füllmuster (F) in mindestens zwei Schraffur-Segmente - mit jeweils zueinander parallelen Verfestigungsbahnen (B) unterteilt wird, wobei auch die Verfestigungsbahnen (B) unterschiedlicher Schraffur-Segmente zueinander parallel sind, und/oder - Segmente mit jeweils zueinander schrägen Verfestigungsbahnen (B) unterteilt wird, insbesondere schachbrettartig, wobei bevorzugt die schrägen Verfestigungsbahnen (B) benachbarter Schraffur-Segmente in einem Winkel von 90° zueinander gedreht sind oder in Form von zufällig gewählten oder vorgegebenen Primzahlenwinkeln gedreht sind, und wobei die Verfestigungsbahnen (B) so ausgerichtet sind, dass ihre Länge durch das jeweils andere Schraffur-Segment begrenzt wird, wobei bevorzugt ein Überlappungsbereich der Verfestigungsbahnen (B) benachbarter Schraffur-Segmente vorliegt.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei Verfestigungsbahnen (B) der Schraffur-Segmente (SM) einer Gruppe (G1, G2, G3), insbesondere der ersten Gruppe (G1), zugeordnet werden, bevorzugt wobei Verfestigungsbahnen (B) benachbarter Schraffur-Segmente (SM) versetzt zueinander angeordnet sind, wobei eine Bestrahlungsreihenfolge der Verfestigungsbahnen (B) der betreffenden Gruppe (G1, G2, G3) nach den folgenden Schritten festgelegt wird: - Aufteilen von Verfestigungsbahnen (B) mindestens eines ersten Schraffur-Segments (SM) in eine erste Sub-Gruppe (ia) und eine zweite Sub-Gruppe (ib), - Aufteilen von Verfestigungsbahnen (B) mindestens eines zweiten Schraffur-Segments (SM), welches bevorzugt dem ersten Schraffur-Segment (SM) benachbart ist, in eine dritte Sub-Gruppe (ic) und eine vierte Sub-Gruppe (id), wobei jede Sub-Gruppe (ia, ib, ic, id) nur Verfestigungsbahnen (B) umfasst, die nicht aufeinanderfolgend sind, - Festlegen der Bestrahlungsreihenfolge der Verfestigungsbahnen (B) der Sub-Gruppen (ia, ib, ic, id), wobei zunächst die Verfestigungsbahnen (B) der ersten Sub-Gruppe (ia) ausgewählt werden, dann die Verfestigungsbahnen (B) der dritten Sub-Gruppe (ic), dann die Verfestigungsbahnen (B) der zweiten Sub-Gruppe (ib) und dann die Verfestigungsbahnen (B) der vierten Sub-Gruppe (id), wobei bevorzugt eine innere Ordnung der Verfestigungsbahnen (B) der ersten Sub-Gruppe (ia) und der dritten Sub-Gruppe (ic) gleich ist und/oder eine innere Ordnung der Verfestigungsbahnen (B) der zweiten Sub-Gruppe (ib) und der vierten Sub-Gruppe (id) gleich ist.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bestrahlungsreihenfolge der Verfestigungsbahnen (B) so gestaltet ist, dass zwischen einer Bestrahlung von Verfestigungsbahnen (B) unterschiedlicher Gruppen (G1, G2, G3), eine weitere Materialschicht von Aufbaumaterial (13) aufgebracht wird, insbesondere vor der Verfestigung der Verfestigungsbahnen (B) der zweiten Gruppe (G2).
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Energiestrahl (22) so eingestellt wird, dass er einen Bereich tiefer als die Dicke der jeweils zuletzt aufgebrachten Materialschicht von Aufbaumaterial (13) beim Verfestigen der Verfestigungsbahnen (B) verfestigt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerdaten (PS, BS) dermaßen generiert werden, dass bei der Verfestigung einer zweiten Verfestigungsbahn (B) direkt neben einer bereits verfestigten ersten Verfestigungsbahn (B) die Verfestigung so erfolgt, dass ein Teil der ersten Verfestigungsbahn (B) aufgeschmolzen wird, so dass die erste Verfestigungsbahn (B) und die zweite Verfestigungsbahn (B) einander nach der Verfestigung in einem Bereich überlappen.
Steuerdaten (PS, BS) zur Steuerung einer Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung, welche nach einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche generiert worden sind.
Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (34) zur Generierung von Steuerdaten (PS, BS) nach Anspruch 10 für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) aufgebaut wird, die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (34) umfassend: - eine Datenschnittstelle (35) ausgelegt zum Empfangen von Schichtinformationen (SI) umfassend Schichtstrukturen des Bauteils, oder eine Schnitteinheit (35) ausgelegt zum Generieren von Schichtinformationen (SI) umfassend Schichtstrukturen des Bauteils, wobei Schichtstrukturen mit einem vorgegebenen Füllmuster (F) verfestigt werden sollen, - eine Segmentierungseinheit (36) ausgelegt zum Aufteilen von Verfestigungsbahnen (B) mindestens eines der Füllmuster (F) in zumindest eine erste Gruppe (G1), eine zweite Gruppe (G2) und eine dritte Gruppe (G3), wobei jede Gruppe (G1, G2, G3) im Wesentlichen Verfestigungsbahnen (B) umfasst, die nicht unmittelbar nebeneinander liegen, - eine Zuordnungseinheit (37) ausgelegt zum Festlegen einer Bestrahlungsreihenfolge der Verfestigungsbahnen (B) der Gruppen (G1, G2, G3), wobei zunächst die Verfestigungsbahnen (B) der der ersten Gruppe (G1) verfestigt werden, dann die Verfestigungsbahnen (B) der zweiten Gruppe (G2) und dann die Verfestigungsbahnen (B) der dritten Gruppe (G3), - eine Steuerdaten-Erzeugungseinheit (38) ausgelegt zum Generieren von Steuerdaten (PS, BS) derart, dass die Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten (PS, BS) ein Füllmuster (F) gemäß der entsprechenden Bestrahlungsreihenfolge erzeugen kann.
Steuereinrichtung (30) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) mittels einer Bestrahlungsvorrichtung (20) aufgebaut wird, wobei die Steuereinrichtung (30) ausgebildet ist, die Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung der Bauteilschicht des Bauteils (2) gemäß Steuerdaten nach Anspruch 10 anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung (30) vorzugsweise eine Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (34) nach Anspruch 11 umfasst.
Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung zumindest eines Bauteils (2) in einem additiven Fertigungsprozess mit zumindest - einer Zuführvorrichtung zum Aufbringen von Materialschichten von Aufbaumaterial (13) auf ein Baufeld in einem Prozessraum (3), - einer Bestrahlungsvorrichtung (20), um, insbesondere zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten, Aufbaumaterial (13) durch Bestrahlung mit zumindest einem Energiestrahl (22) selektiv zu verfestigen, sowie - einer Steuereinrichtung (30) nach Anspruch 12.
Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (2), wobei in einem Baufeld (8) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) gemäß der Steuerdaten (PS, BS) nach Anspruch 10 aufgebaut wird, wobei zur Erstellung von Schichtstrukturen des Bauteils der Energiestrahl (22) innerhalb festgelegter Bereiche der Schichtstruktur gemäß den Steuerdaten (PS, BS) entlang einer Anzahl von parallelen Verfestigungsbahnen (B) über das Baufeld (8) bewegt wird.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (34) und/oder einer Steuereinrichtung (30) einer Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung einer Bauteilschicht eines Bauteils (2) ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder ein Verfahren nach Anspruch 14 auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (34) und/oder Steuereinrichtung (30) ausgeführt wird.