DE102022109802A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung von Steuerdaten (PS) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) das Bauteil (2) in Form von Bauteilschichten (B) durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) aufgebaut wird, das Verfahren umfassend die Schritte:a) Erhalten oder Generieren von Schichtinformationen (SI) umfassend geometrische Parameter von Bauteilschichten und/oder Informationen zu Scanvektoren von Verfestigungsbereichen (V1, V2, V3, V4), welche Bauteilschichten (B) des Bauteils (2) repräsentieren,b) Auswählen oder Generieren eines ersten Füllbereichs (F1) für einen ersten Verfestigungsbereich (V1), wobei dieser Füllbereich (F1) ein Füllmuster (FM) aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) mit einem vorgegebenen Vektorabstand aufweist,c) Erstellen eines zweiten Füllbereichs (F2) mit einem Füllmuster (FM) aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) für einen auf dem ersten Verfestigungsbereich (V1) aufliegenden zweiten Verfestigungsbereich (V2), wobei die Scanvektoren (S) des zweiten Füllbereichs (F2) im Wesentlichen parallel zu den Scanvektoren (S) des ersten Füllbereichs (F1) ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind,d) Generieren von Steuerdaten (PS) derart, dass die Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten (PS) Bauteilschichten (B) entsprechend den Verfestigungsbereichen (V1, V2, V3, V4) erzeugen kann.Die Erfindung betrifft des Weiteren entsprechende Steuerdaten, ein Verfahren zur additiven Fertigung, eine Steuerdatenerzeugungsvorrichtung, eine Steuereinrichtung sowie eine Fertigungsvorrichtung.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung („Steuerdatenerzeugungsvorrichtung“) zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl aufgebaut wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren entsprechende Steuerdaten, ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils mit solchen Steuerdaten, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung, sowie eine Steuervorrichtung für eine solche Vorrichtung.
• 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 („Bauteil“) 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. Auf diese Weise können inzwischen Bauteile mit sehr hoher Qualität und Bruchfestigkeit hergestellt werden.
• Bevorzugte Füllmuster für Flächen sind Schraffuren. Dabei wird der Energiestrahl in Form von parallelen Bahnen geführt, was zur Ausbildung einer Schraffur von parallelen Schweißbahnen oder „Verfestigungsbahnen“ führt. Die Schraffur kann aus jeweils gleichlangen Linien bestehen oder unterschiedlich langen, z.B. in Form eines Rechtecks als Füllbereich, jedoch mit Linien bzw. Verfestigungsbahnen, die zu den Seiten des Rechtecks um 45° gedreht sind. Häufig werden Flächen auch in Form eines Schachbrettmusters aus Quadraten mit unterschiedlichen gedrehten Füllmustern gebildet (womit unterschiedlich gedrehte Schraffuren gemeint sind).
• Zur Steigerung der Festigkeit werden die Füllmuster von unmittelbar übereinanderliegenden Bauteilschichten verdreht angeordnet. So sind beispielsweise im Falle eines Schachbrettmusters übereinanderliegende Füllmuster zueinander verdreht. Bei einer Untersuchung der Bauteile stellt man in der Tat durch die Verdrehung eine Steigerung der Festigkeit fest, jedoch auch gewisse Heterogenitäten, z.B. in Form von Poren innerhalb der Bauteilstruktur.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere eine Verbesserung der Qualität eines Bauteils durch Verbesserung von dessen Homogenität. insbesondere zur Reduktion von Poren (z.B. deren Anzahl und/oder Größe) oder eine schnellere Fertigung eines Bauteils bei gleichbleibender Qualität erlaubt.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, Steuerdaten gemäß Patentanspruch 10, ein Fertigungsverfahren zur additiven Fertigung gemäß Patentanspruch 11, eine Steuerdatenerzeugungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 12, eine Steuereinrichtung gemäß Patentanspruch 13 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 14 gelöst.
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl aufgebaut wird.
• Es sollte dabei beachtet werden, dass die Steuerdaten noch kein fertiges Bauteil darstellen, jedoch ein Bauteil repräsentieren, weil ein Bauteil aus Schichten von Verfestigungsbahnen bestehen, die gemäß den Steuerdaten verfestigt worden sind. Einem Bauteil (bzw. dessen Bauteilschichten) entsprechen die sogenannten „Verfestigungsbereiche“. Dieser Begriff wurde gewählt, da in einer Fertigungsebene durchaus Schichten von mehreren Bauteilen liegen können, die jede für sich verfestigt werden müssen. Jede Bauteilschicht wird dabei durch einen Verfestigungsbereich repräsentiert. Liegen mehrere Bauteilschichten in einer Fertigungsebene, so werden diese auch durch mehrere Verfestigungsbereiche repräsentiert.
• Jeder Verfestigungsbereich wiederum umfasst eine Anzahl von sogenannten „Füllbereichen“ (in der Regel eine Mehrzahl von Füllbereichen). Dieser Begriff wurde gewählt, da Bauteilschichten oftmals ein komplexes Muster aus Verfestigungsbahnen aufweisen. Beispielsweise wird der Rand einer Bauteilschicht anders verfestigt als der Innenbereich wobei der Innenbereich wiederum durchaus mehrere unterschiedliche Füllmuster aufweisen kann, z.B. mit einer schachbrettartigen Form. Ein Füllbereich ist dann eine Region des Verfestigungsbereichs mit einem uniformen Füllmuster (z.B. einer bestimmten Schraffur). Bei einem Schachbrettmuster stellen z.B. die einzelnen Kästchen Füllbereiche dar. Bevorzugt unterscheiden sich benachbarte Füllbereiche durch die Art ihres Füllmusters, z.B. die Orientierung der Scanvektoren (oder „Scanlinien“) im Raum, deren Abstand, deren Länge oder deren Form. Es kann aber auch vorkommen, dass einzelne Streifen eines Hatchings (einer Schraffur) als separate Füllmuster angesehen werden oder zwei Füllbereiche mit einem identischen Füllmuster nebeneinanderliegen. Es kann auch vorkommen, dass ein Füllbereich einen anderen Füllbereich umschließt wie z.B. eine äußere Kontur aus parallelen Scanvektoren (erster Füllbereich) einen schachbrettartigen Innenbereich (weitere Füllbereiche) umschließen kann.
• Ein Füllbereich kann mit einem benachbarten Füllbereich überlappen, wobei eine Ausdehnung der Überlappzonen einstellbar sein kann. Ein Überlapp ist in der Regel positiv, er kann jedoch auch 0 oder negativ (Abstand) sein. Überlappbereiche werden häufig unter Berücksichtigung eines dimensionalen Unterschieds zwischen einem Scanvektor in den Steuerdaten und einer realen Verfestigungsbahn in einem additiven Fertigungsverfahren gewählt. Dies liegt darin begründet, dass eine Ausdehnung bzw. ein Durchmesser des Energiestrahls und ein damit korrelierender Aushärtebereich einer Verfestigungsbahn dazu führt, dass letztere eine Breitenerstreckung hat und länger sein kann als ein korrespondierender Scanvektor in den Steuerdaten. Somit kann es trotz einem negativen Überlapp (Abstand) von Scanvektoren in der Fertigung einen positiven Überlapp von Verfestigungsbahnen geben. Überlappende benachbarte Füllbereiche sind mit der Erfindung vereinbar, da diese auf die Orientierung der Füllbereiche eingeht und ein Überlapp unerheblich ist, solange die betreffenden Füllbereiche selber definiert sind.
• Zur Übersicht: Ein Füllmuster aus (zumeist parallelen) Scanvektoren stellt einen Füllbereich dar, ein Verfestigungsbereich wird in der Regel aus mehreren Füllbereichen gebildet. Entlang der Scanvektoren werden bei der Fertigung Verfestigungsbahnen gebildet, die gemäß der Füllmuster der Füllbereiche eines Verfestigungsbereichs zu einer Bauteilschicht verfestigt werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
1. a) Erhalten oder Generieren von Schichtinformationen umfassend geometrische Parameter von Bauteilschichten und/oder Informationen zu Scanvektoren von Verfestigungsbereichen, welche Bauteilschichten des Bauteils repräsentieren,
2. b) Auswählen oder Generieren eines ersten Füllbereichs für einen ersten Verfestigungsbereich, wobei dieser Füllbereich ein Füllmuster aus zueinander parallelen Scanvektoren mit einem vorgegebenen Vektorabstand aufweist,
3. c) Erstellen eines zweiten Füllbereichs mit einem Füllmuster aus zueinander parallelen Scanvektoren für einen auf dem ersten Verfestigungsbereich aufliegenden zweiten Verfestigungsbereich, wobei die Scanvektoren des zweiten Füllbereichs im Wesentlichen parallel zu den Scanvektoren des ersten Füllbereichs ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind,
4. d) Generieren von Steuerdaten derart, dass die Vorrichtung zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten Bauteilschichten entsprechend den Verfestigungsbereichen erzeugen kann.
• Wie bereits angedeutet wurde, wird in einem Fertigungsprozess in einem Baufeld Aufbaumaterial schichtweise, d.h. nacheinander in mehreren Materialauftragsebenen bzw. Materialschichten, aufgebaut. Bei dem Aufbaumaterial handelt es sich bevorzugt um ein Metallpulver oder zumindest um ein metallbasiertes Pulver. Ein solches Pulver enthält bevorzugt mehr als 50 Gewichtsprozent Metall, insbesondere mehr als 60 Gew.-%, 70 Gew.-%, 80 Gew.-% oder gar mehr als 90 Gew.-% Metall. Das Aufbaumaterial kann aus einem bestimmten reinen Metall bestehen oder Legierungsbestandteile umfassen. 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 (insbesondere 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 auch darunterliegendes, bereits umgeschmolzenes Material aus zuvor aufgetragenen Materialschichten.
• Bei den Schichtinformationen kann es sich um bereits vorgefertigte Steuerdaten gemäß dem Stand der Technik handeln, insbesondere was die erste Bauteilschicht betrifft oder um rein geometrische Daten der einzelnen Bauteilschichten, insbesondere deren Form. Es können aber auch die Schichtinformationen zur ersten Bauteilschicht als Steuerdaten mit Scanvektoren vorliegen und weitere Schichtinformationen als rein geometrische Informationen zu den nachfolgenden Bauteilschichten. Beispielsweise können die Schichtinformationen parallele Schnitte eines CAD-generierten Bauteils sein oder auf diesen basieren.
• Da Verfestigungsbereiche Füllbereiche mit individuellen, aus Scanvektoren gebildeten, Füllmustern aufweisen, mit denen Material in Form der Bauteilschichten verfestigt werden soll, repräsentieren sie die Bauteilschichten des Bauteils. Die Steuerdaten können Daten zu den Verfestigungsbereichen umfassen, also nicht unbedingt fertige Steuerdaten, sondern geometrische Daten zu der Lage der Scanvektoren der einzelnen Füllbereiche.
• Es gibt zumindest in einem (durch Steuerdaten vorgegebenen oder im Zuge des Verfahrens erzeugten) Verfestigungsbereich eine Anzahl, insbesondere Mehrzahl oder gar Vielzahl, von Füllbereichen mit einem (jeweils individuellen) Füllmuster. Jeder Verfestigungsbereich wird also aus einer Anzahl von Füllbereichen gebildet, die gemäß den Scanvektoren verfestigt werden sollen, was bedeutet, dass bei der Fertigung Aufbaumaterial verfestigt wird und dadurch Bereiche mit einem Füllmuster gebildet werden, welche den Füllmustern der Füllbereiche entsprechen. Die Scanvektoren bilden also in jedem Füllbereich ein vorgegebenes Füllmuster, z.B. eine Schraffur. Es ist dabei wichtig, dass zumindest ein Teil der Füllmuster (und damit auch ein Teil der Füllbereiche) zueinander parallele Scanvektoren mit einem vorgegebenen Vektorabstand aufweist, also z.B. eine Schraffur, eine Anordnung konzentrischer Kreise oder eine Kontur aus mehreren parallelen Linien.
• Die Scanvektoren haben einen gewissen Vektorabstand zueinander. Mit dem Begriff „Vektorabstand“ ist ein Abstand zwischen nebeneinanderliegenden, bevorzugt ununterbrochenen, Scanvektoren gemeint, der in einer Richtung senkrecht zur Lage der Scanvektoren in derselben Ebene ermittelt wird (in Abgrenzung von einem Abstand zu Scanvektoren in einem benachbarten Streifen oder Kästchen oder in anderen Verfestigungsbereichen). Bei Verfestigungsbahnen würde der Vektorabstand dem Abstand der Zentren zweier benachbarter Verfestigungsbahnen entsprechen. Es sollte hier beachtet werden, dass bei unterbrochenen Schraffuren, z.B. bei Löchern innerhalb einer ansonsten flächig ausgedehnten Schraffur das Loch mit seinem umgebenden Füllmuster als ein anderer Füllbereich angesehen wird. Der umgebende Füllbereich weist dann eine ununterbrochene Schraffur auf. Es können Schraffuren aber durchaus auch unterbrochen sein, zumindest sofern die Scanvektoren dort weiterhin parallel zueinander liegen.
• Bei der Auswahl des ersten Füllbereichs muss dieser ein Füllmuster aus zueinander parallelen Scanvektoren aufweisen. Der erste Verfestigungsbereich kann z.B. der untersten Bauteilschicht entsprechen, jedoch auch irgendeiner anderen Bauteilschicht, jedoch nicht der obersten, da ansonsten die nachfolgenden Verfahrensschritte nicht mehr durchgeführt werden können.
• Der erste Füllbereich kann aber auch aus Schichtinformationen in Form von geometrischen Daten generiert werden. Dieser Vorgang ist Stand der Technik, dem Fachmann wohlbekannt und wird z.B. angewandt, wenn die Schichtinformationen bereits Füllbereiche bzw. Füllmuster aufweisen.
• Es sollte generell beachtet werden, dass das Verfahren immer ein initiales Füllmuster benötigt, um die darauffolgenden, darüber liegenden Füllmuster bestimmen und arrangieren zu können. Ob dieses Füllmuster bereits initial in den Schichtinformationen vorliegt oder erst aus diesen generiert wird, ist im Grunde unerheblich.
• Es werden nun zwei Füllbereiche in (unmittelbar) übereinanderliegenden Verfestigungsbereichen so angeordnet, dass die Füllmuster im Wesentlichen parallel zueinander liegen (und damit nicht zueinander gedreht sind wie im Stand der Technik). Dabei könnte der gesamte Füllbereich etwas verschoben sein oder auch das Füllmuster innerhalb des Füllbereichs.
• Der zweite Füllbereich weist also wie der erste Füllbereich auch ein Füllmuster aus zueinander parallelen Scanvektoren auf. Die Scanvektoren des zweiten Füllbereichs sind dabei nicht nur im Wesentlichen parallel zu den Scanvektoren des ersten Füllbereichs ausgerichtet, sondern auch versetzt zu diesen angeordnet. Damit ist bevorzugt eine seitliche Versetzung gemeint, was dann bei der Fertigung in eine Verzahnung der resultierenden Verfestigungsbahnen resultiert. Es kann aber auch sein, dass bei benachbarten Streifen eines Hatchings ein Längsversatz vorliegt, so dass übereinanderliegende Streifen überlappen. Der erste und der zweite Füllbereich liegen dabei selbstverständlich übereinander, wobei die Ränder aufgrund des Versatzes durchaus etwas zueinander verschoben sein können.
• Das abschließende Generieren von Steuerdaten entspricht der im Stand der Technik bekannten Vorgehensweise. Im Grunde werden die Scanvektoren in Steuerbefehle übersetzt, welche die betreffende Fertigungsvorrichtung versteht, z.B. G-code. Die Besonderheit der generierten Steuerdaten besteht darin, dass Bauteilschichten entsprechend den besonders arrangierten Verfestigungsbereichen mit erfindungsgemäß übereinanderliegenden Füllmustern erzeugt werden können.
• Wohlgemerkt wirkt das Verfahren besonders vorteilhaft, wenn man die Schritte des Verfahrens zur Anordnung der Füllbereiche für eine Vielzahl von Verfestigungsbereichen (zur Erstellung von Bauteilschichten) anwendet, so dass zwei oder mehr Verfestigungsbereiche mit erfindungsgemäß versetzten Füllmustern erzeugt werden und dann zwei oder mehr Verfestigungsbereiche mit erfindungsgemäß versetzten Füllmustern erzeugt werden, die zu den darunterliegenden gedreht sind (also im Grunde die Schritte b) und c) mit jeweils gedrehten Füllmuster wiederholt werden.
• Mit dem vorangehend beschriebenen Verfahren lassen sich erfindungsgemäße Steuerdaten erzeugen, die zur Steuerung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung dienen. Wie gesagt, zeichnen sich diese Steuerdaten dadurch aus, dass Scanvektoren unmittelbar übereinanderliegender Verfestigungsbereiche im Wesentlichen parallel und versetzt zueinander angeordnet sind. Bei der Fertigung werden also mittels dieser Steuerdaten Bauteilschichten erzeugt, die sich dadurch auszeichnen, dass Verfestigungsbahnen unmittelbar übereinanderliegender Bauteilschichten im Wesentlichen parallel und versetzt zueinander angeordnet sind. Dadurch werden Poren innerhalb eines Bauteils unterdrückt, so dass die Größe und/oder die Anzahl der Poren geringer ist als bei herkömmlichen Bauteilen, die lediglich mit verdrehten Füllmustern gefertigt wurden.
• Die Steuerdaten umfassen darüber hinaus bevorzugt weitere Konstruktionsanweisungen wie z.B. Schichtauftrag von Aufbaumaterial und insbesondere auch das Absenken der Bauplattform zwischen der Fertigung der Bauteilschichten. Dies ist bei einer Anordnung von zwei Bauteilschichten implizit gegeben, da eine neue Bauteilschicht auf einem bereits verfestigten Bereich nur durch Auftrag von neuem Aufbaumaterial erfolgen kann. Durch diesen Auftrag ist es in der Regel notwendig, die Bauplattform abzusenken.
• Bei einem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils, wird in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl gemäß den erfindungsgemäßen Steuerdaten aufgebaut. Zur Erstellung von Bauteilschichten des Bauteils wird der Energiestrahl dabei gemäß den Steuerdaten über das Baufeld bewegt, also entlang den in den Steuerdaten enthaltenen Scanvektoren und damit in Form der angegebenen Füllmuster.
• Eine erfindungsgemäße Steuerdatenerzeugungsvorrichtung dient zur Generierung von erfindungsgemäßen Steuerdaten (gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren) für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl aufgebaut wird.
• Die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung umfasst die folgenden Komponenten:
• - Eine Datenschnittstelle ausgelegt zum Empfangen von Schichtinformationen umfassend geometrische Parameter von Bauteilschichten und/oder Informationen zu Scanvektoren von Verfestigungsbereichen, welche Bauteilschichten des Bauteils repräsentieren,
• - ein Steuermodul ausgelegt zum
  • i) Auswählen oder Generieren eines ersten Füllbereichs für einen ersten Verfestigungsbereich, wobei dieser Füllbereich ein Füllmuster aus zueinander parallelen Scanvektoren mit einem vorgegebenen Vektorabstand aufweist,
  • ii) Erstellen eines zweiten Füllbereichs mit einem Füllmuster aus zueinander parallelen Scanvektoren für einen auf dem ersten Verfestigungsbereich aufliegenden zweiten Verfestigungsbereich, wobei die Scanvektoren des zweiten Füllbereichs im Wesentlichen, vorzugsweise exakt, parallel zu den Scanvektoren des ersten Füllbereichs ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind,
• - eine Steuerdaten-Erzeugungseinheit ausgelegt zum Generieren von Steuerdaten derart, dass die Vorrichtung zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten Bauteilschichten entsprechend den Verfestigungsbereichen erzeugen kann.
• Eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung dient einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl mittels einer Bestrahlungsvorrichtung aufgebaut wird. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, die Vorrichtung zur additiven Fertigung der Bauteilschichten des Bauteils gemäß erfindungsgemäßen Steuerdaten anzusteuern. Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Steuereinrichtung eine erfindungsgemäße Steuerdatenerzeugungsvorrichtung.
• Eine erfindungsgemäße Vorrichtung („Fertigungsvorrichtung“) dient zur additiven Fertigung zumindest eines Bauteils in einem additiven Fertigungsprozess. Sie umfasst zumindest
• - eine Zuführvorrichtung zum Aufbringen von Materialschichten von Aufbaumaterial auf ein Baufeld in einem Prozessraum,
• - eine Bestrahlungsvorrichtung, um, insbesondere zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten, Aufbaumaterial durch Bestrahlung mit zumindest einem Energiestrahl selektiv zu verfestigen, sowie
• - eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung.
• 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 bzw. dass es sich bei dem Energiestrahl sowohl um Teilchenstrahlung als auch um elektromagnetische Strahlung, wie z. B. Licht- bzw. vorzugsweise Laserstrahlung, handeln kann.
• Die Erfindung kann insbesondere in Form einer Rechnereinheit, insbesondere in einer Steuereinrichtung, mit geeigneter Software realisiert sein. Damit ist insbesondere die Erstellung der Steuerdaten gemeint, da die Fertigung eines Bauteils mittels weiterer Komponenten erfolgt. 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 realisiert sein. Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Rechnereinheiten, insbesondere in 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 ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens (zumindest diejenigen, die auf die Generierung von Steuerdaten bezogen sind, aber ggf. auch solche die zur Übermittlung der Steuerdaten für einen Fertigungsprozess dienen) auszuführen, wenn das Programm in der Rechnereinheit 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 und/oder zur Speicherung an oder in der Rechnereinheit kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind.
• 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.
• Ein bevorzugtes Verfahren umfasst nach Schritt c) und vor Schritt d) (also nach der parallelen und versetzten Anordnung von Scanvektoren und vor der Generierung von Steuerdaten) den folgenden Schritt:
• - Erstellen eines dritten Füllbereichs aus zueinander parallelen Scanvektoren für einen dritten Verfestigungsbereich, wobei der dritte Füllbereich über dem ersten Füllbereich liegt (insbesondere unmittelbar über dem zweiten Füllbereich liegt) und diesen zumindest teilweise überdeckt, und wobei das Füllmuster des dritten Füllbereichs zum Füllmuster des ersten Füllbereichs (und damit auch zum Füllmuster des zweiten Füllbereichs) verdreht ist, insbesondere um einen Drehwinkel von mehr als 10°, bevorzugt wobei das Füllmuster des dritten Füllbereichs zum Füllmuster des ersten Füllbereichs bis auf die Verdrehung von Scanvektoren (geometrisch) identisch ist. Die globale Ausdehnung der Füllbereiche könnte dabei durchaus unterschiedlich sein, da sich die Geometrie eines Bauteils von Schicht zu Schicht ändern kann.
• Es sollte beachtet werden, dass der dritte Füllbereich nicht unbedingt auf dem zweiten Füllbereich aufliegen muss, sondern dass sich ggf. weitere Füllbereiche zwischen dem zweiten Füllbereich und dem dritten Füllbereich befinden können, welche eine parallele und versetzte Anordnung von Scanvektoren relativ zum ersten Füllbereich aufweisen. Jedoch muss der dritte Füllbereich über dem ersten Füllbereich liegen, was bedeutet, dass dessen Projektion entlang der Flächennormalen des Verfestigungsbereichs im Wesentlichen (zu mindestens 80%) auf dem ersten Flächenbereich liegt.
• Der vorangehende Schritt wird besonders bevorzugt noch von einem Schritt gefolgt, der Schritt c) entspricht:
• - Erstellen eines vierten Füllbereichs aus zueinander parallelen Scanvektoren für eine auf dem dritten Verfestigungsbereich aufliegenden vierten Verfestigungsbereich, wobei die Scanvektoren des vierten Füllbereichs im Wesentlichen parallel zu den Scanvektoren des dritten Füllbereichs ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind.
• Es ist dabei besonders bevorzugt, dass nach einer Drehung die Anzahl der Schichten, in denen erfindungsgemäß versetzte Füllmuster vorgesehen sind, der Anzahl der darunterliegenden Schichten entspricht, also z.B. immer zwei, drei oder mehr unmittelbar übereinanderliegende Verfestigungsbereiche mit versetzten Füllmustern (mit parallelen Scanvektoren) vorgesehen sind, dann die Füllmuster gedreht werden und wieder zwei, drei oder mehr unmittelbar übereinanderliegende Verfestigungsbereiche mit versetzten Füllmustern (mit zueinander parallelen Scanvektoren) vorgesehen sind.
• Es sei hier angemerkt, dass die Bezeichnungen „erste“, „zweite“, „dritte“ und „vierte“ lediglich der besseren Unterscheidung dienen und nicht ausschließen, dass sich noch weitere Bauteilschichten mit erfindungsgemäß versetzten Füllmustern zwischen den Verfestigungsbereichen zwei und drei befinden könnten.
• Gemäß einem bevorzugten Verfahren sind die Scanvektoren des zweiten Füllbereichs in einer Ebene des zweiten Verfestigungsbereichs zu den Scanvektoren des ersten Füllbereichs in einer Querrichtung relativ zu einer Längserstreckung der Scanvektoren des ersten Füllbereichs verschoben. Dies bedeutet, dass sie von oben gesehen in Zwischenräumen zwischen zwei darunterliegenden Scanvektoren liegen. Bevorzugt sind dabei die entsprechenden Vektorabstände der Füllmuster der Füllbereiche jeweils identisch.
• Es ist dabei bevorzugt, dass eine Verschiebungsdistanz in der Querrichtung geringer ist als der Vektorabstand zwischen zwei Scanvektoren. Bevorzugt liegt diese Verschiebungsdistanz im Bereich zwischen 90% und 10% des Vektorabstands und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 45% und 55% des Vektorabstands. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Verschiebungsdistanz größer ist als 10% des Vektorabstandes, insbesondere größer als 20%, insbesondere größer als 30%, insbesondere größer als 40%. Es ist andererseits insbesondere bevorzugt, dass die Verschiebungsdistanz kleiner ist als 90% des Vektorabstandes, insbesondere kleiner als 80%, insbesondere kleiner als 70%, insbesondere kleiner als 60%. Beispielsweise liegen die Scanvektoren des betreffenden versetzten Füllmusters genau in der Mitte (50% des Vektorabstands) zwischen Scanvektoren des unmittelbar darunterliegenden Füllmusters. Liegen Füllmuster in genau drei unmittelbar übereinanderliegenden Verfestigungsbereichen parallel übereinander, so kann es aber auch bevorzugt sein, dass die Scanvektoren jeweils 1/3 des Vektorabstandes zueinander verschoben sind. In absoluten Maßen gesehen liegt ein Versatz bevorzugt unter 0,2 mm, besonders bevorzugt unter 0,1 mm, zumindest bei herkömmlichen Scanvektoren.
• Wie oben gesagt, weist zumindest ein Teil der Füllmuster zueinander parallele Scanvektoren mit einem vorgegebenen Vektorabstand auf. Diesbezüglich wird ein bevorzugtes Füllmuster aus einer Schraffur aus einer Vielzahl zueinander paralleler Scanvektoren gebildet. Alternativ wird ein bevorzugtes Füllmuster aus einer Kontur aus zueinander parallelen Scanvektoren gebildet, wobei damit ein Randbereich des Verfestigungsbereichs gemeint ist, der aus zwei oder mehr Scanvektoren gebildet wird. Alternativ wird ein bevorzugtes Füllmuster aus einer kreisförmigen oder einer spiralförmigen Anordnung aus einer Anzahl von Scanvektoren gebildet. Im Grunde ist lediglich wichtig, dass Scanvektoren parallel zueinander verlaufen, damit ein Versatz bei unmittelbar übereinanderliegenden Füllbereichen erreicht werden kann.
• Es ist bevorzugt, dass in übereinanderliegenden Verfestigungsbereichen Füllbereiche einander im Wesentlichen vollflächig überdecken. Dabei überdecken einander bevorzugt Füllbereiche mit einer identischen Form und Größe im Wesentlichen vollflächig. Der Ausdruck „im Wesentlichen“ bedeutet dabei, dass mindestens 80%, insbesondere mindestens 90%, der Flächen einander überdecken. Hier ist zu beachten, dass hier bevorzugt die Füllmuster innerhalb der Füllbereiche zueinander verschoben sind, um den geforderten Versatz der Scanvektoren zu erreichen.
• Alternativ oder zusätzlich (ggf. an anderer Stelle der Verfestigungsbereiche) sind Füllbereiche bevorzugt versetzt zueinander angeordnet, bevorzugt wobei Füllbereiche mit einem ähnlichen oder identischen Füllmuster längs der Scanvektoren zueinander um eine vorbestimmte Verschiebungsdistanz verschoben sind.
• Alternativ oder zusätzlich (ggf. an anderer Stelle der Verfestigungsbereiche) sind Füllbereiche verdreht zueinander angeordnet, ohne dass ihre Füllmuster mitgedreht worden sind. Dies bedeutet z.B. für rechteckige Füllbereiche, dass die Seiten der Füllbereiche zwar zueinander verdreht sind, die Scanvektoren dieser übereinanderliegenden Füllbereiche jedoch nicht relativ zueinander gedreht sind und immer noch parallel (und versetzt) zueinander verlaufen.
• Alternativ oder zusätzlich (ggf. an anderer Stelle der Verfestigungsbereiche) unterscheiden sich Füllmuster von einander überdeckenden Füllbereichen voneinander bezüglich eines Versatzes längs und/oder quer zu ihren Scanvektoren, und/oder bezüglich einer Drehung ihrer Scanvektoren.
• Es ist bevorzugt, dass eine Verschiebungsdistanz in der Längsrichtung geringer ist als eine Streifenbreite (Standardlänge oder maximale Länge der betreffenden Scanvektoren) eines Füllbereichs in Form eines Schraffurstreifens. Die Verschiebungsdistanz liegt dabei bevorzugt im Bereich zwischen 90% und 10% der Streifenbreite, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 45% und 55% der Streifenbreite. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Verschiebungsdistanz größer ist als 10% der Streifenbreite, insbesondere größer als 20%, insbesondere größer als 30%, insbesondere größer als 40%. Es ist andererseits insbesondere bevorzugt, dass die Verschiebungsdistanz kleiner ist als 90% der Streifenbreite, insbesondere kleiner als 80%, insbesondere kleiner als 70%, insbesondere kleiner als 60%. Im Unterschied zum oben genauer beschriebenen Quer-Versatz wird hier ein Längs-Versatz beschrieben, der alternativ oder zusätzlich zum Quer-Versatz möglich ist und die Stabilität sowie die Qualität (bezüglich einer Homogenität der Mikrostruktur) eines Bauteils verbessert.
• Besonders bevorzugt erfolgt also eine Verschiebung in der Querrichtung und in der Längsrichtung, wobei deren Verschiebungsdistanz insbesondere geringer ist als eine Diagonalerstreckung des ersten Füllbereichs. Die Verschiebungsdistanz liegt bevorzugt im Bereich zwischen 90% und 10% der Diagonalerstreckung, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 45% und 55% der Diagonalerstreckung. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Verschiebungsdistanz größer ist als 10% der Diagonalerstreckung, insbesondere größer als 20%, insbesondere größer als 30%, insbesondere größer als 40%. Es ist andererseits insbesondere bevorzugt, dass die Verschiebungsdistanz kleiner ist als 90% der Diagonalerstreckung, insbesondere kleiner als 80%, insbesondere kleiner als 70%, insbesondere kleiner als 60%.
• Gemäß einem bevorzugten Verfahren werden innerhalb eines Füllbereichs und/oder zwischen zwei unmittelbar übereinanderliegenden Füllbereichen die Werte einer Anzahl von Parametern des Energiestrahls zur Verfestigung eines Aufbaumaterials bei einer Verfestigung entlang der Scanvektoren verändert. Diese Parameter sind insbesondere eine Geschwindigkeit (mit der der Energiestrahl entlang eines Scanvektors über das Aufbaumaterial geführt wird), eine Leistung, ein Pulsmuster und/oder eine Intensitätsverteilung. Dabei ändern sich insbesondere die jeweiligen Werte der Anzahl von Parametern zwischen dem ersten Füllbereich und dem zweiten Füllbereich und/oder dem dritten Füllbereich und dem vierten Füllbereich. Es werden also hier (insbesondere parallele und versetzte) Scanvektoren unmittelbar übereinanderliegender Füllbereiche mit unterschiedlichen Parametern des Energiestrahls für die Steuerdaten versehen.
• Gemäß einem bevorzugten Verfahren werden die Steuerdaten so generiert, dass der Energiestrahl so eingestellt wird, dass er einen Bereich tiefer als die Dicke der jeweils letzten Bauteilschicht beim Verfestigen entlang der Scanvektoren verfestigt. Diese Tiefe der Verfestigung beträgt bevorzugt mindestens das Doppelte, weiter bevorzugt mindestens das Dreifache, besonders bevorzugt mindestens das Vierfache der Dicke der jeweils letzten Bauteilschicht. Besonders bevorzugt hat eine Verfestigung eine Tiefenerstreckung größer als 0,05 mm, insbesondere größer als 100 µm und/oder kleiner als 300 µm.
• Bevorzugt erfolgt die Verfestigung in Form eines Tiefschweißprozesses. Als Tiefschwei-ßen 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. Bei der Formung von Verfestigungsbahnen wird bevorzugt ein Tiefschweißprozess verwendet. Die Geschwindigkeit dafür sollte so gewählt werden, dass die Schweißnaht stabil ist und kein Humping auftritt.
• Wie oben bereits erwähnt, ist ein besonderer Vorteil der Erfindung die Reduktion von Porosität in einem Bauteil. Die Anzahl sowie die Größe von Poren sollte für eine hohe Qualität des Bauteils gering sein. Aus der Größe G und/oder der Anzahl A der Poren lässt sich auch ein bestimmtes Vergleichsmaß V ableiten, z.B. mit den Wichtungsgrößen a, b, c, d gemäß der Formel V = aR+bG+cGR+d. Die Werte für die Größe G und/oder der Anzahl A der Poren können in Form von Parameterwerten angegeben werden, z.B. als Vektor oder Wertefeld (G, A). Es sollte beachtet werden, dass das „Vergleichsmaß“ kein Verhältnis eines Vergleichs angibt, sondern ein Maß für einen Vergleich darstellt. Mittels ihrer jeweiligen Vergleichsmaße können dann zwei Bauteile miteinander verglichen werden und ein „Qualitätsmaß“ als Vergleichswert ermittelt werden, z.B. in Form einer Differenz oder eines Quotienten ihrer Vergleichsmaße. Es kann z.B. ein Standard-Vergleichsmaß verwendet werden, und dieses mit einem Vergleichsmaß eines Testkörpers verglichen werden. Die Abweichung des Vergleichsmaßes vom Standard-Vergleichsmaß (das Qualitätsmaß) ergibt dann die Qualität des Testkörpers.
• Die Schichtinformationen, die dem Verfahren initial zur Verfügung gestellt werden, können vorgegebene Vektorabstände der Scanvektoren sowie in der Regel vorgegebene Scangeschwindigkeiten enthalten. Ein Vorwissen über die Qualitätssteigerung der Erfindung könnte vorab in diese Schichtinformationen eingehen und dadurch eine schnellere Fertigung erreicht werden. Jedoch könnte das Verfahren auch vorgegebene Vektorabstände der Scanvektoren oder Scangeschwindigkeiten in bereitgestellten Schichtinformationen modifizieren oder neue (ggf. abgewandelte) Schichtinformationen generieren, um bei gleichbleibender Qualität (verglichen mit einer Fertigung ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens) eine Erhöhung der Prozesseffizienz zu erreichen.
• Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird ein Qualitätsmaß aus einem Vergleich von Poren von Testkörpern ermittelt. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
• - Herstellen eines Ziel-Testkörpers mit Steuerdaten, welche mit einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche erstellt worden sind,
• - Herstellen eines Referenz-Testkörpers mit Steuerdaten zumindest ohne eine versetzte Anordnung von Scanvektoren gemäß Schritt c) des (erfindungsgemäßen) Verfahrens,
• - Ermitteln von Parameterwerten für Parameter von Poren des Ziel-Testkörpers und des Referenz-Testkörpers mit demselben Messverfahren, wobei die Parameterwerte der Poren insbesondere deren Größe und/oder deren Anzahl umfassen,
• - Erstellen eines Vergleichsmaßes der ermittelten Parameterwerte des Ziel-Testkörpers und des Referenz-Testkörpers,
• - Optional: Herstellen von Versuchs-Testkörpern mit Steuerdaten mit einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schichtinformationen dahingehend modifiziert oder generiert werden, dass ein Vektorabstand von Scanvektoren der Füllbereiche zueinander und/oder eine Scangeschwindigkeit für diese Scanvektoren erhöht wird und
• - Optional: Untersuchen von Veränderungen des Vergleichsmaßes durch Vergleich der Versuchs-Testkörper mit dem Referenz-Testkörper im Verhältnis zu den Schichtinformationen, z.B. den Modifikationen der Schichtinformationen und Erstellung eines Vergleichsmaßes, in Abhängigkeit von den Schichtinformationen, z.B. den Modifikationen der Schichtinformationen,
• - Erstellen des Qualitätsmaßes basierend auf einer Anzahl erstellter Vergleichsmaße.
• Wie gesagt ist das Qualitätsmaß ist ein Maß, welches einen Vergleich der Qualität eines Testkörpers angibt. Der Referenz-Testkörper stellt dabei die Referenz für die Qualität dar (und liefert das oben erwähnte „Standard-Vergleichsmaß“). Die Qualität wird dabei aus den Vergleichsmaßen, also den Poren abgeleitet. Je größer und häufiger Poren sind, desto schlechter die Qualität. Im Grunde kann das Qualitätsmaß direkt aus einem Vergleichsmaß abgeleitet werden bzw. aus einem Vergleich von Poren-Werten, z.B. nach der oben genannte Formel P = aR+bG+cGR+d mit dem Vergleichsmaß des Referenz-Testkörpers.
• Der Ziel-Testkörper wird mit erfindungsgemäß versetzten Füllbereichen hergestellt und der Referenz-Testkörper mit sukzessive verdrehten Füllbereichen. Die (optionalen) Versuchs-Testkörper werden entsprechend den Ziel-Testkörpern hergestellt, jedoch mit variierter Scangeschwindigkeit bzw. variiertem Vektorabstand. Im Grunde kann die Scangeschwindigkeit bei unterschiedlichen Versuchs-Testkörpern einfach sukzessive erhöht werden bzw. der Vektorabstand sukzessive vergrößert werden.
• Das Vergleichsmaß kann einfach ein Verhältnis oder eine Differenz der Parameterwerte des Ziel-Testkörpers (oder der Referenz-Testkörper) und des Referenz-Testkörpers sein. Es kann aber auch Mischwerte aus G A enthalten.
• Im Grunde genügt ein einziger Ziel-Testkörper, zumindest wenn genügend theoretische Erkenntnisse vorliegen, mittels denen sich aus den Messungen an diesem Testkörper ein Qualitätsmaß ableiten lässt. Genauere Ergebnisse erreicht man jedoch mittels der Versuchs-Testkörper, da diese konkret mit anderen Fertigungsparametern gefertigt wurden. Im Grunde genügt es nun zu ermitteln, mit welchen Fertigungsparametern (Scangeschwindigkeit bzw. Vektorabstand) ein Versuchs-Testkörper gefertigt wurde, der die Qualität des Referenz-Testkörpers aufweist (oder eine bessere Qualität).
• Bevorzugt werden basierend auf dem Qualitätsmaß die erhaltenen oder generierten Schichtinformationen durch eine Vergrößerung des Vektorabstands von Scanvektoren der Füllbereiche zueinander und/oder durch eine Vergrößerung der Scangeschwindigkeit für diese Scanvektoren modifiziert und die Schritte des Verfahrens basierend auf den modifizierten oder generierten Schichtinformationen durchgeführt. Es wird dabei bevorzugt die Scangeschwindigkeit erhöht oder der Vektorabstand vergrößert. Dadurch verringert sich zwar die Qualität eines gefertigten Bauteils, jedoch kann auf Kosten der Qualität dessen Fertigung beschleunigt werden. Wenn die Qualität des Bauteils gleich der eines herkömmlich gefertigten Bauteils sein soll, kann also dessen Fertigung beschleunigt werden. Es kann aber auch die Fertigung nur ein wenig beschleunigt werden und ein Bauteil besserer Qualität erzeugt werden. Die gewünschte Qualität wird durch das Qualitätsmaß vorgegeben.
• Das Qualitätsmaß umfasst insbesondere eine Information über ein Verhältnis zu Modifikationen der Schichtinformationen, also Informationen darüber, inwiefern der Vektorabstand und/oder die Scangeschwindigkeit verändert worden sind.
• 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,
• 2 eine Gestaltung von Füllbereichen unterschiedlicher Verfestigungsbereiche mit Füllmustern gemäß dem Stand der Technik,
• 3 eine Gestaltung von Füllbereichen unterschiedlicher Verfestigungsbereiche mit Füllmustern gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 4 ein Beispiel für einen Verfestigungsbereich mit verschiedenen Füllbereichen,
• 5 ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 6 ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steigerung der Prozessgeschwindigkeit.
• Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung von Bauteilen in Form einer selektiven Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 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 „Fertigungsvorrichtung“ 1 bezeichnet.
• Eine solche Fertigungsvorrichtung 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 Fertigungsvorrichtung 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 Fertigungsvorrichtung 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 Scanvektoren S in der jeweils selektiv zu verfestigenden Schicht abzufahren und selektiv die Energie einzubringen. Weiter wird dieser Laserstrahl 22 durch eine Fokussiereinrichtung 24 auf die Arbeitsebene 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.
• Zur Steuerung der Einheiten der Fertigungsvorrichtung 1 dient eine Steuereinrichtung 30 umfassend 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 Steuerdaten PS 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 PS 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 zum Empfangen von Schichtinformationen SI für ein Bauteil 2. Diese Schichtinformationen SI umfassen z.B. bereits Schichtstrukturen des Bauteils (die Verfestigungsbereiche V1, V2, V3, V4, s. nachfolgende Figuren). 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).
• Die Schichtinformationen SI enthalten in diesem Beispiel Daten über Verfestigungsbereiche V1, V2, V3, V4, welche Bauteilschichten B des Bauteils 2 repräsentieren, wobei die Verfestigungsbereiche V1, V2, V3, V4 aus einer Anzahl von Füllbereichen F1, F2, F3, F4 gebildet werden. Des Weiteren umfassen die Schichtinformationen SI Daten zu Scanvektoren S, gemäß denen die Füllbereiche F1, F2, F3, F4 verfestigt werden sollen. Dabei bilden die Scanvektoren S in jedem Füllbereich F1, F2, F3, F4 ein vorgegebenes Füllmuster FM, wobei zumindest ein Teil der Füllmuster FM zueinander parallele Scanvektoren S mit einem vorgegebenen Vektorabstand aufweist. Hier ist darauf zu achten, dass die Schichtinformationen SI noch keine fertigen Bauteilschichten B darstellen, da letztere ja erst mittels der Schichtinformationen SI erstellt werden. Die Verfestigungsbereiche V1, V2, V3, V4 sind daher auch keine verfestigten Bereiche, sondern stellen in der Regel eine Vielzahl von Füllbereichen F1, F2, F3, F4 dar, wobei jeder Füllbereich wiederum in der Regel eine Vielzahl von Scanvektoren S umfasst, die in Form eines Füllmusters angeordnet sind (oft in Form von Schraffuren). Wird ein Energiestrahl 22 entlang dieser Scanvektoren S über eine Schicht von Aufbaumaterial 13 geführt wird dort das Aufbaumaterial 13 in Form von Verfestigungsbahnen mit den entsprechenden Füllmustern F1, F2, F3, F4 verfestigt. Daher repräsentieren die Verfestigungsbereiche V1, V2, V3, V4 die Bauteilschichten B, die Scanvektoren S die Verfestigungsbahnen der Bauteilschichten B und die Füllbereiche F1, F2, F3, F4 einzelne Bereiche der Bauteilschichten B mit einem einheitlichen Füllmuster FM.
• Neben der Datenschnittstelle 35 umfasst die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 ein Steuermodul 36. Dieses Steuermodul 36 ist dazu ausgelegt, einen ersten Füllbereich F1 für einen ersten Verfestigungsbereich V1 auszuwählen und dann einen zweiten Füllbereich F2 für einen auf dem ersten Verfestigungsbereich V1 aufliegenden zweiten Verfestigungsbereich V2 zu erstellen. Jeder Füllbereich F1, F2 weist dabei ein Füllmuster FM aus zueinander parallelen Scanvektoren S auf. Das Steuermodul kann aber auch dazu ausgelegt sein, den ersten Füllbereich F1 (und auch weitere Füllbereiche) des ersten Verfestigungsbereichs V1 zu generieren, insbesondere in dem Fall, dass die Schichtinformationen SI ausschließlich geometrische Daten zu dem Bauteil 2 umfassen.
• Wichtig ist dabei, dass die Scanvektoren S des zweiten Füllbereichs F2 im Wesentlichen (vorzugsweise exakt) parallel zu den Scanvektoren S des ersten Füllbereichs F1 ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind. Dies bedeutet, dass später die Verfestigungsbahnen in den resultierenden Bauteilschichten B nicht verdreht zueinander verlaufen, sondern parallel und versetzt zueinander. Erst wenn mindestens zwei Verfestigungsbereiche V1, V2 solche „unverdrehten“ Füllbereiche F1, F2 aufweisen, kann eine Drehung von Füllbereichen F3, F4 oder ihren Füllmustern FM erfolgen, wobei auch hier bevorzugt ist, nach einer Drehung und vor der nächsten Drehung wieder mindestens zwei Verfestigungsbereiche V3, V4 mit zueinander „unverdrehten“ Füllbereichen F3, F4 vorzusehen, was sich über die gesamte Bauteilhöhe fortsetzen kann.
• Des Weiteren umfasst die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 eine Steuerdaten Erzeugungseinheit 37, welche zum Generieren von Steuerdaten PS ausgelegt ist und zwar derart, dass die Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten PS Bauteilschichten B entsprechend den Verfestigungsbereichen V1, V2, V3, V4 erzeugen kann.
• 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 Steuerdaten PS, 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.
• Es wird an dieser Stelle auch noch einmal darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Fertigungsvorrichtung 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 22 abgetastet.
• 2 und 3 zeigen eine Gestaltung von Füllbereichen F1, F2, F3, F4 unterschiedlicher Verfestigungsbereiche V1, V2, V3, V4 mit Füllmustern FM. Die Verfestigungsbereiche V1, V2, V3, V4 liegen dabei unmittelbar übereinander und würden bei einer Fertigung vier aufeinanderfolgende Bauteilschichten B ergeben. Jedes Füllmuster FM ist eine Schraffur (auch als „Hatching“ bezeichnet) von Scanvektoren S mit jeweils gleichem Vektorabstand. Die Scanvektoren S sind dabei nicht durchgängig, sondern bilden Streifen, die an Streifengrenzen G (punktiert angedeutet) aneinanderstoßen und leicht miteinander überlappen.
• 2 zeigt eine Gestaltung gemäß dem Stand der Technik. Von links nach rechts wird ein erster Füllbereich F1 in einem ersten Verfestigungsbereich V1 von einem zweiten Füllbereich F2 in einem zweiten Verfestigungsbereich V2 mit einem gedrehten Füllmuster FM überdeckt. Es folgen ein dritter und vierter Verfestigungsbereich V3, V3 mit weiter gedrehten Füllmustern FM in den entsprechenden Füllbereichen F3, F4. Die Drehung ist in diesem Beispiel 90° und kann in der Praxis im Grunde beliebig große Winkel annehmen.
• 3 zeigt eine Gestaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum Stand der Technik erfolgt hier nicht zwischen jedem Verfestigungsbereich V1, V2, V3, V4 eine Drehung, sondern nur nach jedem zweiten. Von links nach rechts wird ein erster Füllbereich F1 in einem ersten Verfestigungsbereich V1 von einem zweiten Füllbereich F2 in einem zweiten Verfestigungsbereich V2 mit einem nicht-gedrehten Füllmuster FM überdeckt. Die Füllmuster FM überdecken einander vielmehr versetzt zueinander, wobei beim zweiten Füllbereich F2 die darunterliegenden Scanvektoren S des ersten Füllbereichs F1 strichpunktiert angedeutet sind. Der Versatz erfolgt in diesem Beispiel sowohl quer zur Längsrichtung der Scanvektoren S als auch in Längsrichtung über Streifengrenzen G hinweg. Nach einer Drehung des Füllmusters im dritten Verfestigungsbereich V4 erfolgt im vierten Verfestigungsbereich V4 wieder eine versetzte Ausrichtung des Füllmusters FM.
• Es sollte beachtet werden, dass hier die Füllmuster FM innerhalb von Füllbereichen F1, F2, F3, F4 gedreht worden sind. Es ist genauso möglich, dass die Füllbereiche F1, F2, F3, F4 zusammen mit ihrem Füllmuster FM gedreht werden.
• 4 zeigt ein Beispiel für einen Verfestigungsbereich V1 mit verschiedenen Füllbereichen F1, F2, F3, F4. Drei innere Füllbereiche F2, F3, F4, die schachbrettartig mit unterschiedlichen Füllmustern FM angeordnet sind, sind von einem Füllbereich F1 umgeben, der die Kontur bzw. den Rand des Verfestigungsbereichs V1 wiedergibt. Während die Füllmuster FM im Innenbereich Schraffuren sind, verlaufen die Scanvektoren S des Füllmusters FM des äußeren Füllbereichs F1 jeweils parallel zueinander um den Innenbereich herum.
• 5 zeigt ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Generierung von Steuerdaten PS für eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines Bauteils 2 in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld 8 das Bauteil 2 in Form von Bauteilschichten B durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial 13, z.B. umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials 13 mit zumindest einem Energiestrahl 22 aufgebaut wird.
• In Schritt I werden Schichtinformationen SI über Verfestigungsbereiche V1, V2, V3, V4 generiert oder erhalten. Die Verfestigungsbereiche V1, V2, V3, V4 repräsentieren dabei Bauteilschichten B des Bauteils 2 und werden hier jeweils aus einer Mehrzahl von Füllbereichen F1, F2, F3, F4 gebildet. Die Schichtinformationen SI umfassen dabei Daten zu Scanvektoren S, gemäß denen die Füllbereiche F1, F2, F3, F4 verfestigt werden sollen, wobei die Scanvektoren S in jedem Füllbereich F1, F2, F3, F4 ein vorgegebenes Füllmuster FM bilden und zumindest ein Teil der Füllmuster FM zueinander parallele Scanvektoren S mit einem vorgegebenen Vektorabstand aufweist (s. z.B. 2).
• Die Schichtinformationen können durchaus Steuerdaten gemäß dem Stand der Technik sein, die durch das Verfahren in erfindungsgemäße Steuerdaten PS modifiziert werden. Sie können aber auch lediglich geometrische Daten des Bauteils 2 bzw. dessen Bauteilschichten umfassen.
• In Schritt II wird ein erster Füllbereich F1 mit einem Füllmuster FM aus zueinander parallelen Scanvektoren S für einen ersten Verfestigungsbereich V1 ausgewählt oder generiert. Die Auswahl oder Erzeugung kann sich dabei sukzessive auf weitere Füllbereiche F2, F3, F4 erstrecken und theoretisch alle Füllbereiche F1, F2, F3, F4 des Verfestigungsbereichs V1 betreffen, wobei die nachfolgenden Schritte dann auch für die Füllbereiche F1, F2, F3, F4 der darüberliegenden Verfestigungsbereiche V2, V3, V4 erfolgen, entweder getrennt voneinander oder parallel zueinander. Somit können sich die folgenden Ausführungen auch auf weitere Füllbereiche F2, F3, F4 erstrecken, werden aber hier zur besseren Übersicht nur am Beispiel eines Füllbereichs F2 fortgeführt. Dieser Schritt könnte die Auswahl des linken Füllbereichs F1 der 3 betreffen.
• In Schritt III wird ein zweiter Füllbereich F2 mit einem Füllmuster FM aus zueinander parallelen Scanvektoren S für einen auf dem ersten Verfestigungsbereich V1 aufliegenden zweiten Verfestigungsbereich V2, wobei die Scanvektoren S des zweiten Füllbereichs F2 im Wesentlichen parallel zu den Scanvektoren S des ersten Füllbereichs F1 ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind. Die Pfeile in dem entsprechenden Kasten deuten an, dass der Versatz quer und/oder längs zur Längsrichtung der Scanvektoren S erfolgen kann. Der Versatz kann z.B. genau die Hälfte eines Vektorabstands von Scanvektoren S sein. Dieser Schritt könnte in dem zweiten Füllbereich F2 von links der 3 resultieren.
• In Schritt IV wird ein dritter Füllbereich F3 aus zueinander parallelen Scanvektoren S für einen dritten Verfestigungsbereich V3 erstellt. Dieser dritte Füllbereich F3 liegt dabei über dem ersten Füllbereich F1 und überdeckt diesen. Das Füllmuster FM des dritten Füllbereichs F3 ist dabei zum Füllmuster FM des ersten Füllbereichs V3 verdreht. Dieser Schritt könnte in dem dritten Füllbereich F2 von links der 3 resultieren.
• Der zu Schritt III rückgerichtete gestrichelte Pfeil deutet an, dass diese Prozedur (parallele Anordnung, dann drehen) beliebig wiederholt werden kann.
• In Schritt V werden dann Steuerdaten PS derart generiert, dass die Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten PS Bauteilschichten B entsprechend den Verfestigungsbereichen V1, V2, V3, V4 erzeugen kann.
• Dieses Verfahren liefert Steuerdaten PS, mittels denen Bauteile 2 mit einer sehr geringen Porosität und damit sehr hohen Bauteilqualität erstellt werden können. Es kann jedoch gewünscht sein, dass die Bauteilqualität nicht erhöht werden soll, da sie bereits ausreicht. In diesem Fall kann das Verfahren so modifiziert werden, dass bei der Generierung der Steuerdaten PS die Scangeschwindigkeit und/oder der Vektorabstand der Scanvektoren S erhöht wird und damit die Fertigungszeit herabgesetzt wird. Dadurch verschlechtert sich zwar die Qualität der Bauteile, durch die durch das Verfahren erreichte höhere Qualität liegt sie jedoch im tolerierbaren Bereich bzw. im gewünschten Bereich.
• 6 zeigt ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steigerung der Prozessgeschwindigkeit. In diesem Verfahren wird zunächst ein Qualitätsmaß aus einem Vergleich von Poren von Testkörpern ermittelt und dann werden die Steuerdaten PS entsprechend modifiziert.
• In Schritt la werden ein Ziel-Testkörper TZ mit Steuerdaten PS aus einem erfindungsgemäßen Verfahren und ein Referenz-Testkörper TR mit herkömmlichen Steuerdaten PS (ohne eine versetzte Anordnung von Scanvektoren S gemäß Schritt III des Verfahrens) gefertigt.
• In Schritt Ila werden Parameterwerte für Parameter von Poren P des Ziel-Testkörpers TZ und des Referenz-Testkörpers TR mit demselben Messverfahren ermittelt, wobei die Parameterwerte der Poren P insbesondere deren Größe und/oder deren Anzahl umfassen.
• In Schritt Illa wird ein Vergleichsmaß VM der ermittelten Parameterwerte des Ziel-Testkörpers TZ und des Referenz-Testkörpers TR erstellt, z.B. ein Verhältnis der Größen oder der Anzahl der Poren P.
• Mit gestrichelten Pfeilen sind unten optionale Schritte angedeutet, in denen Versuchs-Testkörper TV mit erfindungsgemäßen Steuerdaten PS hergestellt wurden, bei denen die Schichtinformationen SI dahingehend modifiziert wurden, dass ein Vektorabstand von Scanvektoren S der Füllbereiche F1, F2, F3, F4 zueinander und/oder eine Scangeschwindigkeit für diese Scanvektoren S erhöht wird. In diesem Beispiel wird von einer Modifikation von Schichtinformationen ausgegangen. Die Schichtinformationen können auch generiert werden, wobei die folgenden Vergleiche mit den ursprünglichen und den generierten Schichtinformationen analog durchgeführt werden.
• Basierend auf diesen Versuchs-Testkörpern TV wird nun im Vergleich mit dem Referenz-Testkörper TR wieder das Vergleichsmaß VM ermittelt, aber diesmal im Verhältnis zu den Modifikationen der Schichtinformationen Sl.
• In Schritt IVa wird dann basierend auf mindestens einem Vergleichsmaß VM das Qualitätsmaß Q ermittelt. Dies kann direkt das Vergleichsmaß aus Schritt Illa sein oder Vergleichsmaße aus den optionalen Schritten.
• In Schritt Va werden dann Steuerdaten PS basierend auf dem Qualitätsmaß Q generiert, so dass die Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten PS Bauteilschichten B erzeugen kann. In diesem Beispiel werden dabei Scangeschwindigkeit und/oder der Vektorabstand zwischen zwei Scanvektoren S so bemessen, dass eine vorgegebene Bauteilqualität nicht unterschritten wird, wobei das Qualitätsmaß Q angibt, ob die zu erwartende Bauteilqualität noch in einem tolerierbaren Rahmen liegt oder nicht.
• In einem einfachen Fall kann einfach bei den vorgenannten optionalen Schritten anhand des Vergleichsmaßes VM abgeschätzt werden, ob die Qualität eines Versuchs-Testkörpers TV der Qualität des Referenz-Testkörpers TR entspricht und genau die Parameter für die Steuerdaten PS gewählt werden, die bei der Fertigung dieses Versuchs-Testkörpers TV vorlagen.
• 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. Der Ausdruck „eine Anzahl“ ist als „mindestens ein(e)“ zu verstehen.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung zur additiven Fertigung / Fertigungsvorrichtung

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

36

Steuermodul

37

Steuerdaten-Erzeugungseinheit

40

Terminal

60

Bus

B

Bauteilschicht

FM

Füllmuster

F1, F2, F3, F4

Füllbereich

G

Streifengrenzen

H

horizontale Richtung

HS

Heizungssteuerdaten

P

Pore

PS

Prozesssteuerdaten / Steuerdaten

Q

Qualitätsmaß

S

Scanvektor / Hatchlinie

SB

Prozessraum-Sensordatensatz / Schichtbild

SDS

Prozessraum-Sensordaten

SI

Schichtinformationen

ST

Beschichtungssteuerdaten

TR

Referenz-Testkörper

TS

Trägersteuerdaten

TV

Versuchs-Testkörper

TZ

Ziel-Testkörper

V

vertikale Richtung

V1, V2, V3, V4

Verfestigungsbereich

VM

Vergleichsmaß

Claims (15)

1. Verfahren zur Generierung von Steuerdaten (PS) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) das Bauteil (2) in Form von Bauteilschichten (B) durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) aufgebaut wird, das Verfahren umfassend die Schritte: a) Erhalten oder Generieren von Schichtinformationen (SI) umfassend geometrische Parameter von Bauteilschichten und/oder Informationen zu Scanvektoren von Verfestigungsbereichen (V1, V2, V3, V4), welche Bauteilschichten (B) des Bauteils (2) repräsentieren, b) Auswählen oder Generieren eines ersten Füllbereichs (F1) für einen ersten Verfestigungsbereich (V1), wobei dieser Füllbereich (F1) ein Füllmuster (FM) aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) mit einem vorgegebenen Vektorabstand aufweist, c) Erstellen eines zweiten Füllbereichs (F2) mit einem Füllmuster (FM) aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) für einen auf dem ersten Verfestigungsbereich (V1) aufliegenden zweiten Verfestigungsbereich (V2), wobei die Scanvektoren (S) des zweiten Füllbereichs (F2) im Wesentlichen parallel zu den Scanvektoren (S) des ersten Füllbereichs (F1) ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind, d) Generieren von Steuerdaten (PS) derart, dass die Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten (PS) Bauteilschichten (B) entsprechend den Verfestigungsbereichen (V1, V2, V3, V4) erzeugen kann.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, umfassend nach Schritt c) und vor Schritt d) die Schritte: - Erstellen eines dritten Füllbereichs (F3) aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) für einen dritten Verfestigungsbereich (V3), wobei der dritte Füllbereich (F3) über dem ersten Füllbereich (F1) liegt und diesen zumindest teilweise überdeckt, und wobei das Füllmuster (FM) des dritten Füllbereichs (F3) zum Füllmuster (FM) des ersten Füllbereichs (V3) verdreht ist, insbesondere um einen Drehwinkel von mehr als 10°, bevorzugt wobei das Füllmuster (FM) des dritten Füllbereichs (F3) zum Füllmuster (FM) des ersten Füllbereichs (F1) bis auf die Verdrehung identisch ist; - bevorzugt Erstellen eines vierten Füllbereichs (F4) aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) für eine auf dem dritten Verfestigungsbereich (V3) aufliegenden vierten Verfestigungsbereich (V4), wobei die Scanvektoren (S) des vierten Füllbereichs (F4) im Wesentlichen parallel zu den Scanvektoren (S) des dritten Füllbereichs (F3) ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind.
3. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Scanvektoren (S) des zweiten Füllbereichs (F2) in einer Ebene des zweiten Verfestigungsbereichs (V2) zu den Scanvektoren (S) des ersten Füllbereichs (F1) in einer Querrichtung relativ zu einer Längserstreckung der Scanvektoren (S) des ersten Füllbereichs (F1) verschoben sind, wobei die entsprechenden Vektorabstände der Füllmuster (FM) der Füllbereiche (F1, F2) jeweils identisch sind, bevorzugt wobei eine Verschiebungsdistanz in der Querrichtung geringer als der Vektorabstand zwischen zwei Scanvektoren (S) ist, und bevorzugt im Bereich zwischen 90% und 10% des Vektorabstands liegt, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 45% und 55% des Vektorabstands liegt, und bevorzugt unter 0,1 mm liegt.
4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Füllmuster (FM) aus - einer Schraffur aus einer Vielzahl zueinander paralleler Scanvektoren (S) oder - einer Kontur aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) oder - einer kreisförmigen oder einer spiralförmigen Anordnung aus einer Anzahl von Scanvektoren (S) gebildet wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich in übereinanderliegenden Verfestigungsbereichen (V1, V2, V3, V4) - Füllbereiche (F1, F2, F3, F4) im Wesentlichen vollflächig überdecken, wobei bevorzugt Füllbereiche (F1, F2, F3, F4) mit einer identischen Form und Größe einander im Wesentlichen vollflächig überdecken, und/oder - Füllbereiche (F1, F2, F3, F4) versetzt zueinander angeordnet sind, bevorzugt wobei Füllbereiche (F1, F2, F3, F4) mit einem ähnlichen oder identischen Füllmuster (FM) längs der Scanvektoren (S) zueinander um eine vorbestimmte Verschiebungsdistanz verschoben sind, und/oder - Füllbereiche (F1, F2, F3, F4) verdreht zueinander angeordnet sind, ohne dass ihre Füllmuster (FM) mitgedreht worden sind, und/oder - Füllmuster (FM) von einander überdeckenden Füllbereichen (F1, F2, F3, F4) sich bezüglich eines Versatzes längs und/oder quer zu ihren Scanvektoren (S), und/oder bezüglich einer Drehung ihrer Scanvektoren (S) voneinander unterscheiden, bevorzugt wobei eine Verschiebungsdistanz in der Längsrichtung geringer als eine Streifenbreite eines Füllbereichs (F1, F2, F3, F4) in Form eines Schraffurstreifens ist, und bevorzugt im Bereich zwischen 90% und 10% der Streifenbreite liegt, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 45% und 55% der Streifenbreite liegt, und/oder bevorzugt wobei eine Verschiebung in der Querrichtung, insbesondere gemäß Anspruch 2, und in der Längsrichtung erfolgt, deren Verschiebungsdistanz geringer als eine Diagonalerstreckung des ersten Füllbereichs (F1) ist und bevorzugt im Bereich zwischen 90% und 10% der Diagonalerstreckung liegt, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 45% und 55% der Diagonalerstreckung liegt.
6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei innerhalb eines Füllbereichs (F1, F2, F3, F4) und/oder zwischen zwei unmittelbar übereinanderliegenden Füllbereichen (F1, F2, F3, F4) die Werte einer Anzahl von Parametern, insbesondere eine Geschwindigkeit, eine Leistung, ein Pulsmuster und/oder eine Intensitätsverteilung, des Energiestrahls (22) zur Verfestigung eines Aufbaumaterials bei einer Verfestigung entlang der Scanvektoren (S) verändert werden, wobei sich insbesondere die jeweiligen Werte der Anzahl von Parametern zwischen dem ersten Füllbereich (F1) und dem zweiten Füllbereich (F2) und/oder dem dritten Füllbereich (F3) und dem vierten Füllbereich (F4) ändern.
7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerdaten (PS) so generiert werden, dass der Energiestrahl (22) so eingestellt wird, dass er einen Bereich tiefer als die Dicke der jeweils letzten Bauteilschicht (B) beim Verfestigen entlang der Scanvektoren (S) verfestigt, bevorzugt mindestens das Doppelte, weiter bevorzugt mindestens das Dreifache, besonders bevorzugt mindestens das Vierfache dieser Dicke, und insbesondere eine Verfestigung eine Tiefenerstreckung größer als 0,05 mm hat, bevorzugt wobei die Verfestigung in Form eines Tiefschweißprozesses erfolgt.
8. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Qualitätsmaß aus einem Vergleich von Poren von Testkörpern ermittelt wird, umfassend die Schritte: - Herstellen eines Ziel-Testkörpers (TZ) mit Steuerdaten (PS), welche mit einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche erstellt worden sind, - Herstellen eines Referenz-Testkörpers (TR) mit Steuerdaten (PS) zumindest ohne eine versetzte Anordnung von Scanvektoren (S) gemäß Schritt c) des Verfahrens, - Ermitteln von Parameterwerten für Parameter von Poren (P) des Ziel-Testkörpers (TZ) und des Referenz-Testkörpers (TR) mit demselben Messverfahren, wobei die Parameterwerte der Poren (P) insbesondere deren Größe und/oder deren Anzahl umfassen, - Erstellen eines Vergleichsmaßes (VM) der ermittelten Parameterwerte des Ziel-Testkörpers (TZ) und des Referenz-Testkörpers (TR), - Optional: Herstellen von Versuchs-Testkörpern (TV) mit Steuerdaten (PS) mit einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Schichtinformationen (SI) dahingehend generiert oder modifiziert werden, dass ein Vektorabstand von Scanvektoren (S) der Füllbereiche (F1, F2, F3, F4) zueinander und/oder eine Scangeschwindigkeit für diese Scanvektoren (S) erhöht wird und - Optional: Untersuchen von Veränderungen des Vergleichsmaßes (VM) durch Vergleich der Versuchs-Testkörper (TV) mit dem Referenz-Testkörper (TR) im Verhältnis zu den Schichtinformationen (SI) und Erstellung eines Vergleichsmaßes (VM), in Abhängigkeit von den Schichtinformationen (SI), - Erstellen des Qualitätsmaßes (Q) basierend auf einer Anzahl erstellter Vergleichsmaße (VM).
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei basierend auf dem Qualitätsmaß (Q), welches insbesondere eine Information über ein Verhältnis zu Schichtinformationen (SI) umfasst, die erhaltenen oder generierten Schichtinformationen (SI) durch eine Vergrößerung des Vektorabstands von Scanvektoren (S) der Füllbereiche (F1, F2, F3, F4) zueinander und/oder durch eine Vergrößerung der Scangeschwindigkeit für diese Scanvektoren (S) modifiziert werden, und die Schritte des Verfahrens basierend auf den modifizierten oder generierten Schichtinformationen (SI) durchgeführt werden.
10. Steuerdaten (PS) zur Steuerung einer Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung, welche nach einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche generiert worden sind.
11. Fertigungsverfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (2), wobei in einem Baufeld (8) das Bauteil (2) in Form von Bauteilschichten (B) schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) gemäß den Steuerdaten (PS) nach Anspruch 10 aufgebaut wird, wobei zur Erstellung von Bauteilschichten (B) des Bauteils (2) der Energiestrahl (22) gemäß den Steuerdaten (PS) über das Baufeld (8) bewegt wird.
12. Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (34) zur Generierung von Steuerdaten (PS) nach Anspruch 10 für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) das Bauteil (2) in Form von Bauteilschichten (B) durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, 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 geometrische Parameter von Bauteilschichten und/oder Informationen zu Scanvektoren von Verfestigungsbereichen (V1, V2, V3, V4), welche Bauteilschichten (B) des Bauteils (2) repräsentieren, - ein Steuermodul (36) ausgelegt zum i) Auswählen oder Generieren eines ersten Füllbereichs (F1) für einen ersten Verfestigungsbereich (V1), wobei dieser Füllbereich (F1) ein Füllmuster (FM) aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) mit einem vorgegebenen Vektorabstand aufweist, ii) Erstellen eines zweiten Füllbereichs (F2) mit einem Füllmuster (FM) aus zueinander parallelen Scanvektoren (S) für einen auf dem ersten Verfestigungsbereich (V1) aufliegenden zweiten Verfestigungsbereich (V2), wobei die Scanvektoren (S) des zweiten Füllbereichs (F2) im Wesentlichen, vorzugsweise exakt, parallel zu den Scanvektoren (S) des ersten Füllbereichs (F1) ausgerichtet und versetzt zu diesen angeordnet sind, - eine Steuerdaten-Erzeugungseinheit (37) ausgelegt zum Generieren von Steuerdaten (PS) derart, dass die Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung mit diesen Steuerdaten (PS) Bauteilschichten (B) entsprechend den Verfestigungsbereichen (V1, V2, V3, V4) erzeugen kann.
13. Steuereinrichtung (30) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) das Bauteil (2) in Form von Bauteilschichten (B) schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, 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 Bauteilschichten (B) des Bauteils (2) gemäß Steuerdaten (PS) nach Anspruch 10 anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung (30) vorzugsweise eine Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (34) nach Anspruch 12 umfasst.
14. 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 13.
15. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder 11 auszuführen.

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