DE102022135018A1

DE102022135018A1 - Technik zur temperaturregelung eines mittels additiver fertigung erzeugten dreidimensionalen werkstücks

Info

Publication number: DE102022135018A1
Application number: DE102022135018.5A
Authority: DE
Inventors: Jonas Prell; Fynn Kepp
Original assignee: Nikon SLM Solutions AG
Current assignee: Nikon SLM Solutions AG
Priority date: 2022-12-29
Filing date: 2022-12-29
Publication date: 2024-07-04

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Temperaturregelung eines mittels additiver Fertigung erzeugten dreidimensionalen Werkstücks bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Aufrechterhalten einer Temperatur eines untersten Teils des Werkstücks während eines Aufbauprozesses des Werkstücks innerhalb eines ersten vordefinierten Bereichs einschließlich einer vordefinierten Solltemperatur, das Ausstrahlen eines Energiestrahls in eine Rohmaterialschicht an einem oberen Abschnitt des Werkstücks, um das bestrahlte Rohmaterial zu verfestigen und eine oberste Schicht des Werkstücks zu bilden, und das Aufrechterhalten einer Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks, sodass die Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks innerhalb eines zweiten vordefinierten Bereichs liegt, der die vordefinierte Solltemperatur einschließt. Ferner wird eine entsprechende Vorrichtung zur Temperaturregelung eines mittels additiver Fertigung erzeugten dreidimensionalen Werkstücks bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Technik zur Temperaturregelung eines mittels additiver Fertigung erzeugten dreidimensionalen Werkstücks. Der Prozess der additiven Fertigung kann ohne Einschränkung eine Pulverbettfusion sein, wie selektives Lasersintern, selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen.
Die Pulverbettfusion ist ein additiver Schichtungsvorgang, durch den pulverförmige, insbesondere metallische und/oder keramische Rohstoffe zu dreidimensionalen Werkstücken komplexer Formen verarbeitet werden können. Hierzu wird eine Rohmaterialpulverschicht auf einen Träger aufgebracht und ortsselektiv in Abhängigkeit von der gewünschten Geometrie des herzustellenden Werkstücks mit Strahlung (z. B. Laser- oder Partikelstrahlung) beaufschlagt. Die in die Pulverschicht eindringende Strahlung bewirkt eine Erwärmung und folglich Schmelzen oder Sintern der Rohmaterialpulverteilchen. Weitere Rohmaterialpulverschichten werden dann nacheinander auf die Schicht auf dem Träger aufgebracht, der bereits einer Strahlungsbehandlung unterzogen wurde, bis das Werkstück die gewünschte Form und Größe aufweist. Pulverbettfusion kann zur Herstellung von Prototypen, Werkzeugen, Ersatzteilen, hochwertigen Komponenten oder medizinischen Prothesen, wie beispielsweise Dental- oder orthopädischen Prothesen, auf Basis von CAD-Daten verwendet werden. Beispiele für Pulverbettfusionstechniken schließen selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern und Elektronenstrahlschmelzen ein.
Vorrichtungen zum Herstellen eines oder mehrerer Werkstücke gemäß der obigen Technik sind bekannt. Zum Beispiel beschreiben EP 2 961 549 A1 und EP 2 878 402 A1 jeweils eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks gemäß der Technik des selektiven Laserschmelzens. Die vorstehend und in diesen Dokumenten beschriebenen allgemeinen Prinzipien können auch für die Technik der vorliegenden Offenbarung gelten.
Insbesondere während des Aufbaus eines komplexen geformten und/oder hohen Werkstücks (d. h., eines Werkstücks mit einer großen Ausdehnung in einer z-Richtung senkrecht zu einer Substratplatte oder einem Träger) über eine der vorstehend genannten additiven Fertigungstechniken kann ein großer Temperaturgradient existieren, insbesondere kann eine große Temperaturdifferenz zwischen einer Substratplatte und einer obersten Schicht (hierin auch als „obere Schicht“ bezeichnet) des Werkstücks existieren.
Im Folgenden wird der Begriff „Temperaturgradient“ für einen räumlichen Temperaturgradienten entlang der vertikalen Achse (z-Achse) eines Werkstücks verwendet.
Große Temperaturgradienten können z. B. zu verschlechterten Materialeigenschaften und starker Spannung innerhalb solcher Werkstücke führen.
Die Erfindung ist daher auf die Aufgabe gerichtet, eine Technik bereitzustellen, die mindestens eines der vorstehend genannten Probleme und/oder andere verwandte Probleme löst. Insbesondere und ohne Einschränkung ist eine Technik erwünscht, die Temperaturgradienten innerhalb eines durch additive Fertigung aufgebauten Werkstücks reduziert und dadurch dazu beitragen kann, Materialeigenschaften des fertigen Werkstücks zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Temperaturregelung eines mittels additiver Fertigung erzeugten dreidimensionalen Werkstücks bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Halten einer Temperatur eines untersten Teils des Werkstücks während eines Aufbauprozesses des Werkstücks innerhalb eines ersten vordefinierten Bereichs, einschließlich einer vordefinierten Solltemperatur, das Ausstrahlen mindestens eines Energiestrahls in eine Rohmaterialschicht an einem oberen Abschnitt des Werkstücks, um das bestrahlte Rohmaterial zu verfestigen und eine oberste Schicht des Werkstücks zu bilden, und das Halten einer Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks, sodass die Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks innerhalb eines zweiten vordefinierten Bereichs liegt, der die vordefinierte Solltemperatur einschließt.
Eines oder mehrere der folgenden Merkmale des Verfahrensaspekts können auch für die Vorrichtung des nachstehend beschriebenen Vorrichtungsaspekts gelten. Wenn in der vorliegenden Offenbarung der Begriff „Werkstück“ verwendet wird, bezieht er sich immer auf das „dreidimensionale Werkstück“.
Der Prozess der additiven Fertigung, über den das Werkstück erzeugt wird, kann eine additive Fertigung aus einem Pulverbett sein, wie selektives Lasersintern oder selektives Laserschmelzen oder ein beliebiger anderer additiver Fertigungsprozess, bei dem ein Werkstück aus Rohmaterial aufgebaut wird (z. B. in Form von Pulver, Granulat und/oder Flüssigkeit).
Die vordefinierte Solltemperatur kann in einem Speicher gespeichert werden, insbesondere in einem Speicher einer additiven Fertigungsvorrichtung, die das Verfahren ausführt. Die vordefinierte Solltemperatur kann von einem Benutzer eingegeben worden sein oder kann im Voraus bestimmt (insbesondere berechnet) worden sein, z. B. durch eine Steuereinheit der additiven Fertigungsvorrichtung oder durch eine andere Rechenvorrichtung.
Der Schritt des Aufrechterhaltens kann das Ergreifen von Maßnahmen beinhalten, die Einfluss auf die Temperatur des untersten Teils des Werkstücks haben, wie Erwärmen oder Kühlen. Die Temperatur des untersten Teils des Werkstücks kann jedoch auch in dem ersten vordefinierten Bereich gehalten werden, indem eine oder mehrere geeignete Stützstrukturen bereitgestellt werden und/oder indem eine geeignete Geometrie des Werkstücks bereitgestellt wird.
Der erste vordefinierte Bereich kann höchstens 5 K, höchstens 10 K, höchstens 20 K, höchstens 30 K, höchstens 40 K, höchstens 50 K, höchstens 70 K oder höchstens 100 K betragen. Es kann erwünscht sein, die Temperatur des untersten Teils des Werkstücks so nahe wie möglich bei der vordefinierten Solltemperatur zu halten. Die vordefinierte Solltemperatur kann in der Mitte des ersten vordefinierten Bereichs liegen. Die vordefinierte Solltemperatur kann jedoch auch eine der Grenzen des ersten vordefinierten Bereichs sein. Zum Beispiel kann die vordefinierte Solltemperatur T_set sein und der erste vordefinierte Temperaturbereich kann sich von T_set - T_{toleranz_1} bis T_set + T_{toleranz_2} erstrecken. Die Werte von T_{toleranz_1} und T_{toteranz_2} können identisch sein oder sich voneinander unterscheiden.
Zum Aufrechterhalten der Temperatur des untersten Teils des Werkstücks kann die Temperatur des untersten Teils des Werkstücks gemessen werden (z. B. kontaktlos) oder geschätzt werden und kann eine Temperaturregelung mit geschlossenem Regelkreis implementiert werden.
Der unterste Teil des Werkstücks kann eine unterste Schicht des Werkstücks einschließen. Wenn in der vorliegenden Offenbarung Schichten des Werkstücks erwähnt werden, spricht man von verfestigten Bereichen des Werkstücks, die aus jeweiligen Rohmaterialschichten resultieren. Der unterste Teil des Werkstücks kann direkt einen Träger der additiven Fertigungsvorrichtung berühren. Er kann auch in das Rohmaterialpulver eingebettet sein, d. h., er kann oben auf einer nicht erstarrten Rohmaterialschicht erstarrt sein. Ferner kann sie von einer oder mehreren Stützstrukturen gestützt werden oder kann sogar Stützstrukturen einschließen oder daraus bestehen.
Der Schritt des Ausstrahlens des mindestens einen Energiestrahls kann ausgeführt werden, wie es auf dem Gebiet des selektiven Laserschmelzens oder selektiven Lasersinterns üblich ist. Daher kann der Energiestrahl ein Laserstrahl sein. Der Energiestrahl kann jedoch auch ein Teilchenstrahl, ein Elektronenstrahl oder ein beliebiger anderer geeigneter Energiestrahl sein, der konfiguriert ist, um das Rohmaterialpulver an gewünschten Stellen zu schmelzen oder zu sintern. Zu diesem Zweck kann eine Abtastoptik zum seitlichen Positionieren des Energiestrahls auf einer bestrahlten Schicht des Werkstücks vorgesehen sein. In der vorliegenden Offenbarung bedeuten seitliche Richtungen in einer x-y-Ebene, die parallel zu einem Träger der additiven Fertigungsvorrichtung ist. Eine z-Achse ist senkrecht zu der x-y-Ebene bereitgestellt und entspricht einer Höhenachse (d. h., einer Achse senkrecht zu den auf dem Träger abgeschiedenen Rohmaterialschichten). Ferner können mehr als ein Energiestrahl gleichzeitig oder anschließend ausgestrahlt werden. Zum Beispiel kann eine Mehrzahl von Energiestrahlen bereitgestellt werden, die unabhängig in x- und y-Richtung steuerbar sind. Zu diesem Zweck kann für jeden Energiestrahl eine einzelne Abtastoptik vorgesehen sein. Jeder Energiestrahl kann von einer entsprechenden Strahlquelle (z. B. Laserquelle) emittiert werden. Ferner kann die Mehrzahl von Energiestrahlen unterschiedliche Wellenlängen, unterschiedliche Laserleistungen und/oder unterschiedliche Strahlprofile aufweisen. Beispielsweise kann die Bestrahlung eines Mantelteils des Werkstücks mit einem anderen Energiestrahl als ein Kernteil des Werkstücks ausgeführt werden.
Die Rohmaterialschicht am oberen Abschnitt des Werkstücks ist eine Rohmaterialschicht, die auf einer zuvor bestrahlten Werkstückschicht abgeschieden ist.
Wenn sich die vorliegende Offenbarung auf eine Temperatur einer obersten Schicht des Werkstücks bezieht, kann dies eine Temperatur einer oberen Oberfläche des Werkstücks bedeuten. Die Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks kann über die Zeit und/oder über den Raum (d. h., unterschiedliche Stellen auf der obersten Schicht) gemittelt werden. Die Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks kann gemessen und/oder bestimmt werden, nachdem eine vordefinierte Zeit nach einer Bestrahlung der obersten Schicht abgelaufen ist, z. B. direkt bevor eine nächste Rohmaterialschicht abgeschieden wird. Ferner kann sich die Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks auf eine räumliche Durchschnittstemperatur der obersten Schicht beziehen, ausschließlich ein oder mehrere potenzielle Schmelzbäder (die immer heißer sein werden als der Rest der Schicht). Um Temperaturspitzen eines oder mehrerer Schmelzbäder auszuschließen, kann die Temperatur der obersten Schicht ein Medianwert von Temperaturen sein, die über die gesamte oberste Schicht gemessen und/oder betrachtet werden.
Das Aufrechterhalten der Temperatur der obersten Schicht kann bedeuten, dass Maßnahmen ergriffen werden, die sicherstellen, dass diese Temperatur identisch oder nahe der Solltemperatur ist.
Der zweite vordefinierte Bereich kann dem ersten vordefinierten Bereich entsprechen. Der zweite vordefinierte Bereich kann höchstens 5 K, höchstens 10 K, höchstens 20 K, höchstens 30 K, höchstens 40 K, höchstens 50 K, höchstens 70 K oder höchstens 100 K betragen. Es kann erwünscht sein, die Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks so nahe wie möglich bei der vordefinierten Solltemperatur zu halten. Die vordefinierte Solltemperatur kann in der Mitte des zweiten vordefinierten Bereichs liegen. Die vordefinierte Solltemperatur kann jedoch auch eine der Grenzen des zweiten vordefinierten Bereichs sein. Zum Beispiel kann die vordefinierte Solltemperatur T_set sein und der zweite vordefinierte Temperaturbereich kann sich von T_set - T_{toleranz_3} bis T_set + T _{toleranz_4} erstrecken. Die Werte von T_{toleranz_3} und T_{toleranz_4} können identisch sein oder sich voneinander unterscheiden.
Das Aufrechterhalten der Temperatur des untersten Teils des Werkstücks kann ein Erwärmen eines Trägers umfassen, auf dem das Werkstück aufgebaut wird, insbesondere auf eine Temperatur innerhalb des ersten vordefinierten Bereichs.
Die Erwärmung des Trägers kann über ein im Träger integriertes oder unterhalb des Trägers vorgesehenes Heizelement erfolgen. Das Heizelement kann ein elektrisches Heizelement sein, das z. B. in Form einer Heizspule bereitgestellt ist. Das Heizelement kann konfiguriert sein, um den Träger homogen auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen, die der vordefinierten Solltemperatur entspricht. Mit anderen Worten kann das Heizelement konfiguriert sein, um den Träger auf eine Temperatur innerhalb des ersten vordefinierten Bereichs zu erwärmen.
Der Träger kann während des Aufbauprozesses in Bezug auf seine vertikale Position stationär sein oder kann ein vertikal beweglicher Träger einer additiven Fertigungsvorrichtung sein, die während des Aufbauprozesses abgesenkt wird, sodass eine neue Rohmaterialschicht auf der vorherigen Rohmaterialschicht bereitgestellt werden kann. Der Begriff Träger kann durch eine Bodenplatte oder eine Substratplatte ersetzt werden. In jedem Fall kann der Träger eine flache Oberfläche umfassen, auf der das Werkstück aufgebaut ist. Diese Oberfläche kann im Schritt des Erwärmens des Trägers erwärmt werden.
Die Temperatur des untersten Teils des Werkstücks kann beibehalten werden, z. B. indem eine Temperaturregelung mit offenem Regelkreis oder geschlossenem Regelkreis einer Temperatur des Trägers verwendet wird. Zum Beispiel kann ein Heizelement, das den Träger erwärmt, in vordefinierten Zeiträumen aktiviert werden, um die Solltemperatur zu erhalten und aufrechtzuerhalten. Mit anderen Worten kann eine Temperaturregelung mit offenem Regelkreis der Temperatur des Trägers bereitgestellt werden, wobei Heizzeiten, Nicht-Heizzeiten und/oder Heizleistungswerte in einer Nachschlagetabelle für einen gewünschten Temperaturwert gespeichert werden können. Ferner kann ein Temperatursensor bereitgestellt sein, der konfiguriert ist, um eine Temperatur des Trägers zu messen. Dieser Temperatursensor kann in den Träger integriert sein und/oder kann den Träger berühren. In diesem Fall kann eine Ausgabe des Temperatursensors zur Temperaturregelung mit geschlossenem Regelkreis der Temperatur des Trägers verwendet werden. Wenn beispielsweise die mit dem Temperatursensor gemessene Temperatur des Trägers unter einen vordefinierten Schwellenwert fällt (der von der Solltemperatur abhängt), wird das Heizelement aktiviert, um den Träger auf die gewünschte Solltemperatur zu erwärmen.
Der vordefinierte Schwellenwert kann einer unteren Grenze des ersten vordefinierten Bereichs entsprechen. Auf diese Weise wird die Temperatur innerhalb des ersten vordefinierten Bereichs, insbesondere während eines gesamten Aufbauprozesses des Werkstücks, gehalten. Der Aufbauprozess kann als eine Zeit definiert werden, wenn eine Abscheidung einer ersten Rohmaterialschicht auf den Träger beginnt, zu einer Zeit, wenn eine Bestrahlung einer letzten Rohmaterialschicht stoppt. Optional kann der Aufbauprozess nach der Bestrahlung der letzten Rohmaterialschicht eine zusätzliche vordefinierte Abkühlzeit umfassen. Während der Abkühlzeit können die Temperatur des untersten Teils des Werkstücks und die Temperatur der obersten Schicht noch im jeweiligen Bereich aufrechterhalten werden, z. B. um eine gewünschte Mikrostruktur des Werkstücks zu erreichen.
Um die Temperatur des untersten Teils des Werkstücks innerhalb des ersten vordefinierten Bereichs aufrechtzuerhalten, muss eine Solltemperatur des Trägers aufgrund zusätzlicher Kühlkörper geringfügig höher als die gewünschte Solltemperatur des untersten Teils des Werkstücks eingestellt werden (insbesondere falls der unterste Teil des Werkstücks den Träger nicht direkt berührt oder einen eher kleinen Kontaktbereich zum Träger aufweist). Somit kann das Aufrechterhalten der Temperatur des untersten Teils des Werkstücks innerhalb des ersten vordefinierten Bereichs das Halten eines Trägers, auf dem das Werkstück aufgebaut wird, in einem dritten vordefinierten Bereich, der sich von dem ersten vordefinierten Bereich unterscheidet, umfassen. Die oberen und unteren Grenzen des dritten vordefinierten Bereichs können größer sein als die oberen und unteren Grenzen des ersten vordefinierten Bereichs, insbesondere um einen festen Versatz (z. B. 5 K, 10 K oder 15 K).
Das Verfahren kann ferner das Bestimmen der vordefinierten Solltemperatur basierend auf Aufbaudaten umfassen, die eine Geometrie des zu bauenden Werkstücks definieren.
Eine Mehrzahl von Parametern kann einen Einfluss auf die Solltemperatur haben. Die Geometrie des zu bauenden Werkstücks ist einer dieser Parameter. Diese Parameter können ferner mindestens einen von einem verwendeten Material oder einer Materialzusammensetzung, einer Werkstückhöhe, einem oder mehreren Bestrahlungsparametern wie Wellenlänge, Strahlleistung und/oder Strahlprofil usw. einschließen.
Die Solltemperatur kann durch Analysieren der Aufbaudaten (z. B. CAD-Daten oder SLM-Daten) bestimmt werden. Ein mathematisches Modell kann zum Bestimmen der vordefinierten Solltemperatur verwendet werden. Ferner können historische Prozesswerte (z. B. gemessene Temperaturen) Eingabeparameter für die Bestimmung der Solltemperatur sein. Zum Beispiel kann eine künstliche Intelligenz-Engine zum Bestimmen der Solltemperatur trainiert und implementiert werden.
Der Schritt des Bestimmens der vordefinierten Solltemperatur kann das Speichern der vordefinierten Solltemperatur in einen Speicher, z. B. einen Speicher der additiven Fertigungsvorrichtung, umfassen. Ferner kann der erste vordefinierte Bereich basierend auf der bestimmten Solltemperatur bestimmt werden. Zum Beispiel kann der erste vordefinierte Bereich so bestimmt werden, dass die Solltemperatur in der Mitte des ersten vordefinierten Bereichs liegt. Ferner kann der zweite vordefinierte Bereich basierend auf der bestimmten Solltemperatur bestimmt werden. Zum Beispiel kann der zweite vordefinierte Bereich so bestimmt werden, dass die Solltemperatur in der Mitte des zweiten vordefinierten Bereichs liegt.
Das Aufrechterhalten der Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks kann mindestens eines des Erwärmens der obersten Schicht des Werkstücks und/oder der Rohmaterialschicht am oberen Abschnitt des Werkstücks und des Einführens eines Zeitraums reduzierter Bestrahlungsleistung umfassen.
Mit anderen Worten gibt es mindestens zwei Möglichkeiten, die Temperatur der obersten Schicht zu halten, nämlich das Erwärmen und das Abkühlen (d. h., das Einführen des Zeitraums reduzierter Bestrahlungsleistung). Die Erwärmung kann aktiv über eine Heizvorrichtung erfolgen. Die Kühlung kann passiv durchgeführt werden, indem Wärme aus dem Werkstück entfernt werden kann (z. B. über Wärmestrahlung oder Konvektion).
Das Aufrechterhalten der Temperatur der obersten Schicht kann über eine Steuerung mit offenem Regelkreis oder eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis erfolgen. Im offenen Regelkreis werden vordefinierte Maßnahmen ergriffen, die bekanntermaßen zur gewünschten Solltemperatur (d. h., einer Temperatur der obersten Schicht innerhalb des zweiten vordefinierten Bereichs) führen. Zum Beispiel können Heizzeiten, Nicht-Heizzeiten und/oder Heizleistungen in einer Nachschlagetabelle für eine Mehrzahl von gewünschten Temperaturwerten gespeichert werden. In ähnlicher Weise können Werte für eine Länge und/oder andere Parameter eines Zeitraums reduzierter Bestrahlungsleistung in einer Nachschlagetabelle für eine Mehrzahl von gewünschten Temperaturwerten gespeichert werden.
Im geschlossenen Regelkreis wird die Temperatur der obersten Schicht gemessen, z. B. über einen Kontakttemperatursensor, einen kontaktlosen Temperatursensor, eine Kamera, eine pyrometrische Messvorrichtung usw. Basierend auf der gemessenen Temperatur werden Maßnahmen eingeleitet, die zu einer Kühlung oder Erwärmung der obersten Schicht führen. Zum Beispiel wird im Fall, dass die gemessene Temperatur unter einer unteren Grenze des zweiten vordefinierten Bereichs liegt, die oberste Schicht über eine Heizvorrichtung (Oberschichtheizvorrichtung) erwärmt. Falls die gemessene Temperatur über einer Obergrenze des zweiten vordefinierten Bereichs liegt, wird mindestens ein zusätzlicher Zeitraum verringerter Bestrahlungsleistung eingeführt (z. B. eine Wartezeit, in der keine Bestrahlung durchgeführt wird).
Das Erwärmen der obersten Schicht des Werkstücks kann das Erhöhen einer Bestrahlungsleistung des mindestens einen Energiestrahls umfassen. Die Bestrahlungsleistung (z. B. Laserleistung) kann auf einen Wert erhöht werden, der sicherstellt, dass eine in die oberste Schicht eingebrachte Wärmemenge gleich einer die oberste Schicht verlassenden Wärmemenge während eines Zeitraums ist, wenn die Beschichtung einer aktuellen Rohmaterialschicht beginnt, zu einem Zeitpunkt, zu dem die Beschichtung einer nachfolgenden Rohmaterialschicht beginnt. Mit anderen Worten kann die Bestrahlungsleistung so erhöht werden, dass die Temperatur der obersten Schicht innerhalb des zweiten vordefinierten Bereichs gehalten wird.
Ferner können die vorstehend beschriebenen Maßnahmen zum Aufrechterhalten der Temperatur der obersten Schicht im Betrieb mit geschlossenem Regelkreis in einer aktuellen obersten Schicht des Werkstücks durchgeführt werden, auf der Temperaturmessungen durchgeführt werden. Die Maßnahmen zum Aufrechterhalten der Temperatur können jedoch auch in einer nachfolgenden Schicht durchgeführt werden, d. h., in einer Schicht, die der Schicht folgt, in der die Temperaturmessungen durchgeführt wurden.
Das Verfahren kann ferner das Berechnen einer Wärmemenge, die über den mindestens einen Energiestrahl in die oberste Schicht eingebracht wird, das Berechnen einer Wärmemenge, die die oberste Schicht während der Bestrahlung der obersten Schicht verlässt, falls die in die oberste Schicht eingebrachte Wärmemenge größer ist als die Menge an Wärme, die die oberste Schicht verlässt, das Einführen des Zeitraums verringerter Bestrahlungsleistung, während dem eine zusätzliche Wärmemenge die oberste Schicht verlassen kann, und/oder, falls die Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, größer ist als die Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, das Erwärmen der obersten Schicht des Werkstücks und/oder der Rohmaterialschicht an dem oberen Abschnitt des Werkstücks, sodass eine zusätzliche Menge an Wärme in die oberste Schicht eingebracht wird, umfassen.
Die Berechnung der Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, und der Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, kann Teil einer Steuerung mit offenem Regelkreis der Temperatur der obersten Schicht sein. Der Prozess kann daher durchgeführt werden, ohne die Temperatur der obersten Schicht zu messen. Das Messen der Temperatur der obersten Schicht kann jedoch einen zusätzlichen Schritt des Überprüfens, ob die durchgeführte Steuerung korrekt war und zu der gewünschten Aufrechterhaltung der Temperatur der obersten Schicht führte, bereitstellen.
Somit kann eine Kombination von Steuerung mit offenem Regelkreis und geschlossenem Regelkreis implementiert werden. Zum Beispiel kann eine Steuerung mit offenem Regelkreis für einen oder mehrere anfängliche Iterationsschritte durchgeführt werden, und danach kann eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis übernehmen.
Das Berechnen der Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, und/oder das Berechnen der Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, kann unter Verwendung eines mathematischen Modells und/oder einer künstlichen Intelligenz-Engine durchgeführt werden. Eingabeparameter für das mathematische Modell und/oder die künstliche Intelligenz-Engine können einer oder mehrere von einer Geometrie der zu bestrahlenden obersten Schicht, einem Bereich der zu bestrahlenden obersten Schicht, einer Leistung des Energiestrahls (z. B. einer Laserleistung), einem Strahlprofil des Energiestrahls, einer Anzahl von Energiestrahlen, die die oberste Schicht bestrahlt, einer Geometrie zugrunde liegender erstarrter Werkstückschichten, eines Vorhandenseins eines Gasstroms, einer Geschwindigkeit eines Gasstroms usw. sein.
Die in die oberste Schicht eingebrachte Wärmemenge kann die durch den mindestens einen Energiestrahl während der Bestrahlung der gesamten obersten Schicht eingebrachte Wärmemenge sein. Die Menge an Wärme, die die oberste Schicht verlässt, kann die Wärmemenge sein, die die oberste Schicht von einem Beginn der Bestrahlung der obersten Schicht bis zu dem Beginn der Bestrahlung einer nachfolgenden Schicht verlässt. Dieser Zeitraum kann einer Bestrahlungszeit plus einer Feuer-zu-Feuer-Zeit entsprechen, während der die nachfolgende Schicht beschichtet wird. Genauer gesagt kann die Menge an Wärme, die die oberste Schicht verlässt, die Menge an Wärme sein, die die oberste Schicht verlässt, ohne Berücksichtigung eines oder mehrerer Zeiträume reduzierter Bestrahlungsleistung. In ähnlicher Weise kann die Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, die Wärmemenge sein, die ausschließlich durch die Bestrahlung über den mindestens einen Energiestrahl ohne Berücksichtigung irgendeiner zusätzlichen Erwärmung (z. B. durch eine Oberschichtheizvorrichtung) eingebracht wird. Somit kann die berechnete Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird und/oder diese verlässt, berechnet werden, ohne jegliche Maßnahmen zum Einleiten/Entfernen der zusätzlichen Wärme zu berücksichtigen.
Der vordefinierte Wartezeitraum kann eine vordefinierte Zeitdauer (z. B. in Sekunden oder Millisekunden angegeben) aufweisen. Die vordefinierte Zeitdauer kann so berechnet werden, dass während dieser Zeitdauer die zusätzliche Wärmemenge die oberste Schicht verlassen kann. Hierzu kann ein mathematisches Modell verwendet werden.
Falls die in die oberste Schicht eingebrachte Wärmemenge größer ist als die Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, kann die zusätzliche Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, der Differenz der in die oberste Schicht eingebrachten Wärmemenge und der die oberste Schicht verlassenden Wärmemenge entsprechen. Zusätzlich oder alternativ kann, falls die Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, größer ist als die Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, die zusätzliche Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, der Differenz der Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, und der Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, entsprechen.
Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eine Summe der in die oberste Schicht eingebrachten Wärme gleich einer Summe der die oberste Schicht verlassenden Wärme ist. Mit anderen Worten ist eine Netto-Summe von Wärme, die in die oberste Schicht eingebracht wird, z. B. für jede betrachtete oberste Schicht, Null. Dies kann auch als Netto-Null-Konzept bezeichnet werden.
Das Erwärmen der obersten Schicht des Werkstücks kann über Wärmestrahlung erfolgen.
Zu diesem Zweck kann eine jeweilige Heizvorrichtung (Oberschichtheizvorrichtung) bereitgestellt werden. Diese Heizvorrichtung kann stationär oder beweglich sein. Es ist z. B. möglich, einen oder mehrere zusätzliche Laserstrahlen bereitzustellen, die das Erhitzen der obersten Schicht mit Laserstrahlung mit einer Laserleistung durchführen, die nicht ausreicht, um ein Schmelzbad zu erzeugen. Ferner kann Infrarotstrahlung verwendet werden, um die oberste Schicht zu erwärmen.
Die Wärmestrahlung kann von einer Vorrichtung abgestrahlt werden, die an einer Pulverbeschichtungsvorrichtung befestigt ist, die dazu konfiguriert ist, die oberste Schicht des Werkstücks aufzubringen.
Die Heizvorrichtung kann daher eine Oberschichtheizvorrichtung sein, die konfiguriert ist, um zusammen mit der Pulverbeschichtungsvorrichtung bewegt zu werden. Zum Beispiel kann die zusätzliche Wärme zu dem Zeitpunkt, zu dem das Rohmaterial der obersten Schicht über die Beschichtungsvorrichtung beschichtet wird, in die oberste Schicht eingebracht werden. Die Beschichtung und Erwärmung kann jedoch auch zu unterschiedlichen Zeiten durchgeführt werden.
Der Zeitraum der reduzierten Bestrahlungsleistung kann ein vordefinierter Wartezeitraum sein, während dem keine Bestrahlung von Rohmaterial durchgeführt wird.
Mit anderen Worten können während des vordefinierten Wartezeitraums alle Energiestrahlen ausgeschaltet werden (z. B. über einen Verschluss) oder in eine Strahlfalle geleitet werden. Ferner kann zu den Aufbaudaten ein sogenannter Ghost-Teil hinzugefügt werden, der einem nicht bestrahlten (und daher virtuellen) Werkstück entspricht.
Der Zeitraum der reduzierten Bestrahlungsleistung kann ein Zeitraum sein, in dem mindestens ein Bestrahlungsparameter geändert wird, um die Bestrahlungsleistung zu reduzieren, wobei der Bestrahlungsparameter mindestens einer der Anzahl aktiver Energiestrahlen, der Laserleistung, der Abtastgeschwindigkeit und des Strahlprofils ist.
Während des Zeitraums reduzierter Bestrahlungsleistung kann die in die oberste Schicht eingeführte Bestrahlungsleistung größer als Null, aber kleiner als ohne Einbringen des Zeitraums reduzierter Bestrahlungsleistung sein. Mit anderen Worten muss während des Zeitraums reduzierter Bestrahlungsleistung nicht die vollständige Bestrahlung der obersten Schicht ausgeschaltet werden, wie dies für den vordefinierten Wartezeitraum der Fall ist. Es ist auch möglich, dass die Bestrahlungsleistung während dieses Zeitraums insbesondere auf folgende Weise reduziert wird: Das Bestrahlen der obersten Schicht mit reduzierter Bestrahlungsleistung kann bedeuten, dass die Bestrahlung der obersten Schicht eine vordefinierte Zeit länger dauert als ohne den Zeitraum reduzierter Bestrahlungsleistung. Der Zeitraum reduzierter Bestrahlungsleistung kann so berechnet werden, dass die Wärmemenge, die während der vordefinierten Zeit die oberste Schicht verlassen kann, der (berechneten) zusätzlichen Wärmemenge entspricht.
Der Zeitraum reduzierter Bestrahlungsleistung kann zwischen einer Zeit, bei der eine Bestrahlung der obersten Schicht beendet ist, und einer Zeit, wenn eine Pulverbeschichtung einer nächsten Schicht auf der obersten Schicht beginnt, zwischen einer Zeit, in der eine Beschichtung einer nächsten Schicht auf der obersten Schicht beendet ist und eine Bestrahlung der nächsten Schicht beginnt, oder während der Bestrahlung der obersten Schicht eingeführt werden.
Mit anderen Worten gibt es eine Mehrzahl von Optionen zum Einführen eines oder mehrerer Zeiträume reduzierter Bestrahlungsleistung. Der Zeitraum der Bestrahlungsleistung kann auch in zwei oder mehr Zeiträume aufgeteilt werden. Zum Beispiel wird ein Zeitraum nach der Beschichtung und vor der Bestrahlung eingeführt und wird ein Zeitraum nach der Bestrahlung und vor der Beschichtung einer nächsten Schicht eingeführt. Ferner können ein oder mehrere Zeiträume reduzierter Bestrahlungsleistung zwischen aufeinanderfolgenden Bestrahlungsvektoren (z. B. eines Schraffurmusters) eingeführt werden. Zur Einführung eines oder mehrerer Zeiträume reduzierter Bestrahlungsleistung existieren mehrere Optionen, wie ein Ausschalten eines oder mehrerer Energiestrahlen zu einer oder mehreren vordefinierten Zeiten vor, während oder nach der Bestrahlung der obersten Schicht.
Die Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks kann über eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis aufrechterhalten werden.
Die Temperatur der obersten Schicht kann gemessen werden. Basierend auf der gemessenen Temperatur kann entschieden werden, ob ein Zeitraum reduzierter Bestrahlungsleistung eingeführt wird oder ob die oberste Schicht erwärmt wird. Eine Solltemperatur der Steuerung mit geschlossenem Regelkreis kann der Solltemperatur des untersten Teils des Werkstücks entsprechen (z. B. einer Solltemperatur eines Trägers, auf dem das Werkstück aufgebaut wird). Zum Beispiel wird im Fall, dass die gemessene Temperatur unter einer unteren Grenze des ersten vordefinierten Bereichs liegt, eine zusätzliche Erwärmung durchgeführt, z. B. über eine Oberschichtheizvorrichtung.
Ferner wird im Fall, dass die gemessene Temperatur über einer Obergrenze des ersten vordefinierten Bereichs liegt, ein Zeitraum einer reduzierten Bestrahlungsleistung eingeführt.
Das Verfahren kann durch eine additive Fertigungsvorrichtung und insbesondere durch eine Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen oder selektiven Lasersintern durchgeführt werden.
Die additive Fertigungsvorrichtung kann alle üblichen Komponenten einer solchen Vorrichtung umfassen, z. B. eine Baukammer, einen Bauzylinder, einen beweglichen Träger, eine Bestrahlungseinheit zum Emittieren eines oder mehrerer Energiestrahlen, eine Gaszirkulationsleitung mit einer entsprechenden Umwälzvorrichtung (z. B. ein Ventilator oder Gebläse), ein oder mehrere Filter usw.
Das Verfahren kann ferner das Bestimmen der vordefinierten Solltemperatur umfassen, um eine Mikrostruktur während eines Aufbauprozesses zu definieren.
Auf diese Weise kann eine Abkühlrate definiert werden und die Mikrostruktur des Werkstücks kann während eines Abkühlprozesses des Werkstücks gesteuert werden. Insbesondere kann während dieses Abkühlprozesses die vordefinierte Solltemperatur dynamisch gesteuert werden, d. h., sie kann sich während des Abkühlprozesses ändern. Genauer gesagt kann die vordefinierte Solltemperatur eine vordefinierte zeitabhängige Solltemperatur umfassen, die z. B. durch eine Steuereinheit der additiven Fertigungsvorrichtung eingestellt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Temperaturregelung eines mittels additiver Fertigung erzeugten dreidimensionalen Werkstücks bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Steuereinheit und eine Bestrahlungsvorrichtung zum Ausstrahlen mindestens eines Energiestrahls. Die Steuereinheit ist konfiguriert, um eine Temperatur eines untersten Teils des Werkstücks während eines Aufbauprozesses des Werkstücks innerhalb eines ersten vordefinierten Bereichs einschließlich einer vordefinierten Solltemperatur beizubehalten, die Bestrahlungsvorrichtung anzuweisen, mindestens einen Energiestrahl in eine Rohmaterialschicht an einem oberen Abschnitt des Werkstücks auszustrahlen, um das bestrahlte Rohmaterial zu verfestigen und eine oberste Schicht des Werkstücks zu bilden, und eine Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks aufrechtzuerhalten, sodass die Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks innerhalb eines zweiten vordefinierten Bereichs liegt, der die vordefinierte Solltemperatur einschließt.
Alle vorstehenden Aspekte und Details, die in Bezug auf den Verfahrensaspekt (erster Aspekt) erörtert wurden, können auf den Vorrichtungsaspekt angewendet werden. Insbesondere kann die Vorrichtung des zweiten Aspekts konfiguriert sein, um das Verfahren des ersten Aspekts durchzuführen, wobei eines oder mehrere der vorstehend in Bezug auf den Verfahrensaspekt erörterten Details implementiert sind.
Die Vorrichtung kann ferner eine Trägerheizvorrichtung umfassen, wobei das Halten der Temperatur des untersten Teils des Werkstücks das Anweisen der Trägerheizvorrichtung umfasst, einen Träger zu erwärmen, auf dem das Werkstück aufgebaut wird, insbesondere auf eine Temperatur innerhalb des ersten vordefinierten Bereichs.
Die Steuereinheit kann ferner konfiguriert sein, um die vordefinierte Solltemperatur basierend auf Aufbaudaten zu bestimmen, die eine Geometrie des zu bauenden Werkstücks definieren.
Die Vorrichtung kann ferner eine Oberschichtheizvorrichtung umfassen, wobei das Halten der Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks mindestens eines von Anweisen der Oberschichtheizvorrichtung, die oberste Schicht des Werkstücks und/oder die Rohmaterialschicht am oberen Abschnitt des Werkstücks zu erwärmen, und Einführen eines Zeitraums reduzierter Bestrahlungsleistung umfasst.
Die Steuereinheit kann ferner konfiguriert sein, um eine Wärmemenge, die über den mindestens einen Energiestrahl in die oberste Schicht eingebracht wird, zu berechnen, eine Wärmemenge, die die oberste Schicht während der Bestrahlung der obersten Schicht verlässt, zu berechnen, falls die in die oberste Schicht eingebrachte Wärmemenge größer ist als die die oberste Schicht verlassende Wärmemenge, den Zeitraum reduzierter Bestrahlungsleistung einzuführen, während dem eine zusätzliche Wärmemenge die oberste Schicht verlassen kann, und/oder, falls die Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, größer ist als die in die oberste Schicht eingebrachte Wärmemenge, die Oberschichtheizvorrichtung anzuweisen, die oberste Schicht des Werkstücks und/oder die Rohmaterialschicht am oberen Abschnitt des Werkstücks zu erwärmen, sodass eine zusätzliche Wärmemenge in die oberste Schicht eingebracht wird.
Falls die in die oberste Schicht eingebrachte Wärmemenge größer ist als die Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, kann die zusätzliche Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, der Differenz der in die oberste Schicht eingebrachten Wärmemenge und der die oberste Schicht verlassenden Wärmemenge entsprechen. Zusätzlich oder alternativ kann, falls die Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, größer ist als die Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, die zusätzliche Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, der Differenz der Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, und der Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, entsprechen.
Die Heizvorrichtung kann konfiguriert sein, um das Erwärmen der obersten Schicht des Werkstücks über Wärmestrahlung durchzuführen.
Die Oberschichtheizvorrichtung ist an einer Pulverbeschichtungsvorrichtung befestigt, die dazu konfiguriert ist, die oberste Schicht des Werkstücks aufzubringen.
Der Zeitraum der reduzierten Bestrahlungsleistung kann ein vordefinierter Wartezeitraum sein, während dem keine Bestrahlung von Rohmaterial durchgeführt wird.
Der Zeitraum der reduzierten Bestrahlungsleistung kann ein Zeitraum sein, in dem mindestens ein Bestrahlungsparameter geändert wird, um die Bestrahlungsleistung zu reduzieren, wobei der Bestrahlungsparameter mindestens einer der Anzahl aktiver Energiestrahlen, der Laserleistung, der Abtastgeschwindigkeit und des Strahlprofils ist.
Der Zeitraum reduzierter Bestrahlungsleistung kann zwischen einer Zeit, bei der eine Bestrahlung der obersten Schicht beendet ist, und einer Zeit, wenn eine Pulverbeschichtung einer nächsten Schicht auf der obersten Schicht beginnt, zwischen einer Zeit, in der eine Beschichtung einer nächsten Schicht auf der obersten Schicht beendet ist und eine Bestrahlung der nächsten Schicht beginnt, oder während der Bestrahlung der obersten Schicht eingeführt werden.
Die Steuereinheit kann konfiguriert sein, um die Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks über eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis aufrechtzuerhalten.
Die Vorrichtung kann eine additive Fertigungsvorrichtung und insbesondere eine Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen oder selektiven Lasersintern sein.
Die Steuereinheit kann konfiguriert sein, um die vordefinierte Solltemperatur zu bestimmen, um eine Mikrostruktur während eines Aufbauprozesses zu definieren.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei

1 eine schematische Seitenansicht einer additiven Fertigungsvorrichtung mit einem Laserstrahl gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 eine schematische Seitenansicht einer additiven Fertigungsvorrichtung mit zwei Laserstrahlen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3 ein Detail eines Bauzylinders mit einem Träger und einem Werkstück mit Stützen zeigt, die auf Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung angewendet werden können;
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
5 eine Steuereinheit mit Modulen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer additiven Fertigungsvorrichtung 10 zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks 12. Die Vorrichtung 10 unterscheidet sich im Allgemeinen von dem spezifischen Verfahren zur Temperaturregelung, das in eine Steuereinheit 40 der Vorrichtung 10 programmiert wird, und einigen optionalen Details, die dem Fachmann bekannt sind. Die Vorrichtung 10 kann z. B. eine typische additive Fertigungsvorrichtung sein, wobei das Verfahren zur Temperaturregelung gemäß der vorliegenden Offenbarung in eine Steuereinheit 40 der Vorrichtung 10 programmiert ist. Optional können einige zusätzliche Strukturelemente bereitgestellt werden, wie eine Oberschichtheizvorrichtung, die für typische additive Fertigungsvorrichtungen nicht notwendigerweise üblich ist.
Die Prinzipien der Vorrichtung 10 sind dem Fachmann auf dem Gebiet der additiven Fertigung gut bekannt und werden nur kurz beschrieben. Zum Beispiel kann eine solche Vorrichtung 10 eine Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen oder eine Vorrichtung zum selektiven Lasersintern sein, wobei ein oder mehrere Laserstrahlen 14 zum selektiven Bestrahlen und Verfestigen nachfolgender Schichten aus Rohmaterialpulver verwendet werden können.
Als Beispiel kann die Vorrichtung 10 zum Durchführen eines Prozesses des selektiven Laserschmelzens, wie nachstehend beschrieben, als Beispiel dienen. Typische Merkmale der Pulverbettfusion sind, dass ein Rohmaterialpulver schichtweise aufgebracht wird und jede Schicht selektiv bestrahlt und verfestigt wird, um eine Schicht eines herzustellenden Werkstücks 12 zu erzeugen. Nach dem Entfernen von überschüssigem Pulver und nach optionalen Schritten der Nachverarbeitung (z. B. Entfernen einer oder mehrerer Stützstrukturen) wird das endgültige Werkstück 12 erhalten.
Es sollte beachtet werden, dass die Technik der vorliegenden Offenbarung nicht auf Pulverbettfusionstechniken beschränkt ist und dass auch flüssiges oder Granulatrohmaterial verwendet werden kann. Ferner ist die Technik der vorliegenden Offenbarung nicht auf die Bestrahlung mit einem Laserstrahl beschränkt. Stattdessen kann jeder andere Energiestrahl (z. B. Teilchenstrahl, Elektronenstrahl usw.) verwendet werden, der in der Lage ist, das verwendete Rohmaterialpulver zu verfestigen. Gemäß den nachstehend beschriebenen spezifischen Ausführungsformen ist das Rohmaterial jedoch ein Rohmaterialpulver (z. B. Metallpulver, Keramikpulver oder Kunststoffpulver) und der mindestens eine Energiestrahl, der das Rohmaterialpulver verfestigt, ist ein Laserstrahl.
1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks 12 durch selektives Laserschmelzen. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Prozesskammer 16. Die Prozesskammer 16 ist gegen die Umgebungsatmosphäre, d. h., gegen die Umgebung, die die Prozesskammer 16 umgibt, verschließbar. Eine Pulverbeschichtungsvorrichtung 18 (auch Pulverauftragsvorrichtung genannt), die in der Prozesskammer 16 angeordnet ist, dient zum Aufbringen eines Rohmaterialpulvers auf einen Träger 20. Zu diesem Zweck kann die Pulverbeschichtungsvorrichtung 18 eine Walze und/oder eine Klinge und/oder einen Rohmaterialtrichter umfassen. Die Pulverbeschichtungsvorrichtung 18 ist konfiguriert, um eine gleichmäßige Schicht aus Rohmaterial auf eine zuvor aufgebrachte und bestrahlte Schicht aus Rohmaterial aufzubringen. In diesem Zusammenhang bedeutet gleichmäßig, dass die Schicht eine gleichmäßige Dicke aufweist. Die Schichtdicke kann z. B. durch vertikale Positionierung der Pulverbeschichtungsvorrichtung 18 und/oder des Trägers 20 gewählt werden.
Eine Vertikalbewegungseinheit 22 ist vorgesehen, sodass der Träger 20 in einer vertikalen Richtung verschoben werden kann, sodass mit zunehmender Aufbauhöhe des Werkstücks 12, wenn es in Schichten aus dem Rohmaterialpulver auf dem Träger 20 aufgebaut wird, der Träger 20 in vertikaler Richtung nach unten bewegt werden kann.
Da die Beweglichkeit des Trägers 20 mittels der Vertikalbewegungseinheit 22 im Bereich des selektiven Laserschmelzens gut bekannt ist, wird sie hierin nicht näher erläutert. Alternativ zu dem beweglichen Träger 20 kann der Träger 20 als stationärer (oder fester) Träger (insbesondere in Bezug auf die vertikale z-Richtung) bereitgestellt werden, wobei die Bestrahlungsvorrichtung 24 (siehe unten) und die Prozesskammer 16 konfiguriert sind, um während des Aufbauprozesses nach oben bewegt zu werden (d. h., mit zunehmender Aufbauhöhe des Werkstücks 12). Ferner können sowohl der Träger 20 als auch die Bestrahlungsvorrichtung 24 entlang der z-Richtung einzeln beweglich sein.
Eine Trägeroberfläche des Trägers 20 definiert eine horizontale Ebene (eine x-y-Ebene), wobei eine Richtung senkrecht zu der Ebene als eine vertikale Richtung oder Aufbaurichtung (z-Richtung) definiert ist. Somit erstrecken sich jede oberste Schicht aus Rohmaterialpulver und jede Schicht des Werkstücks 12 in einer Ebene parallel zu der vorstehend definierten horizontalen Ebene (x-y-Ebene).
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner einen Gaseinlass 26 zum Zuführen eines Inertgases (z. B. Argon) in die Prozesskammer 16. Ferner ist ein Gasauslass 27 vorgesehen, sodass durch die Prozesskammer 16 ein kontinuierlicher (horizontaler) Gasstrom durch Implementierung eines Gaskreislaufs erzeugt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform wird über die oberste Rohmaterialpulverschicht ein unidirektionaler laminarer Gasstrom erzeugt. Der durch den Gaseinlass 26 und den Gasauslass 27 erzeugte Gasstrom kann dazu dienen, Schmelzspritzer und/oder andere unerwünschte Schmutzteilchen von der obersten Schicht des Werkstücks 12 abzubauen, um eine Qualität des Werkstücks 12 zu verbessern. Der Gasstrom entfernt auch Wärme von dem Werkstück 12 durch Konvektion.
Ferner ist in der Prozesskammer 16 eine Temperaturmessvorrichtung 28 angeordnet, um eine Temperatur einer obersten Schicht 13 des Werkstücks 12 zu bestimmen. Die Vorrichtung 28 ist optional und wird möglicherweise nur für die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis verwendet (siehe nachstehende detaillierte Beschreibung). Die Temperaturmessvorrichtung 28 kann ein Pyrometer umfassen, das konfiguriert ist, um Wärmestrahlung zu erfassen, die von der obersten Schicht 13 des Werkstücks 12 emittiert wird. Insbesondere kann die Temperaturmessvorrichtung 28 konfiguriert sein, um eine Heatmap der obersten Schicht 13 derart zu erzeugen, dass für jede Position der obersten Schicht 13 ein Temperaturwert bestimmt wird. Die Temperaturmessvorrichtung 28 stellt die ermittelten Temperaturwerte an die Steuereinheit 40 bereit, sodass die Steuereinheit diese weiter verarbeiten kann, z. B. durch Erzeugen einer Zeitreihe von Temperaturwerten und/oder durch Bestimmen eines durchschnittlichen Temperaturwerts.
Alternativ zu der kontaktlosen Temperaturmessvorrichtung 28 kann ein Kontaktthermometer bereitgestellt sein, das konfiguriert ist, um die oberste Schicht 13 zu gewünschten Zeiten und/oder an gewünschten Stellen zu berühren, um einen oder mehrere Temperaturwerte zu erhalten, die eine Temperatur der obersten Schicht 13 angeben.
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Bestrahlungsvorrichtung 24 zum selektiven Ausstrahlen des Laserstrahls 14 auf die oberste Schicht aus Rohmaterialpulver, die auf den Träger 20 aufgebracht wird. Mittels der Bestrahlungsvorrichtung 24 kann das auf den Träger 20 aufgebrachte Rohmaterialpulver ortsselektiv in Abhängigkeit von der gewünschten Geometrie des herzustellenden Werkstücks 12 einer Laserstrahlung ausgesetzt werden. In der Ausführungsform der 1 schließt die Bestrahlungsvorrichtung 24 genau eine Bestrahlungseinheit 24a ein, die konfiguriert ist, um genau einen Laserstrahl 14 zu einem Zeitpunkt auszustrahlen.
Die Bestrahlungseinheit 24a umfasst eine Abtasteinheit 30, die konfiguriert ist, um den Laserstrahl 14 selektiv auf das auf den Träger 20 aufgebrachte Rohmaterialpulver zu strahlen. Die Abtasteinheit 30 wird von einer Steuereinheit 40 der Vorrichtung 10 gesteuert. Die Abtasteinheit 30 kann einen in Bezug auf zwei senkrechte Achsen kippbaren Spiegel umfassen. Alternativ kann die Abtasteinheit 30 zwei kippbare Spiegel umfassen, die jeweils konfiguriert sind, um in Bezug auf eine entsprechende Achse geneigt zu werden. Die kippbaren Spiegel können z. B. Galvanometerspiegel sein.
Die Bestrahlungseinheit 24a wird mit Laserstrahlung von einer Laserstrahlquelle 32 versorgt. Die Laserstrahlquelle 32 kann innerhalb der Bestrahlungseinheit 24a oder außerhalb der Bestrahlungseinheit 24a bereitgestellt werden, wie in 1 gezeigt. Im ersten Fall kann die Laserstrahlquelle 32 als Teil der Bestrahlungseinheit 24a angesehen werden. Im letzteren Fall wird der Laserstrahl durch die Laserstrahlquelle 32 erzeugt und über eine Glasfaser 34 in die Bestrahlungseinheit 24a geleitet. Alternativ kann der Laserstrahl durch die Luft oder durch ein Vakuum, z. B. unter Verwendung eines oder mehrerer Spiegel, in die Bestrahlungseinheit 24a geleitet werden.
Von der Laserstrahlquelle 32 ist der Laserstrahl auf die Abtasteinheit 30 gerichtet. Die Laserstrahlquelle 32 kann zum Beispiel einen diodengegepumpten Yterbium-Faserlaser umfassen, der Laserlicht bei einer Wellenlänge von etwa 1070 bis 1080 nm (d. h., im Infrarotwellenlängenbereich) emittiert.
Die Bestrahlungseinheit 24a umfasst ferner zwei Linsen 36 und 38, die konfiguriert sind, um den Laserstrahl 14 entlang der z-Achse auf eine gewünschte Fokusposition zu fokussieren. In der in 1 gezeigten Ausführungsform weisen beide Linsen 36 und 38 eine positive Brechkraft auf. Die Linse 38, die dem Strahlengang weiter vorgelagert ist, ist dazu konfiguriert, das von der Faser 34 emittierte Laserlicht derart zu kollimieren, dass ein kollimierter oder im Wesentlichen kollimierter Laserstrahl erzeugt wird. Die Linse 36 weiter stromabwärts des Strahlengangs ist konfiguriert, um den kollimierten (oder im Wesentlichen kollimierten) Laserstrahl auf eine gewünschte z-Position zu fokussieren.
In der Prozesskammer 16 ist eine Oberschichtheizvorrichtung 42 bereitgestellt. Die Oberschichtheizvorrichtung 42 ist konfiguriert, um eine obere Schicht (d. h., eine oberste Schicht 13) des aktuell eingebauten Werkstücks 12 zu erwärmen und/oder eine neue Pulverschicht zu erwärmen, die auf der obersten Schicht 13 abgeschieden ist. Die Oberschichtheizvorrichtung 42 ist konfiguriert, um die oberste Schicht 13 über Wärmestrahlung zu erwärmen. Eine von der Oberschichtheizvorrichtung 42 ausgestrahlte Wärmemenge kann von der Steuereinheit 42 gesteuert werden. Die Oberschichtheizvorrichtung 42 ist z. B. konfiguriert, um Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) zu der obersten Schicht 13 zu emittieren, um die oberste Schicht zu erwärmen. Das Erwärmen, wie hierin erörtert, ist gleich dem Einbringen von Wärme, insbesondere einer vordefinierten Wärmemenge.
Die Oberschichtheizvorrichtung 42 ist an der Pulverbeschichtungsvorrichtung 18 angebracht. Die Oberschichtheizvorrichtung 42 bewegt sich horizontal zusammen mit der Pulverbeschichtungsvorrichtung 18. Auf diese Weise können die Pulverbeschichtung und die Erwärmung gleichzeitig durchgeführt werden. Die Pulverbeschichtung und -erwärmung kann jedoch zu unterschiedlichen Zeiten durchgeführt werden, aber eine horizontale Bewegungsvorrichtung, die für die Pulverbeschichtungsvorrichtung 18 bereitgestellt ist, kann mit der Oberschichtheizvorrichtung 42 gemeinsam genutzt werden.
Alternativ kann die Oberschichtheizvorrichtung 42 mit einer einzelnen (horizontalen und/oder vertikalen) Bewegungsvorrichtung versehen sein, sodass sie in Bezug auf die Pulverbeschichtungsvorrichtung 18 unabhängig bewegt werden kann.
Ferner können andere Arten von Oberschichtheizvorrichtungen implementiert werden. Beispielsweise kann eine Kontaktoberschichtheizvorrichtung vorgesehen sein, welche die oberste Schicht 13 während ihrer Kontaktierung erwärmt. Ferner können z. B. eine oder mehrere Laserstrahlquellen als Oberschichtheizvorrichtung bereitgestellt werden, wobei der/die von der einen oder den mehreren Laserquellen erzeugte(n) Laserstrahl(en) auf vordefinierte Abschnitte der obersten Schicht (ohne Schmelzen der obersten Schicht) gerichtet werden können, um Wärme einzubringen. Ferner kann der mindestens eine Bestrahlungsstrahl 14, der den Aufbauauftrag ausführt, die (zusätzliche) Erwärmung der obersten Schicht durchführen. In diesem Fall erhöht die Steuereinheit 40 eine Bestrahlungsleistung des Bestrahlungsstrahls 14 um einen vordefinierten Betrag.
In den Träger 20 ist eine Trägerheizvorrichtung 44 integriert. Die Trägerheizvorrichtung kann auch unterhalb oder an einer oder mehreren Seiten des Trägers bereitgestellt werden. Es sollte beachtet werden, dass der Träger 20 selbst eine Mehrzahl von Platten und/oder andere Strukturen umfassen kann. Die Mehrzahl von Platten kann als Plattenpaket bezeichnet werden. Eine oberste Platte dieser Platten kann als Substratplatte bezeichnet werden. Die Trägerheizvorrichtung 44 kann in einer der Platten des Plattenpakets oder zwischen zwei Platten des Plattenpakets bereitgestellt sein.
Die Trägerheizvorrichtung 44 ist konfiguriert, um den Träger 44 auf eine vordefinierte Temperatur zu erwärmen. Zu diesem Zweck kann ein Temperatursensor (nicht gezeigt) in den Träger 20 integriert sein oder den Träger 20 zum Messen einer Temperatur des Trägers 20 berühren. Auf diese Weise kann eine Temperaturregelung mit geschlossenem Regelkreis des Trägers 20, z. B. durch die Steuereinheit, durchgeführt werden. Wenn die Temperatur unter eine untere Grenze (eines zweiten vordefinierten Bereichs) fällt, bringt die Trägerheizvorrichtung 44 Wärme in den Träger 20 ein, und wenn die Temperatur über eine Obergrenze (eines zweiten vordefinierten Bereichs) ansteigt, wird die Erwärmung gestoppt. Andere Verfahren zum Aufrechterhalten einer Temperatur des Trägers 20 sind jedoch möglich. Zum Beispiel können vordefinierte Heiz- und/oder Nicht-Heizzeiten und/oder vordefinierte Heizleistungswerte in einer Nachschlagetabelle für eine Mehrzahl von Temperaturwerten gespeichert werden. Falls ein bestimmter Temperaturwert (als Solltemperatur) eingestellt werden soll, können die Heizzeiten und/oder Nicht-Heizzeiten und/oder die Heizleistung aus der Nachschlagetabelle (Temperaturregelung mit offenem Regelkreis des Trägers) ausgelesen werden.
Die Oberschichtheizvorrichtung 42 sowie die Trägerheizvorrichtung 44 sind optional. Das bedeutet, eine oder mehrere dieser Vorrichtungen können weggelassen werden und die Technik kann weiterhin funktionieren. Zum Beispiel ist im Fall, dass eine geeignete Solltemperatur gewählt wird und nur Zeiträume reduzierter Bestrahlungsleistung eingeleitet werden, keine zusätzliche Erwärmung über die Heizvorrichtung 42 erforderlich. Ferner kann die Trägerheizvorrichtung 44 weggelassen werden, falls eine Temperatur eines untersten Teils 15 des Werkstücks aufrechterhalten wird, ohne zusätzliche Wärme über eine Trägerheizvorrichtung 44 einzubringen. Zum Beispiel kann dies, wie in 3 gezeigt, der Fall sein, wenn eine geeignete Stützstruktur für das Werkstück 12 gewählt wird.
Die Steuereinheit 40 umfasst einen Prozessor und einen Speicher, wobei auf dem Speicher Anweisungen zum Steuern der einzelnen Komponenten der Vorrichtung 10 gespeichert sind. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 40 konfiguriert sein, um eine oder mehrere der Temperaturmessvorrichtung 28, der Vertikalbewegungseinheit 22, der Pulverbeschichtungsvorrichtung 18, eines Gasstroms, der von dem Gaseinlass 26 und dem Gasauslass 27 zugeführt wird, der Bestrahlungsvorrichtung 24, der Oberschichtheizvorrichtung 42 und der Trägerheizvorrichtung 44 zu steuern. Eine Benutzereingabe- und -ausgabeschnittstelle kann bereitgestellt und mit der Steuervorrichtung 40 verbunden oder verbindbar sein. Ferner weist die Steuereinheit 40 eine Schnittstelle zum Empfangen von Werkstückdaten auf, die für eine dreidimensionale Form des herzustellenden Werkstücks 12 repräsentativ sind.
Es ist zu beachten, dass die Position der Steuereinheit 40 in den 1 und 2 rein schematisch ist und nicht einschränkend ist. Die Steuereinheit 40 kann sich an jeder geeigneten Position der Vorrichtung 10 oder sogar entfernt von ihr befinden (z. B. in eine Netzwerkstruktur wie ein LAN integriert). Ferner kann die Steuereinheit 40 oder zumindest ein Teil der Steuereinheit 40 in Form einer Cloud-Rechenvorrichtung bereitgestellt werden.
2 zeigt eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung 10, ähnlich der Vorrichtung 10 der Ausführungsform von 1. Als einziger Unterschied zwischen den beiden Vorrichtungen 10 umfasst die Bestrahlungsvorrichtung 24 der Vorrichtung 10 von 2 anstelle der einen Bestrahlungseinheit 24a der Vorrichtung 10 von 1 zwei Bestrahlungseinheiten 24a und 24b. Der Rest der Vorrichtung 10 von 2 weist jedoch dieselben Komponenten und Funktionen auf, wie sie vorstehend in Bezug auf 1 erörtert wurden, sodass eine Wiederholung dieser Beschreibung weggelassen wird. Ferner weisen die Komponenten der Bestrahlungseinheiten 24a und 24b die gleichen Bezugszeichen wie die von 2 auf. Es werden jedoch Suffixe „a“ und „b“ verwendet, um zwischen Komponenten der Bestrahlungseinheit 24a (Suffix a) und den Komponenten der weiteren Bestrahlungseinheit 24b (Suffix b) zu unterscheiden. Die Funktion der einzelnen Komponenten innerhalb der Bestrahlungseinheiten 24a und 24b ist gleich wie vorstehend in Bezug auf die Bestrahlungsvorrichtung 24 von 1 erörtert.
Im Folgenden bezieht sich die Verwendung eines Bezugszeichens ohne Suffix (a oder b) auch auf die jeweiligen Elemente mit den Suffixen a und b, falls nicht explizit anders angegeben. Wenn zum Beispiel auf die „Abtasteinheit 30“ Bezug genommen wird, wird dadurch auch auf die Abtasteinheiten 30a und 30b Bezug genommen.
Die Vorrichtung 10 von 2 ist so konfiguriert, dass die Bestrahlungseinheit 24a konfiguriert ist, um einen ersten vordefinierten Bereich (d. h., ein erstes Abtastfeld) einer obersten Pulverschicht abzutasten. In ähnlicher Weise ist die weitere Bestrahlungseinheit 24b konfiguriert, um einen zweiten vordefinierten Bereich (d. h., ein zweites Abtastfeld) der obersten Pulverschicht abzutasten. Das erste Abtastfeld und das zweite Abtastfeld überlappen einander in einem Überlappungsbereich. Mit anderen Worten gibt es einen Bereich der obersten Pulverschicht, der durch beide Laserstrahlen 14a und 14b (d. h., den Überlappungsbereich) erreicht und selektiv bestrahlt werden kann. Das erste Abtastfeld und das zweite Abtastfeld können jeweils rechteckig oder kreisförmig sein und eine Größe und/oder Form des jeweiligen Abtastfelds kann durch einen Bewegungsbereich der jeweiligen Abtasteinheit 30a und 30b der Bestrahlungseinheiten 24a bzw. 24b vorgegeben werden. Ferner ist es möglich, dass der Überlappungsbereich die gesamte oberste Pulverschicht bedeckt, sodass jeder der Laserstrahlen 14a und 14b jeden Punkt auf der obersten Pulverschicht erreichen kann.
Zur Herstellung des dreidimensionalen Werkstücks 12 können beide Laserstrahlen 14a und 14b gleichzeitig unterschiedliche Abschnitte derselben Pulverschicht bestrahlen, wobei jeder Laserstrahl 14a und 14b einen Abschnitt des Werkstücks 12 in seinem entsprechenden Abtastfeld bestrahlt. Auf diese Weise kann das Werkstück 12 schneller aufgebaut werden als in einem Fall, in dem nur ein Laserstrahl 14 verwendet wird (siehe z. B. 1). Ferner können unterschiedliche Laserstrahlen 14a und 14b verwendet werden, z. B. zum Verfestigen eines Mantelabschnitts und eines Kernabschnitts des Werkstücks 12. Die unterschiedlichen Laserstrahlen weisen unterschiedliche Strahlparameter auf, wie Laserleistung, Wellenlänge und/oder Strahlprofil.
Zum Beispiel kann während einer Zeit der reduzierten Bestrahlungsleistung einer der Laserstrahlen 14a, 14b ausgeschaltet werden.
3 zeigt ein Detail eines Bauzylinders (d. h., des Volumens, in dem der Träger 20 bewegt wird), das für beide in 1 und/oder 2 gezeigten Vorrichtungen verwendet werden kann. Alternativ oder als Ergänzung zu der Trägerheizvorrichtung 44 kann die Temperatur des unteren Teils 15 des Werkstücks 12 durch Berechnen und Aufbauen einer geeigneten Trägerstruktur 46 aufrechterhalten werden. Mit anderen Worten kann ein mathematisches Modell bereitgestellt werden, gemäß dem die Temperatur des unteren Teils 15 des Werkstücks 12 durch das Aufbauen einer entsprechenden Trägerstruktur 46 bestimmt und geeignet eingestellt werden kann. Durch die Trägerstruktur 46 wird eine kontrollierte Wärmemenge von dem Werkstück 12 entfernt, sodass der unterste Teil 15 eine Temperatur innerhalb eines zweiten vordefinierten Bereichs aufrechterhält, obwohl zusätzliche Wärme durch den/die Laserstrahl(en) 14 auf die oberste Schicht 13 des Werkstücks 12 eingebracht wird.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Temperaturregelung gemäß der vorliegenden Offenbarung näher erläutert. Das Verfahren wird durch eine der Vorrichtungen 10 von 1 und 2 (und optional nach 3) ausgeführt. Insbesondere werden Hauptteile des Verfahrens von der Steuereinheit 40 der jeweiligen Vorrichtung ausgeführt.
Um ein Werkstück 12 über selektive Laserschmelztechnologie zu bauen, muss optische Leistung (d. h., Laserleistung) in Rohmaterialpulver (z. B. Metallpulver) eingebracht werden. Das Rohmaterialpulver schmilzt und bildet nach dem Verfestigen ein Werkstück 12. Die in die Prozesskammer 16 eingeführte optische Leistung wird teilweise von dem Pulver und dem Schmelzbad reflektiert, das durch den Laserstrahl 14 erzeugt wird; der Rest der optischen Leistung erreicht das Werkstück 12. Von dort ist eine Mehrzahl von Kühlkörpern vorhanden: Strahlung von der Werkstückoberfläche (d. h., von seiner obersten Schicht 13), primär in Wände der Prozesskammer 16, Konvektion in den Gasstrom (erzeugt von dem Gasauslass 26 und dem Gaseinlass 27), weggetragene Metallspritzer, die in dem Gasstrom kondensieren, eine Wärmeübertragung durch das Werkstück 12 in den Träger 20, wie der Wärmeverlust durch das Pulver in den Bauzylinder. Die Verteilung der Wärme zwischen den Kühlkörpern ist prozessabhängig. Relevante Faktoren sind z. B. das verwendete Material des Rohmaterialpulvers, der Materialparameter und die Werkstückgeometrie (unter anderem Bestrahlungsoberfläche). Für Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit (d. h., niedriger Wärmeübertragung) gelten insbesondere die folgenden Sachverhalte, abhängig von einer Werkstückhöhe (d. h., Erstreckung entlang der z-Achse):

Für niedrige Werkstücke 12 (geringe Ausdehnung in z-Richtung) ist der thermische Widerstand von der obersten Schicht 13 zum Träger 20 des Werkstücks 12 klein, sodass eine relativ große Wärmemenge über die Wärmeübertragung durch das Werkstück 12 (d. h., in z-Richtung) den Träger 20 erreicht. Für hohe Werkstücke 12 (große Ausdehnung in z-Richtung) ist der thermische Widerstand des Werkstücks 12 hoch, sodass eine geringe Wärmemenge durch das Werkstück 12 übertragen wird und den Träger 20 erreicht. Mit anderen Worten ist zur Übertragung derselben Wärmeenergie eine deutlich größere Temperaturdifferenz erforderlich, was zu Problemen während des Prozesses führen kann.

Der thermische Widerstand des Werkstücks 12 führt physisch immer zu einem Temperaturgradienten innerhalb des Werkstücks 12, relativ zu einer Temperatur des Trägers 20, solange optische Leistung in das Werkstück 12 eingeleitet wird. Ein Temperaturgradient ist unerwünscht, da er zur Materialspannung führen kann und Materialeigenschaften beeinträchtigen kann (abhängig davon, wie groß der Gradient ist). Die beiden genannten Faktoren bestimmen direkt proportional, wie groß der Temperaturgradient ist: Zunächst ist er umso größer, je größer der thermische Widerstand ist, d. h., je schlechter die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist, je höher (z-Richtung) das Werkstück 12 ist, und je ungünstiger die Werkstückgeometrie ist (z. B. aufgrund von schmalen Abschnitten). Zweitens ist der Temperaturgradient umso größer, je mehr Wärme in das Werkstück 12 eingebracht wird.
Insbesondere kann der zweite Faktor durch die Technik der vorliegenden Offenbarung gesteuert werden.
Netto-Null-Konzept: Das hierin beschriebene Netto-Null-Konzept wird verwendet, um die in das Werkstück 12 eingeleitete „Netto“-Wärme während des Formens einer Schicht auf Null zu halten. Bei Erreichen dieses Ziels existiert kein Temperaturgradient, sodass zumindest die vorstehend genannten Probleme und andere zugehörige Probleme gelöst werden können. Unter der Annahme, dass der Wärmeverlust über das (nicht erstarrte) Pulver vernachlässigbar ist (was aufgrund einer relativ geringen Wärmeleitfähigkeit von Pulver gerechtfertigt ist), ist die vorstehende Formulierung äquivalent, um die Netto-Energiebilanz der obersten Schicht 13 über einer Schicht zu berücksichtigen. Um das Netto-Null-Konzept zu erfüllen, gilt somit Folgendes: $\int_{t_{n}}^{t_{n + 1}} \frac{d E}{d t} d τ = \int_{t_{n}}^{t_{n + 1}} (Q_{i n}^{d o t} - Q_{o u t}^{d o t}) d τ = Q_{i n} - Q_{o u t} \underset{35}{=} 0$
In der obigen Gleichung ist E die Energie in der obersten Schicht 13 und dE/dt ist ihre Variation im Laufe der Zeit. Dies ist über die Dauer einer Schicht integriert, d. h., von einer Anfangszeit t_n einer Schicht n bis zu einer Anfangszeit t_n+1 einer Schicht n+1. Q_in ist die während des Verlaufs einer Schicht in die oberste Werkstückschicht 13 eingebrachte Wärme, Q_out ist die Wärme, die die oberste Schicht 13 verlässt. Mit „Punkt“ angegebene Variablen sind Wärmeflüsse, d. h., die jeweilige Ableitung in Bezug auf die Zeit.
Um das Werkstück 12 zu erzeugen (d. h., zu drucken) muss in jedem Fall optische Leistung in das Werkstück 12 bzw. die oberste Pulverschicht eingebracht werden, da Pulver geschmolzen werden muss. Diese Eingangswärme Q_in hängt von dem Aufbauparameter, dem bestrahlten Bereich und weiteren Faktoren ab. Sie kann anhand dieser Faktoren berechnet werden, z. B. zu Beginn eines Aufbauprozesses mit relativ hoher Präzision (relativer Fehler weniger als 5 %). Der Fachmann weiß, wie er die Eingangswärme Q_in basierend auf einem oder mehreren Eingangsparametern wie Laserleistung, Strahlprofil, Bestrahlungszeit, bestrahlter Bereich usw. berechnet. Der Prozess zum Berechnen der Eingangswärme wird daher in der vorliegenden Offenbarung nicht näher erläutert.
Um die Netto-Null zu erreichen, muss sichergestellt werden, dass die Wärme Q_out, die die oberste Schicht 13 verlässt, gleich der Eingangswärme Q_in ist. Wie oben erwähnt, sind die dafür verfügbaren Kühlkörper Strahlung von dem Werkstück 12, Metallspritzer sowie Konvektion in den Gasstrom. Insbesondere hängen die Wärmestrahlung und die Konvektion von der Oberschichttemperatur ab, d. h., der Temperatur der obersten Schicht 13 des Werkstücks 12.
Schwankungen in der optischen Last: Bei Bauprozessen (Bauaufträgen) schwankt die optische Last, da sich Prozessparameter wie der bestrahlte Bereich oder der Aufbauparameter ändern, was einen direkten Einfluss auf die optische Last hat. Was die vorliegende Offenbarung betrifft, so bedeutet dies, dass sich die Eingangswärme Q_in ändert, sodass sich auch die Ausgangswärme Q_out ändern muss, um das Netto-Null-Konzept zu erfüllen. Unter anderem gibt es die folgenden Optionen, um die Eingangs- und/oder Ausgangswärme Q_in/Q_out zu beeinflussen:

a) Erwärmen der obersten Schicht 13 des Werkstücks 12 und/oder der Rohmaterialschicht an dem oberen Abschnitt des Werkstücks 12, z. B. über die Oberschichtheizvorrichtung 42 (hierin auch als „RadHeat“ bezeichnet). Dies hat direkten Einfluss auf Q_in.
b) Zusätzliche Zeiträume reduzierter Bestrahlungsleistung, insbesondere zusätzliche Wartezeiträume. Dies hat Einfluss auf Q_out.
c) Zusätzliche Werkstücke. Dies hat Einfluss auf Q_in und Q_out.
d) Anpassung von Parametern, insbesondere Ändern einer Laserleistung des Laserstrahls 14, während andere Parameter (insbesondere alle anderen Parameter) unverändert bleiben. Oder: Änderung zwischen verschiedenen qualifizierten Parametern und/oder Parametersätzen. Dies hat Einfluss auf Q_in.
e) Geänderte und/oder zusätzliche Stützstruktur(en). Dies hat Einfluss auf einen Werkstückwiderstand und damit auf die Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks 12 und somit indirekt auf Q_out.

Konstante Werkstücktemperatur: Das Netto-Null-Konzept stellt sicher, dass während des Verlaufs einer Schicht keine Änderung der Energie in der jeweiligen obersten Schicht 13 erfolgt und somit in das gesamte Werkstück 12 eingebracht wird. Dies entspricht dem Aufrechterhalten der Temperatur der obersten Schicht 13 des Werkstücks 12. Die Temperatur, die konstant gehalten werden soll, wird hierin als Netto-Null-Temperatur oder Solltemperatur bezeichnet. Die Solltemperatur kann durch einen Benutzer eingestellt werden, entweder basierend auf der Erfahrung des Benutzers oder basierend auf einer durch den Benutzer durchgeführten Berechnung, optional mit Hilfe eines mathematischen Modus. Es ist auch möglich, dass die Solltemperatur automatisch durch die Steuereinheit 40 der Vorrichtung 10 bestimmt und eingestellt wird, basierend auf einem mathematischen Modell. Beispiele für das Bestimmen und Einstellen der Solltemperatur folgen.
Die obigen Parameterspezifikationen, die benötigt werden, um die Netto-Null-Temperatur zu erreichen, können vor dem Aufbauprozess basierend auf einem mathematischen Modus (Steuerung mit offenem Regelkreis) bestimmt werden. Es kann jedoch günstig sein, dass die Solltemperatur über eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis erreicht und/oder aufrechterhalten wird. Ein Modell, das die vorstehenden Einflüsse (z. B. das Erwärmen der obersten Schicht 13, die Zeiträume reduzierter Bestrahlungsleistung, ein geänderter Parameter usw.) schätzt, kann einen ersten modellbasierten Eingang für die Temperaturregelung (Anfangswert) bereitstellen. Während des Prozesses wird die Temperatur der obersten Schicht idealerweise gemessen und die Steuerung entsprechend angepasst (sodass die Solltemperatur beibehalten wird).
Für die vorliegende Offenbarung ist es entscheidend, dass die Solltemperatur des untersten Teils 15 des Werkstücks 12 der Solltemperatur der obersten Schicht 13 entspricht. Mit anderen Worten schließt ein erster Temperaturbereich, in dem die Temperatur des untersten Teils 15 des Werkstücks 12 aufrechterhalten wird, die gleiche Solltemperatur wie ein zweiter Temperaturbereich ein, in dem die Temperatur der obersten Schicht 13 des Werkstücks 12 aufrechterhalten wird. In noch anderen Worten zielt das Konzept der vorliegenden Offenbarung darauf ab, die gleiche Solltemperatur an dem untersten Teil 5 und an der obersten Schicht 13 des Werkstücks 12 bereitzustellen. Auf diese Weise kann ein Temperaturgradient durch das Werkstück (entlang der z-Achse) reduziert oder zumindest vermieden werden. In einer Ausführungsform entspricht eine Solltemperatur einer Trägerheizvorrichtung 44 einer Solltemperatur der obersten Schicht 13.
Im Folgenden werden detaillierte Beispiele einer Temperaturregelung bereitgestellt, wobei die vorliegende Technik nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
Beispiel 1 (Stand der Technik): Ein Aufbauprozess wird mit dem Material IN718 und mit einem Hochleistungsparameter im Bereich von 5 bis 40 % bestrahltem Bereich (d. h., 5 bis 40 % eines möglichen Gesamtbereichs, der bestrahlt werden kann, d. h., eines Gesamtbestrahlungsbereichs) durchgeführt und hat eine Höhe von 600 mm (entlang der z-Achse). Für IN718 kann eine Vorerwärmungstemperatur von 200 °C verwendet werden. Für 40 % bestrahlten Bereich wird eine optische Last (Leistung) von 8 kW in die Prozesskammer 16 eingeleitet, wobei etwa 4 kW das Werkstück 12 erreichen. Ohne die hierin offenbarte Technik würde die große Höhe des zu bauenden Werkstücks 12 zu einem starken Einfluss des thermischen Widerstands des Werkstücks 12 führen. Ferner weist IN718 eine schlechte Wärmeleitfähigkeit auf, was die vorstehend erwähnte Wirkung verbessert. Infolgedessen entspricht die Temperatur des Werkstücks 12 nahe dem Träger 20 nahezu der Vorerwärmungstemperatur von 200 °C und wäre in oberen Schichten viel höher. Eine grobe Schätzung ohne Berücksichtigung der Kühlkörperprozesskammer 16 und der Gasströmung, die für eine spezifische additive Fertigungsvorrichtung 10 durchgeführt wurde, führt zu Temperaturen von 1000 °C für die oberste Schicht 13. Dies bedeutet, dass der Temperaturgradient von einem untersten Teil zu einem obersten Teil des Werkstücks 12 größer als 800 K wäre. Dies würde zu massiven Unterschieden der Materialeigenschaften und der Ausdehnung (Größengenauigkeit) führen.
Lösungen mit Netto-Null-Konzept, durch Erwärmen einer obersten Schicht 13 und/oder mit zusätzlichen Wartezeiten: IN718 kann relativ hohen Temperaturen standhalten. Als Netto-Null-Temperatur (Solltemperatur) wird 600 °C gewählt. Bei dieser Temperatur spielt (thermische) Strahlung aus dem Werkstück 12 eine wichtige Rolle, d. h., sie ist signifikant stark. Ferner wächst auch die Bedeutung der Konvektion in den Gasstrom. Dies führt gemäß einer beispielhaften Berechnung basierend auf einem mathematischen Modell dazu, dass der Strahlungs- und Konvektionsterm, in Summe mit anderen Wärmeverlusten von der obersten Schicht 13, als 3,5 kW berechnet wird. Wenn der Auftrag mit 40 % bestrahltem Bereich aufgebaut wird, werden z. B. 4 KW für 60 s in das Werkstück 12 eingeführt, also eine Energie von 240 kWs. Aufgrund der Temperatur von 600 °C geht während der Dauer der Schicht, womit die Bestrahlungszeit plus eine Feuer-zu-Feuer-Zeit gemeint ist, 3,5 kW Wärme verloren. Die Feuer-zu-Feuer-Zeit ist definiert als die benötigte Zeit vom Ende der Bestrahlung einer Schicht bis zum Beginn der Bestrahlung einer nächsten Schicht. Während der Feuer-zu-Feuer-Zeit wird z. B. die nächste Schicht auf die vorherige Schicht beschichtet.
Mit einer Feuer-zu-Feuer-Zeit von etwa 8,5 s gehen (60 s + 8,5 s) * 3,5 kW = 239,75 kWs verloren, sodass die Wärmemengen ungefähr gleich sind (d. h., die Menge der eingebrachten Wärme Q_in = 240 kWs und die Menge an Verlustwärme Q_out = 239,75 kWs ist ungefähr gleich.
In einer Maschine mit einer kürzeren Feuer-zu-Feuer-Zeit von beispielsweise 7 s wäre jedoch ein zusätzlicher Wartezeitraum von 1,5 s für 40 % bestrahlten Bereich notwendig.
Somit kann diese zusätzliche Wartezeit zu jedem Zeitpunkt des Verarbeitungsprozesses der aktuellen Schicht (oberste Schicht 13) eingeführt werden. Zum Beispiel wird die zusätzliche Wartezeit von 1,5 s am Ende der Bestrahlung und vor der Feuer-zu-Feuer-Zeit eingeleitet (d. h., bevor die nächste Schicht beschichtet wird).
Ferner kann eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis die obige Steuerung mit offenem Regelkreis unterstützen. Im geschlossenen Regelkreis misst die Temperaturmessvorrichtung 28 die Temperatur der obersten Schicht 13 des Werkstücks 12. Falls die gemessene Temperatur nach 1,5 s zusätzlicher Wartezeit noch größer als 600 °C ist, kann eine weitere zusätzliche Wartezeit eingeführt werden.
Für eine Schicht mit weniger als 40 % bestrahltem Bereich ist die optische Last deutlich kleiner. Beispielsweise wird eine oberste Schicht 13 mit 5 % bestrahltem Bereich mit einer optischen Last von etwa 2 kW in die Prozesskammer 16 betrachtet, was etwa 1 kW in das Werkstück 12 bedeutet. Dabei beträgt die Bestrahlungsdauer nur 20 s. Somit wird nur 20 kWs Wärme in das Werkstück 12 eingebracht. Aufgrund der Netto-Null-Temperatur von 600 °C gehen 3,5 kW verloren (wie im vorherigen Beispiel). Mit der Feuer-zu-Feuer-Zeit von 7 s führt dies zu (20 s + 7 s) * 3,5 kW = 94,5 kWs Verlustwärme. Dieser Unterschied in Wärmemengen kann durch Erwärmen der obersten Schicht 13 mit der Oberschichtheizvorrichtung 42 kompensiert werden. Im vorliegenden Fall muss sie eine Wärmemenge von 94,5 kWs - 20 kWs = 74,5 kWs ausstrahlen. In diesem Fall wird angenommen, dass die Oberschichtheizvorrichtung 42 keine zusätzliche Zeit benötigt, da sie sich zusammen mit der Pulverbeschichtungsvorrichtung 18 bewegt und die Erwärmung somit während der Feuer-zu-Feuer-Zeit durchgeführt wird.
Es kann zusammengefasst werden, dass der Träger 20 auf 600 °C erwärmt wird und diese Temperatur über die Trägerheizvorrichtung 44 aufrechterhalten wird. Das Werkstück 12 weist daher eine Temperatur von 600 °C nahe dem Träger 20 auf, d. h., in seinem untersten Teil 15. Die gewünschte Oberschichttemperatur (Solltemperatur) von 600 °C wird durch die Regelung der Temperatur der obersten Schicht 13 durch Einleiten zusätzlicher Wartezeiten oder durch Erhitzen der obersten Schicht 13 erreicht. Somit kann sichergestellt werden, dass die Temperatur in der oberen Schicht 13 des Werkstücks 12 und in dem untersten Teil 15 des Werkstücks 12 auf der Solltemperatur von 600 °C gehalten wird. Diese Temperatur wird aufrechterhalten, da die Menge der eingebrachten Wärme Q_in und die Menge der Verlustwärme Q_out gleich ist.
Lösung mit Netto-Null-Konzept und nur zusätzlichen Wartezeiten: Ähnlich wie bei der vorstehenden Lösung mit Erwärmung der obersten Schicht kann das Erwärmen vermieden werden, wenn eine niedrigere Solltemperatur gewählt wird. Im vorliegenden Fall wird die Solltemperatur als 300 °C gewählt. Somit wird der Träger 20 erwärmt und auf 300 °C gehalten. Aus einem mathematischen Modell ist bekannt, dass das Werkstück 12 eine Temperatur von 310 °C aufweisen muss, bevor eine neue Pulverschicht beschichtet wird, um eine Temperatur von 300 °C nach dem Beschichtungsprozess aufzuweisen. Nach der Bestrahlung einer Schicht wird während einer zusätzlichen Wartezeit die Temperatur der obersten Schicht gemessen (überwacht). Sobald sie 310 °C beträgt, wird die Beschichtung der nächsten Schicht gestartet. Aufgrund dieses Verfahrens ist die Temperatur des Werkstücks 12 in seiner obersten Schicht 13 und in seinem untersten Abschnitt 15 wieder identisch, sodass kein Gradient resultiert. Die zusätzliche Wartezeit wird zur kontrollierten Abkühlung des Werkstücks über Strahlung und Konvektion verwendet. Die Wartezeit ist jeweils so lang, dass die eingebrachte Wärme (z. B. 4 kW * 60 s bei 40 % bestrahltem Bereich) gleich den Wärmeverlusten in den Gasstrom und die Wände der Prozesskammer 16 ist. Diese Lösung kann im Vergleich zu der vorstehenden Lösung, die eine Oberschichtheizvorrichtung 42 beinhaltet, leichter zu implementieren sein, da keine Oberschichtheizvorrichtung 42 (RadHeat) benötigt wird. Sie kann jedoch längere Wartezeiten erfordern. Die Wartezeiten sind umso kürzer, je höher die Netto-Null-Temperatur eingestellt wird, allerdings kann eine höhere Netto-Null-Temperatur schwieriger zu erreichen sein.
Es ist zu beachten, dass in den vorstehenden Beispielen erwähnt wird, dass die Solltemperatur beibehalten wird. Das Halten der Solltemperatur, sodass sie genau konstant ist, ist jedoch möglicherweise nicht möglich. Daher ist es für die Funktionsweise der vorliegenden Technik ausreichend, dass die Temperatur des untersten Teils 15 des Werkstücks 12 innerhalb eines ersten vordefinierten Temperaturbereichs gehalten wird und die Temperatur der obersten Schicht 13 des Werkstücks 12 innerhalb eines zweiten vordefinierten Temperaturbereichs gehalten wird. Sowohl der erste als auch der zweite vordefinierte Temperaturbereich schließen die Solltemperatur ein. Zum Beispiel kann die Solltemperatur in der Mitte jedes des ersten und des zweiten Temperaturbereichs liegen und der erste und der zweite Temperaturbereich können identisch sein. Eine Erweiterung jedes des ersten und des zweiten Temperaturbereichs kann z. B. 1 K, 2 K, 5 K, 10 K, 20 K, 30 K, 40 K oder 50 K betragen.
Alle Kombinationen der vorstehenden Optionen sind möglich und von der vorliegenden Technik abgedeckt. Wenn beispielsweise andere Parameter in Abhängigkeit von der Bauhöhe verwendet werden, ändert sich die Wärmelast und damit potenzielle Wartezeiten und die Wärmedifferenz, die über die Oberschichtheizvorrichtung 42 bestrahlt werden muss, usw.
Eine weitere Verbesserung ist wie folgt definiert: Die vorstehenden Überlegungen basieren auf der Annahme, dass der Wärmeverlust über das Pulver vernachlässigt werden kann. Erst dann ist die Temperatur am obersten Teil und am untersten Teil des Werkstücks 12 gleich und kein Gradient vorhanden. In der Realität ist dieser Wärmeverlust jedoch vorhanden und kann dazu führen, dass das Werkstück 12 in einem Mittelbereich des Werkstücks 12 leicht kälter ist. Dieser Effekt kann durch Bereitstellen einer Bauzylinderheizung vermieden werden. Somit wird gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Technik eine Bauzylinderheizvorrichtung bereitgestellt, und die Steuereinheit 40 ist konfiguriert, um den Bauzylinder über die Bauzylinderheizvorrichtung auf die Solltemperatur zu erwärmen. In diesem Fall existiert kein Wärmestrom in den Bauzylinder. Dieses Konzept ähnelt dem Aufrechterhalten einer Temperatur des Trägers 20, aber zusätzlich werden weitere Systemkanten auf die Solltemperatur gebracht und gehalten, um thermische Gradienten zu vermeiden.
Auswahl der Solltemperatur: Grundsätzlich kann eine nahezu beliebige Temperatur als Solltemperatur (Netto-Null-Temperatur) gewählt werden. Eine unangemessen eingestellte Temperatur kann jedoch Nachteile aufweisen, z. B. hinsichtlich der erforderlichen Wartezeit, der erforderlichen zusätzlichen Werkstücke (Pulververbrauch), der erforderlichen einzubringenden Wärme (Energieverbrauch), Temperaturbeständigkeit von Elementen der Vorrichtung 10 usw. Geeignete Solltemperaturen können empirisch oder modellbasiert über Experimente oder Studien usw. bestimmt werden. Genauer gesagt, die Solltemperatur kann durch die Steuereinheit 40 auf der Basis von Eingangsparametern, z. B. mit einem oder mehreren des verwendeten Materials, der Geometrie des Werkstücks usw., berechnet werden.
Ferner ist es möglich, ein mehrdimensionales Optimierungsproblem zu lösen, das z. B. Wartezeiten gegenüber dem Energieverbrauch für unterschiedliche Temperaturen angibt. Durch die Steuereinheit 40 kann automatisch eine Wahl einer geeigneten Solltemperatur vorgenommen werden.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Temperaturregelung eines dreidimensionalen Werkstücks 12, das über additive Fertigung erzeugt wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Das Verfahren wird durch eine additive Fertigungsvorrichtung (wie die Vorrichtung 10, die in Bezug auf die 1 bis 3 gezeigt und erörtert wird) während eines Aufbauprozesses eines dreidimensionalen Werkstücks 12 durchgeführt.
Das Verfahren beginnt mit einem Schritt des Aufrechterhaltens 50 einer Temperatur eines untersten Teils 15 des Werkstücks 12 während eines Aufbauprozesses des Werkstücks 12 innerhalb eines ersten vordefinierten Bereichs, der eine vordefinierte Solltemperatur einschließt. Gemäß der vorstehenden Beschreibung gibt es zwei Hauptoptionen, wie die Temperatur aufrechterhalten werden kann. Zunächst wird eine geeignete Stützstruktur 46 bereitgestellt, die sicherstellt, dass die Temperatur des untersten Teils 15 während des Aufbauprozesses innerhalb des ersten vordefinierten Bereichs bleibt. Zweitens ist der unterste Teil 15 des Werkstücks 12 nahe oder direkt am Träger 20 der Vorrichtung 10 bereitgestellt und der Träger 20 wird über eine Trägerheizvorrichtung 44 erwärmt. In diesem zweiten Fall kann das Erwärmen und Halten im offenen Regelkreis oder im geschlossenen Regelkreis durchgeführt werden. In dem offenen Regelkreis werden Heizzeiten und/oder eine Heizleistung vorgegeben und aus einer Nachschlagetabelle (für die gewünschte Solltemperatur) ausgelesen. Die Nachschlagetabelle kann in einem Speicher der Steuereinheit 40 gespeichert sein. Im geschlossenen Regelkreis wird die Temperatur des Trägers 20 gemessen und wird die Trägerheizvorrichtung 44 aktiviert, wenn sie zu niedrig ist, und deaktiviert, wenn sie zu hoch ist. Auf diese Weise kann eine konstante Temperatur des Trägers 20 zumindest innerhalb der Grenzen des ersten vordefinierten Bereichs aufrechterhalten werden.
In einem Schritt 52 wird mindestens ein Energiestrahl in eine Rohmaterialschicht an einem oberen Abschnitt des Werkstücks 12 ausgestrahlt, um das bestrahlte Rohmaterial zu verfestigen und eine oberste Schicht 13 des Werkstücks 12 zu bilden. In diesem Schritt wird zwangsläufig Wärme in das Werkstück 12 eingebracht, um mindestens ein Schmelzbad zum Verfestigen des Rohmaterials an gewünschten Stellen zu bilden. Die Bestrahlung kann nur mit einem oder mit mehr als einem Energiestrahl, insbesondere Laserstrahlen, erfolgen.
In einem Schritt 54 wird eine Temperatur der obersten Schicht 13 des Werkstücks 12 so aufrechterhalten, dass die Temperatur der obersten Schicht 13 des Werkstücks 12 innerhalb eines zweiten vordefinierten Bereichs einschließlich der vordefinierten Solltemperatur liegt. Der Schritt des Aufrechterhaltens kann im Allgemeinen durch Erhöhen einer Menge an eingebrachter Wärme und durch Erhöhen einer Menge an Verlustwärme durchgeführt werden. Die erste Option kann durch Erwärmen der obersten Schicht des Werkstücks 12 und/oder der Rohmaterialschicht am oberen Abschnitt des Werkstücks 12 über eine Oberschichtheizvorrichtung 42 erfolgen. Die zweite Option kann durch Einbringen eines oder mehrerer zusätzlicher Zeiträume reduzierter Bestrahlungsleistung, insbesondere zusätzlicher Wartezeiten, bei denen keine Bestrahlung durchgeführt wird, durchgeführt werden.
5 zeigt eine schematische Darstellung der Steuereinheit 40 einer der Vorrichtungen 10 von 1 oder 2. Die Steuereinheit 40 umfasst mehrere Module 60 bis 64, von denen jedes in Form von Hardware und/oder Software dargestellt sein kann. In einem Beispiel umfasst die Steuereinheit 40 einen Prozessor und einen Speicher. Im Speicher werden Anweisungen gespeichert, die den Prozessor veranlassen, das in 4 gezeigte Verfahren auszuführen. Zu diesem Zweck kann die auf dem Speicher gespeicherte Software als die in 5 gezeigten Module 62 bis 64 umfassend betrachtet werden.
Im Einzelnen sind diese Module:
Ein erstes Aufrechterhaltungsmodul 60 zum Aufrechterhalten einer Temperatur eines untersten Teils des Werkstücks während eines Aufbauprozesses des Werkstücks innerhalb eines ersten vordefinierten Bereichs einschließlich einer vordefinierten Solltemperatur.
Ein Anweisungsmodul 62 zum Anweisen der Bestrahlungsvorrichtung, mindestens einen Energiestrahl in eine Rohmaterialschicht an einem oberen Abschnitt des Werkstücks zu auszustrahlen, um das bestrahlte Rohmaterial zu verfestigen und eine oberste Schicht des Werkstücks zu bilden.
Ein zweites Aufrechterhaltungsmodul 64 zum Aufrechterhalten einer Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks, sodass die Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks innerhalb eines zweiten vordefinierten Bereichs einschließlich der vordefinierten Solltemperatur liegt.
Die hierin in Bezug auf die einzelnen Verfahrensschritte erörterten Details können auch für die entsprechenden Module 60 bis 64 der Steuereinheit 40 gelten. Mit anderen Worten ist die Steuereinheit 40 konfiguriert, um das vorstehend beschriebene Verfahren von 4 durchzuführen, wobei die hierin erörterten Details dieses Verfahrens entsprechend bei der Software der Steuereinheit und/oder den entsprechenden Modulen, die in 5 gezeigt sind, und/oder bei zusätzlichen Modulen gelten.
Gemäß einigen Ausführungsformen können die Vorteile der hierin offenbarten Technik das Folgende umfassen.
Gleiche Ausdehnung des Werkstücks 12. Daraus folgt z. B. eine vorhersagbare Verwerfung. Üblicherweise gibt es im Stand der Technik keine nahezu konstante Temperatur, mit der ein inverses Problem des Findens der optimalen Form des Werkstücks 12 gelöst werden kann, sodass anfängliche Berechnungen, welche Form ein Werkstück 12 haben sollte, um eine gewünschte Form im abgekühlten Zustand aufzuweisen, sehr schwierig sein kann. Bei konstanten Temperaturen ist dies möglich. Wenn keine Kompensation der Expansion durchgeführt wird, werden Werkstücke gebogen, da sie in höheren Schichten wärmer sind, und daher mehr erweitert, bevor sie abkühlen. Dieses Problem kann mit der vorliegenden Technik beseitigt oder reduziert werden.
Bessere Materialeigenschaften, da die gewünschte Solltemperatur (im Hinblick auf Zeit und Raum) von einem Anfang zu einem Ende des Aufbauauftrags identisch ist. Parameter, die für die erste Schicht geeignet sind, eignen sich auch für die letzte Schicht des Auftrags, da keine thermische Differenz vorliegt.
Gestaltungsfreiheit: Aus der Kombination der vorstehenden Punkte ergibt sich eine Gesamtgestaltungsfreiheit. Im Stand der Technik ist es nicht möglich, schlecht abgestützte Werkstücke oder Werkstücke zu bauen, die einen kleinen bestrahlten Bereich an einem unteren Teil und einen großen bestrahlten Bereich an einem oberen Teil (umgedrehte Pyramide) aufweisen. Das Problem ist für beide Fälle gleich: Der thermische Widerstand des Werkstücks, insbesondere der oberen Schichten, gegenüber dem Hauptkühlkörper (dem Träger) ist so groß, dass die Wärme nicht abgeführt werden kann. Dementsprechend wird das Werkstück 12 lokal sehr heiß, dehnt sich aus, ragt aus der Pulverschicht hervor, was zu einem Aufprall führen kann. Gemäß der vorliegenden Technik kann dieses Problem vollständig vermieden werden, wenn die Temperatur entlang des Werkstücks 12 konstant ist. Das Problem existiert nicht, da mit dem Netto-Null-Konzept der Träger 20 kein Kühlkörper ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2961549 A1 [0003]
EP 2878402 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Temperaturregelung eines mittels additiver Fertigung erzeugten dreidimensionalen Werkstücks, wobei das Verfahren umfasst: Aufrechterhalten einer Temperatur eines untersten Teils des Werkstücks während eines Aufbauprozesses des Werkstücks innerhalb eines ersten vordefinierten Bereichs, der eine vordefinierte Solltemperatur einschließt; Ausstrahlen mindestens eines Energiestrahls in eine Rohmaterialschicht an einem oberen Abschnitt des Werkstücks, um das bestrahlte Rohmaterial zu verfestigen und eine oberste Schicht des Werkstücks zu bilden; und Aufrechterhalten einer Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks, sodass die Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks innerhalb eines zweiten vordefinierten Bereichs liegt, der die vordefinierte Solltemperatur einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufrechterhalten der Temperatur des untersten Teils des Werkstücks ein Erwärmen eines Trägers umfasst, auf dem das Werkstück aufgebaut wird, insbesondere auf eine Temperatur innerhalb des ersten vordefinierten Bereichs.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: Bestimmen der vordefinierten Solltemperatur basierend auf Aufbaudaten, die eine Geometrie des zu bauenden Werkstücks definieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Aufrechterhalten der Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks mindestens eines des Erwärmens der obersten Schicht des Werkstücks und/oder der Rohmaterialschicht am oberen Abschnitt des Werkstücks und des Einführens eines Zeitraums reduzierter Bestrahlungsleistung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend: Berechnen einer Wärmemenge, die über den mindestens einen Energiestrahl in die oberste Schicht eingebracht wird; Berechnen einer Wärmemenge, die die oberste Schicht während der Bestrahlung der obersten Schicht verlässt, falls die Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, größer ist als die Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, Einführen des Zeitraums reduzierter Bestrahlungsleistung, während dem eine zusätzliche Wärmemenge die oberste Schicht verlassen kann; und/oder falls die Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, größer ist als die Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, Erwärmen der obersten Schicht des Werkstücks und/oder der Rohmaterialschicht an dem oberen Abschnitt des Werkstücks, sodass eine zusätzliche Wärmemenge in die oberste Schicht eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei falls die in die oberste Schicht eingebrachte Wärmemenge größer ist als die Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, die zusätzliche Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, der Differenz der in die oberste Schicht eingebrachten Wärmemenge und der die oberste Schicht verlassenden Wärmemenge entspricht, und/oder falls die Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, größer ist als die Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, die zusätzliche Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, der Differenz der Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, und der Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Erwärmen der obersten Schicht des Werkstücks über Wärmestrahlung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Wärmestrahlung von einer Vorrichtung abgestrahlt wird, die an einer Pulverbeschichtungsvorrichtung befestigt ist, die konfiguriert ist, um die oberste Schicht des Werkstücks aufzubringen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei der Zeitraum reduzierter Bestrahlungsleistung ein vordefinierter Wartezeitraum ist, während dem keine Bestrahlung von Rohmaterial durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei der Zeitraum reduzierter Bestrahlungsleistung ein Zeitraum ist, in dem mindestens ein Bestrahlungsparameter geändert wird, um die Bestrahlungsleistung zu reduzieren, wobei der Bestrahlungsparameter mindestens einer der Anzahl aktiver Energiestrahlen, der Laserleistung, der Abtastgeschwindigkeit und des Strahlprofils ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei der Zeitraum reduzierter Bestrahlungsleistung zwischen einem Zeitpunkt, wenn eine Bestrahlung der obersten Schicht beendet ist, und einem Zeitpunkt, wenn eine Pulverbeschichtung einer nächsten Schicht auf der obersten Schicht beginnt, zwischen einem Zeitpunkt, wenn eine Beschichtung einer nächsten Schicht auf der obersten Schicht beendet ist, und dem Beginn einer Bestrahlung der nächsten Schicht, oder während der Bestrahlung der obersten Schicht eingeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks über eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Verfahren durch eine additive Fertigungsvorrichtung und insbesondere durch eine Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen oder selektiven Lasersintern durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ferner umfassend das Bestimmen der vordefinierten Solltemperatur, um eine Mikrostruktur während eines Aufbauprozesses zu definieren.
Vorrichtung zur Temperaturregelung eines mittels additiver Fertigung erzeugten dreidimensionalen Werkstücks, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Steuereinheit; und eine Bestrahlungsvorrichtung zum Ausstrahlen mindestens eines Energiestrahls; wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum: Aufrechterhalten einer Temperatur eines untersten Teils des Werkstücks während eines Aufbauprozesses des Werkstücks innerhalb eines ersten vordefinierten Bereichs, der eine vordefinierte Solltemperatur einschließt; Anweisen der Bestrahlungsvorrichtung, mindestens einen Energiestrahl in eine Rohmaterialschicht an einem oberen Abschnitt des Werkstücks auszustrahlen, um das bestrahlte Rohmaterial zu verfestigen und eine oberste Schicht des Werkstücks zu bilden; und Aufrechterhalten einer Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks, sodass die Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks innerhalb eines zweiten vordefinierten Bereichs liegt, der die vordefinierte Solltemperatur einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, ferner umfassend eine Trägerheizvorrichtung, wobei das Halten der Temperatur des untersten Teils des Werkstücks das Anweisen der Trägerheizvorrichtung umfasst, einen Träger zu erwärmen, auf dem das Werkstück aufgebaut ist, insbesondere auf eine Temperatur innerhalb des ersten vordefinierten Bereichs.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Steuereinheit ferner konfiguriert ist zum: Bestimmen der vordefinierten Solltemperatur basierend auf Baudaten, die eine Geometrie des zu bauenden Werkstücks definieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, ferner umfassend eine Oberschichtheizvorrichtung, wobei das Halten der Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks mindestens eines von Anweisen der Oberschichtheizvorrichtung zum Erwärmen der obersten Schicht des Werkstücks und/oder der Rohmaterialschicht am oberen Abschnitt des Werkstücks und Einführen eines Zeitraums reduzierter Bestrahlungsleistung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Steuereinheit ferner konfiguriert ist zum: Berechnen einer Wärmemenge, die über den mindestens einen Energiestrahl in die oberste Schicht eingebracht wird; Berechnen einer Wärmemenge, die die oberste Schicht während der Bestrahlung der obersten Schicht verlässt, falls die Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, größer ist als die Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, Einführen des Zeitraums reduzierter Bestrahlungsleistung, während der eine zusätzliche Wärmemenge die oberste Schicht verlassen kann; und/oder falls die Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, größer ist als die Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, Anweisen der Oberschichtheizvorrichtung, die oberste Schicht des Werkstücks und/oder die Rohmaterialschicht am oberen Abschnitt des Werkstücks so zu erwärmen, dass eine zusätzliche Wärmemenge in die oberste Schicht eingebracht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei falls die in die oberste Schicht eingebrachte Wärmemenge größer ist als die Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, die zusätzliche Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, der Differenz der in die oberste Schicht eingebrachten Wärmemenge und der die oberste Schicht verlassenden Wärmemenge entspricht, und/oder falls die Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, größer ist als die Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, die zusätzliche Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, der Differenz der Wärmemenge, die die oberste Schicht verlässt, und der Wärmemenge, die in die oberste Schicht eingebracht wird, entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei die Heizvorrichtung konfiguriert ist, um das Erwärmen der obersten Schicht des Werkstücks über Wärmestrahlung durchzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Oberschichtheizvorrichtung an einer Pulverbeschichtungsvorrichtung befestigt ist, die konfiguriert ist, um die oberste Schicht des Werkstücks aufzubringen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei der Zeitraum reduzierter Bestrahlungsleistung ein vordefinierter Wartezeitraum ist, während dem keine Bestrahlung von Rohmaterial durchgeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei der Zeitraum reduzierter Bestrahlungsleistung ein Zeitraum ist, in dem mindestens ein Bestrahlungsparameter geändert wird, um die Bestrahlungsleistung zu reduzieren, wobei der Bestrahlungsparameter mindestens einer der Anzahl aktiver Energiestrahlen, der Laserleistung, der Abtastgeschwindigkeit und des Strahlprofils ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, wobei der Zeitraum reduzierter Bestrahlungsleistung zwischen einem Zeitpunkt, wenn eine Bestrahlung der obersten Schicht beendet ist, und einem Zeitpunkt, wenn eine Pulverbeschichtung einer nächsten Schicht auf der obersten Schicht beginnt, zwischen einem Zeitpunkt, wenn eine Beschichtung einer nächsten Schicht auf der obersten Schicht beendet ist, und dem Beginn einer Bestrahlung der nächsten Schicht oder während der Bestrahlung der obersten Schicht eingeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 25, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, um die Temperatur der obersten Schicht des Werkstücks über eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis aufrechtzuerhalten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 26, wobei die Vorrichtung eine additive Fertigungsvorrichtung und insbesondere eine Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen oder selektiven Lasersintern ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 27, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, um die vordefinierte Solltemperatur zu bestimmen, um eine Mikrostruktur während eines Aufbauprozesses zu definieren.