DE102023114366A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung von Steuerdaten (PS) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) aufgebaut wird, das Verfahren umfassend die Schritte:- Aufnahme eines Prozessraum-Sensordatensatzes (SD) mit ortsaufgelösten Wärmedaten einer aktuell verfestigten Bauteilschicht (B),- Bereitstellen eines Prozessraum-Kontrolldatensatzes (KD) mit einer Soll-Form (F) der aktuell verfestigten Bauteilschicht (B),- Festlegen einer Anzahl von Sonderbereichen (S) in der Soll-Form (F),- Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen (S) zu entsprechenden Bereichen im Prozessraum-Sensordatensatz (SD),- Generieren eines Korrekturfaktor-Moduls (KK), wobei Korrekturfaktoren (KF) in den Sonderbereichen (S) gemäß anderen Regeln generiert werden als in anderen Bereichen der Soll-Form (F) außerhalb der Sonderbereiche (S),- Korrigieren von Steuerdaten (PS) für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht (B1) basierend auf dem Korrekturfaktor-Modul (KK),- Ausgeben der korrigierten Steuerdaten (PS) an eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2).Die Erfindung betrifft des Weiteren entsprechende Steuerdaten, ein Verfahren zur additiven Fertigung, eine Steuerdatenerzeugungsvorrichtung, eine Steuereinrichtung sowie eine Fertigungsvorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung („Steuerdatenerzeugungsvorrichtung“) zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl aufgebaut wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren entsprechende Steuerdaten, ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils mit solchen Steuerdaten, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung, sowie eine Steuervorrichtung für eine solche Vorrichtung.
  • Bei der Herstellung von Prototypen und inzwischen auch in der Serienfertigung werden additive Fertigungsprozesse immer relevanter. Im Allgemeinen sind unter „additiven Fertigungsprozessen“ solche Fertigungsprozesse zu verstehen, bei denen in der Regel auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material (dem „Aufbaumaterial“) ein Fertigungsprodukt („Bauteil“) aufgebaut wird. Der Aufbau erfolgt dabei meist, aber nicht zwingend, schichtweise. Als ein Synonym für die additive Fertigung wird häufig auch der Begriff „3D-Druck“ verwendet, die Herstellung von Modellen, Mustern und Prototypen mit additiven Fertigungsprozessen wird oft als „Rapid Prototyping“, die Herstellung von Werkzeugen als „Rapid Tooling“ und die flexible Herstellung von Serienbauteilen wird als „Rapid Manufacturing“ bezeichnet. Wie eingangs erwähnt, ist ein Kernpunkt die selektive Verfestigung des Aufbaumaterials, wobei diese Verfestigung bei vielen Fertigungsprozessen mit Hilfe einer Bestrahlung mit Strahlungsenergie, z. B. elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht- und/oder Wärmestrahlung, aber ggf. auch mit Teilchenstrahlung wie z. B. Elektronenstrahlung erfolgen kann. Beispiele für mit einer Bestrahlung arbeitende Verfahren sind das „selektive Lasersintern“ oder „selektive Laserschmelzen“. Dabei werden wiederholt dünne Schichten eines meist pulverförmigen Aufbaumaterials übereinander aufgebracht und in jeder Schicht wird das Aufbaumaterial durch räumlich begrenztes Bestrahlen der Stellen, die nach der Fertigung zum herzustellenden Bauteil gehören sollen, in einem „Schweißprozess“ selektiv verfestigt, indem die Pulverkörner des Aufbaumaterials mit Hilfe der durch die Strahlung an dieser Stelle lokal eingebrachten Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen werden. Während einer Abkühlung verfestigen diese Pulverkörner dann miteinander zu einem Festkörper. Meist wird dabei der Energiestrahl entlang von Verfestigungsbahnen über das Baufeld geführt und das Umschmelzen bzw. Verfestigen des Aufbaumaterials in der jeweiligen Schicht erfolgt entsprechend in Form von „Schweißbahnen“ oder „Schweißraupen“, so dass letztlich im Bauteil eine Vielzahl solcher aus Schweißbahnen gebildeter Schichten vorliegt. Auf diese Weise können inzwischen Bauteile mit sehr hoher Qualität und Bruchfestigkeit hergestellt werden.
  • Während der Fertigung kann der Fall auftreten, dass die durch den Energiestrahl eingetragene Energie inhomogen vom Bauteil aufgenommen wird. Dies äußert sich durch Bereiche einer Bauteilschicht mit einer inhomogenen Wärmeverteilung. Zuweilen kann es gewünscht sein, ausgesuchte Bereiche mit einem anderen Energieeintrag zu verfestigen, jedoch ist dies in der Regel unerwünscht, insbesondere bei uniformen Flächen oder regelmäßigen Konturen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere eine Verbesserung der Qualität eines Bauteils erlaubt. Bevorzugt ist eine Aufgabe der Erfindung, die Stabilität des Fertigungsprozesses zu erhöhen und insbesondere einen Abbruch der Fertigung zu verhindern oder zu verhindern, dass es an Stellen mit erhöhter Wärmeentwicklung bzw. -abstrahlung zu Problemen beim Auftrag des Aufbaumaterials kommt. Eine weitere bevorzugte Aufgabe ist, das Supportvolumen (und damit die Teilekosten) zu senken, und somit die Prozessgeschwindigkeit zu erhöhen, was sich vorteilhaft auf die Bauteilkosten auswirkt.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, Steuerdaten gemäß Patentanspruch 10, ein Fertigungsverfahren zur additiven Fertigung gemäß Patentanspruch 11, eine Steuerdatenerzeugungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 12, eine Steuereinrichtung gemäß Patentanspruch 13 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 14 gelöst.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl aufgebaut wird. Die Steuerdaten stellen zwar noch kein fertiges Bauteil dar, repräsentieren jedoch ein Bauteil, weil ein Bauteil aus Schichten von Verfestigungsbahnen besteht, die gemäß den Steuerdaten verfestigt worden sind.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    • - Aufnahme eines Prozessraum-Sensordatensatzes einer aktuell verfestigten Bauteilschicht des Bauteils mittels einer Sensoranordnung, wobei der Prozessraum-Sensordatensatz zumindest ortsaufgelöste Wärmedaten einer Anzahl von Bereichen dieser Bauteilschicht umfasst,
    • - Bereitstellen eines Prozessraum-Kontrolldatensatzes umfassend Informationen zu einer Soll-Form der aktuell verfestigten Bauteilschicht,
    • - Festlegen einer Anzahl von Sonderbereichen in der Soll-Form, wobei jeder Sonderbereich ein Bereich mit vorbestimmten, systematischen Formmerkmalen und/oder Fertigungsmerkmalen in der Bauteilschicht ist,
    • - Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen zu entsprechenden Bereichen der Anzahl von Bereichen im Prozessraum-Sensordatensatz,
    • - Generieren eines Korrekturfaktor-Moduls, welches zumindest einem Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht Korrekturfaktoren oder korrigierte Bestrahlungswerte zuweist, wobei die Korrekturfaktoren oder die korrigierten Bestrahlungswerte aus dem Prozessraum-Sensordatensatz generiert werden und in den Sonderbereichen gemäß anderen Regeln generiert werden als in anderen Bereichen der Soll-Form außerhalb der Sonderbereiche,
    • - Korrigieren von Steuerdaten für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht basierend auf dem Korrekturfaktor-Modul,
    • - Ausgeben der korrigierten Steuerdaten an eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils.
  • Wie bereits angedeutet wurde, wird in einem Fertigungsprozess in einem Baufeld Aufbaumaterial schichtweise, d.h. nacheinander in mehreren Materialauftragsebenen bzw. Materialschichten, aufgebaut. Bei dem Aufbaumaterial handelt es sich bevorzugt um ein Metallpulver oder zumindest um ein metallbasiertes Pulver. Ein solches Pulver enthält bevorzugt mehr als 50 Gewichtsprozent Metall, insbesondere mehr als 60 Gew.-%, 70 Gew.-%, 80 Gew.-% oder gar mehr als 90 Gew.-% Metall. Die Erfindung ist aber nicht hierauf beschränkt, sondern kann auch mit anderen, vorzugsweise pulverförmigen, Aufbaumaterialien eingesetzt werden, wie z.B. Kunststoffen oder Keramik oder Mischungen der verschiedenen Materialien. Dabei wird, insbesondere jeweils zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten, Aufbaumaterial (insbesondere selektiv) verfestigt, indem eine Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem von einer Bestrahlungseinheit der Fertigungsvorrichtung erzeugten Energiestrahl erfolgt (damit ist ein energetischer Strahl aus Photonen oder Partikeln, z.B. ein Lichtstrahl oder ein Elektronenstrahl gemeint). Dabei wird nicht nur das Aufbaumaterial in der obersten, frisch aufgebrachten Materialschicht von dem Energiestrahl erfasst und auf- bzw. umgeschmolzen, sondern der Energiestrahl geht üblicherweise ein Stück tiefer in das Materialbett hinein und erreicht auch darunterliegendes, bereits umgeschmolzenes Material aus zuvor aufgetragenen Materialschichten.
  • Die Aufnahme des Prozessraum-Sensordatensatzes mit den Wärmedaten kann z.B. mit einer Wärmebildkamera erfolgen, z.B. mit einer CMOS-Kamera mit einem Spektralfilter im Nahinfrarot-Bereich, dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Es kann auch ein scannendes Messverfahren verwendet werden, bei dem eine Ortsauflösung - alleine oder zusätzlich - durch eine jeweilige Scanposition gegeben ist, und/oder ein Messverfahren, bei dem der Sensor im Strahlengang der Bearbeitungsmaschine (on axis) angeordnet ist und die Ortsauflösung - alleine oder zusätzlich - durch eine aktuelle Bearbeitungsposition gegeben ist. Mit ortsaufgelösten „Wärmedaten“ sind Informationen zur Wärmeverteilung in mindestens einem Bereich der Bauteilschicht oder einer gesamten Bauteilschicht gemeint. Dabei müssen Informationen zu verschiedenen Punkten der Bauteilschicht zusammen mit der Position dieser Punkte vorliegen. Beispielsweise könnte ein Infrarotbild der Bauteilschicht die Wärmedaten darstellen, da in diesem Bild Punkten der Bauteilschicht Wärmeinformationen zugeordnet sind. Die Wärmedaten müssen jedoch nicht zwingend ein Wärmebild einer Wärmekamera sein, sondern können auf andere Weise erhalten werden. Der Prozessraum-Sensordatensatz zeigt also z.B. eine Bauteilschicht oder zumindest einen Bauteilbereich in dieser Bauteilschicht als Wärmebild.
  • Es muss für die Wärmedaten nicht unbedingt direkt die absolute Temperatur gemessen werden, sondern es genügen bereits die Pixelwerte einer temperatursensitiven Kamera (also im Grunde die „Grauwerte“). Aus deren Auswertung allein kann die Temperatur bereits gut abgeschätzt werden. Die Wärmedaten können dabei eine Temperatur sowohl in absoluten als auch in relativen Werten wiedergeben. Typischerweise wird für eine Maschine oder einen Bauprozess (auch auf verschiedenen Maschinen) eine Baseline für die Temperaturwerte (Grauwerte) gemessen und die Temperatur wird basierend auf einer Änderung relativ zur Baseline eingeschätzt. Diese Änderung kann „klein“ (z.B. bei sehr hohen Baselines) oder „groß“ (z.B. bei sehr niedrigen Baselines) sein.
  • Der Prozessraum-Kontrolldatensatz enthält Daten zur geometrischen Form der jeweils betrachteten Bauteilschicht und/oder zu Bestrahlungspfaden zur Fertigung dieser Bauteilschicht (Soll-Form). Der Ausdruck „Bereitstellen“ bedeutet bezogen auf den Prozessraum-Kontrolldatensatz, dass dieser einfach erhalten werden kann, z.B. wenn die Daten bereits von anderer Seite vorliegen, oder generiert werden kann, z.B. aus CAD-Daten eines Bauteils oder aus Steuerdaten. Kurz gesagt, die Soll-Form sollte eine Rekonstruktion der betreffenden Bauteilschicht ermöglichen. Beispielsweise kann der Prozessraum-Kontrolldatensatz bezüglich der Soll-Form parallele Schnitte eines CAD-generierten Bauteils umfassen (zumindest einen Schnitt) oder Scanvektoren zur Fertigung einer Bauteilschicht (oder vieler Bauteilschichten) eines Bauteils.
  • Im Grunde würden diese Informationen bereits genügen, um Inhomogenitäten des Energieeintrags so gering wie möglich zu halten. Es wird also während des Fertigungsprozesses die eingetragene Energie mittels einer Sensoranordnung gemessen, z.B. durch Messung der Wärmeabstrahlung einer Bauteilschicht mit einem Strahlungssensor. Dann können in diesen Messungen Bereiche mit einer zu hohen Wärmeabstrahlung detektiert werden und die entsprechenden Bereiche in der darauffolgenden Bauteilschicht mit einem geringeren Energieeintrag verfestigt werden. Entsprechendes gilt für Bereiche, die eine zu geringe Wärme abstrahlen. Auf diese Weise können Inhomogenitäten iterativ kompensiert werden.
  • Jedoch kann diese Kompensation in einigen Bereichen eines Bauteils nicht optimal angewendet werden, da die Daten der Sensoranordnung nicht unbedingt korrekte Werte für die wirkliche Wärmestrahlung widerspiegeln oder diese Bereiche thermisch anders „funktionieren“ als andere Bereiche. Dies sind beispielsweise Bereiche mit Ecken oder scharfen Kurven im Bauteil, Randbereiche des Bauteils oder sehr kleine Strukturen innerhalb eines Bauteils. Generell kann gesagt werden, dass überall dort, wo die Gefahr besteht, dass die Auflösung der Sensoranordnung eine genaue Trennung von Bereichen mit unterschiedlichem Energieeintrag nicht zulässt oder gezielt ein von der Umgebung abweichender Energieeintrag gewünscht ist, dieses generelle Verfahren keine optimale Kompensation von Inhomogenitäten bieten kann. Diese Bereiche sind insbesondere Randbereiche, also dort, wo auf der einen Seite ein großer Energieeintrag zur Verfestigung vorliegt und auf der anderen Seite kein Energieeintrag, da keine Verfestigung stattfinden soll. Diese Bereiche können aber auch Bereiche sein, in denen Streifen einer Schraffur miteinander überlappen und in einem schichtweise integrierenden Sensorsystem auffällig erscheinen, obwohl sie es in Realität nicht sein müssen.
  • Ein solcher Bereich wird im Rahmen der Erfindung als „Sonderbereich“ bezeichnet, da er einer gesonderten Aufmerksamkeit bedarf, damit die Kompensation von Inhomogenitäten so gut wie möglich erfolgen kann. Jeder Sonderbereich ist ein Bereich mit vorbestimmten, systematischen Form- und/oder Fertigungsmerkmalen in der Bauteilschicht. Formmerkmale sind Merkmale zur geometrischen Form oder zur Lage z.B., dass der Bereich am Rand eines zu verfestigenden Querschnitts eines Bauteils liegt, der Bereich kleiner als die Auflösung der Sensoranordnung ist oder ungenügend präzise durch die Sensoranordnung abgebildet wird oder in dem Bereich formbedingt oder bedingt durch eine Lage an oder nahe einer Oberfläche des späteren Bauteils besondere thermische Gegebenheiten herrschen, z.B. bei engen Kurven oder Verjüngungen. Fertigungsmerkmale wären z.B. eine Überlappung von Verfestigungsbahnen in einer Bauteilschicht, eine lokale Zunahme von Abständen der Verfestigungsbahnen in einer Bauteilschicht, eine lokale Änderung der Dicke bzw. Tiefe von Verfestigungsbahnen oder lokale Änderungen der Bestrahlung (z.B. durch Pulse oder durch eine Wahl eines anderen Prozessfensters, wie z. B. eine lokale Verfestigung mittels Wärmeleitungsschweißen bei genereller Wahl des Tiefschweißprozesses). Besondere Formmerkmale und Fertigungsmerkmale können auch in Kombination vorliegen, da es sein kann, dass aufgrund einer besonderen Form ein besonderer lokaler Fertigungsmodus gewählt wird. Der Ausdruck „vorbestimmt systematisch“ besagt, dass es sich bereits aus dem Prozessraum-Kontrolldatensatz (und ggf. der Erfahrung bei der Herstellung von Bauteilen) ergibt, dass bei der Fertigung in diesen Bereichen besondere thermische Bedingungen herrschen. Beispielsweise stellt der Rand eines Bauteils einen thermisch problematischen Bereich dar. Ein Sonderbereich könnte auch als (systematisch besonderer) „Überhitzungsbereich“, „Fehlerhitzungsbereich“, „Abweichungsbereich“ oder „Sonder-Korrekturbereich“ bezeichnet werden. Insbesondere kann ein Sonderbereich ein Bereich sein, der eine Nachbehandlung benötigt oder benötigen würde, wenn er während der Herstellung keine erhöhte Temperatur erfährt.
  • Im Hinblick auf einen besonderen Aspekt der Erfindung kann ein Sonderbereich ein Bereich sein, der thermisch nachbehandelt werden soll bzw. der zur Veränderung/Verbesserung seiner Eigenschaften oder der Eigenschaften des Bauteils (z.B. Härte, mechanische Festigkeit, Dichte, usw.) während der Herstellung des Bauteils mit unterschiedlichen Parametern (z.B. Laserparameter: Strahlprofil, Laserintensität) verfestigt wird.
  • Eine Festlegung dieser Sonderbereiche zu entsprechenden Bereichen der Soll-Form erfolgt bevorzugt automatisch, z.B. in dem automatisch jeder Randbereich einer Bauteilschicht der Soll-Form mit einer vorgegebenen Breite, jeder Überlappbereich oder jeder klar begrenzte Bereich unterhalb eines vorgegebenen Volumens oder einer vorgegebenen Fläche in der Bauebene als Sonderbereich eingestuft wird. Was genau als Sonderbereich eingestuft werden soll, kann z.B. aus einer vorgegebenen Liste entnommen werden, könnte aber auch manuell durch eine Benutzereingabe vorgegeben werden. Besonders bevorzugt ist, wenn ein Benutzer mittels veränderbarer Voreinstellungen die Parameter für eine automatische Einstufung von Sonderbereichen eingeben bzw. ändern kann.
  • Diese Sonderbereiche sind also zunächst in einer nicht-dinglichen Umgebung (Soll-Form) festgelegt. Da diese Soll-Form der (realen) Bauteilschicht entspricht, die durch den Prozessraum-Sensordatensatz repräsentiert wird, muss nun ermittelt werden, welche Teile der betreffenden Bauteilschicht als Sonderbereiche anzusehen sind. Dies wird durch die anschließende Zuordnung erreicht. In dem Prozessraum-Sensordatensatz liegen ortsaufgelöste Wärmedaten von einer Anzahl von Bereichen der Bauteilschicht vor. Dies wird im Folgenden für ein besseres Verständnis als „Wärmebild der Bauteilschicht“ bezeichnet, wobei dieser Begriff nicht auch andere Möglichkeiten ausschließt, wie ortsaufgelöste Wärmedaten von einer Anzahl von Bereichen der Bauteilschicht vorliegen könnten.
  • Diese Zuordnung der Sonderbereiche zu entsprechenden Bereichen des „Wärmebilds der Bauteilschicht“ erfolgt bevorzugt automatisch, z.B. indem automatisch jeder Bereich des Wärmebilds, dessen Entsprechung in der Soll-Form als Sonderbereich eingestuft worden ist, im Wärmebild auch als Sonderbereich eingestuft wird. Diese Zuordnung kann rein informationstechnisch erfolgen, indem einem Bereich des Wärmebilds der Bauteilschicht ein Marker hinzugefügt wird, der angibt, dass es sich hier um einen Sonderbereich handelt oder indem diesem Bereich in einer Abbildung eine Markierung hinzugefügt wird (z.B. eine besondere Farbe). Es kann auch eine Maske erstellt werden, die angibt, welche Bereiche in dem Wärmebild der Bauteilschicht als Sonderbereiche anzusehen sind. Wie genau die Informationen zum Sonderbereich der Soll-Form zugeordnet werden (z.B. durch eine datentechnische Verknüpfung oder durch Abbilden) ist im Grunde unerheblich, solange danach feststeht, welche Bereiche des Wärmebilds der Bauteilschicht als Sonderbereiche anzusehen sind und welche nicht. Damit ist also klar, welche Wärmedaten der ortsaufgelösten Wärmedaten in einem Sonderbereich liegen und welche nicht.
  • Das anschließend generierte Korrekturfaktor-Modul weist zumindest einem Teilbereich einer (direkt) nachfolgenden (also auf der anderen Bauteilschicht nach ihrer Fertigung unmittelbar aufliegenden) Bauteilschicht Korrekturfaktoren oder korrigierte Bestrahlungswerte zu, welche aus dem Prozessraum-Sensordatensatz generiert werden. Das Korrekturfaktor-Modul umfasst bevorzugt ein Programm und/oder eine Datenbank, wobei das Programm bevorzugt einen automatisierten Zugriff auf eine Datenbank umfasst, wobei der Zugriff ein Verwenden und/oder Modifizieren und/oder Abspeichern und/oder Überschreiben von Daten umfasst, die zumindest auf dem Prozessraum-Sensordatensatz und/oder dem Prozessraum-Kontrolldatensatz basieren. Die Korrekturfaktoren wirken insbesondere auf eine Leistung und/oder einen Fokusdurchmesser des Energiestrahls und/oder dessen Strahlprofil bzw. Intensitätsverteilung und/oder eine Scangeschwindigkeit und/oder einen Hatchabstand. Ist der Energiestrahl ein Laserstrahl, kann auch der Begriff „Laserkorrekturfaktor“ (oder LCF für engl. „Laser Correction Factor“) oder auch „Laserleistungskorrekturfaktor“ verwendet werden. Eine Einschränkung auf eine Laserleistung ist jedoch nicht notwendig, da im Grunde der Energieeintrag angepasst werden soll. Daher könnte das Korrekturfaktor-Modul auch als „Energieeintragsparameter-Modul“ oder „Volumenenergie-Modul“ bezeichnet werden, z. B. mit einer Volumenenergie als Referenzgröße.
  • Ein „Modul“ im Sinne des Korrekturfaktor-Moduls ist ein Element, welches bestimmungsgemäß zur Anwendung oder Sammlung einer Mehrzahl bzw. Vielzahl von Korrekturfaktoren verwendet wird. Es kann lediglich Daten enthalten, welche die Korrekturfaktoren sind oder aus denen die Korrekturfaktoren ermittelt werden können, aber auch eine Funktionalität, mit der Korrekturfaktoren ermittelt oder diese sogar auf Steuerbefehle angewendet werden können. Das Modul selber kann softwareimplementiert sein, z.B. in Form einer Tabelle, Funktion, Liste oder eines Datensatzes oder hardwareimplementiert, z.B. in Form eines FPGA oder eines Prozessors bzw. Controllers mit Speichereinheit. Bevorzugt ist das Korrekturfaktor-Modul also ein softwarebasiertes oder hardwarebasiertes Element, welches Daten in Form von Korrekturfaktoren umfasst oder Daten und/oder Funktionen umfasst, mittels denen sich die Korrekturfaktoren ermitteln lassen.
  • Das Korrekturfaktor-Modul kann in Form einer Korrekturfaktor-Karte vorliegen, welche die Korrekturfaktoren in Form einer Matrix aufweist. Existiert z.B. ein digitales Wärmebild der Bauteilschicht, kann die Korrekturfaktor-Karte durchaus Pixel bzw. Rasterzellen umfassen, die insbesondere den Pixeln im Wärmebild entsprechen, und statt Farbwerten oder Grauwerten skalare Größen umfassen, die Korrekturfaktoren angeben.
  • Das Korrekturfaktor-Modul kann alternativ oder zusätzlich auch in Form einer Korrekturfaktor-Funktion KF vorliegen, die bevorzugt eine zweidimensionale Funktion ist. Die Korrekturfaktoren an einer zweidimensionalen Raumposition (x, y) in der Bauteilschicht können dann einfach die Funktionswerte der Korrekturfaktor-Funktion KF (x, y) an den entsprechenden Stellen sein. Die Korrekturfaktor-Funktion kann z.B. aus einer Korrekturfaktor-Karte durch einen Fit einer zweidimensionalen Polynomfunktion generiert werden. Auch wenn die Erstellung komplizierter als die einer Karte ist, hat eine Funktion den Vorteil eines geringeren Speicherbedarfs, da lediglich Funktionskoeffizienten abgespeichert werden müssen, und einer besseren Skalierbarkeit. Die Verwendung einer solchen Korrekturfaktor-Funktion kann auch Vorteile für eine Korrektur ohne Berücksichtigung der Sonderbereiche haben. Ein entsprechendes Verfahren umfasst dann ersatzweise die Schritte:
    • - Optional: Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen zu entsprechenden Bereichen der Anzahl von Bereichen im Prozessraum-Sensordatensatz,
    • - Generieren einer Korrekturfaktor-Funktion, welche zumindest einem Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht Korrekturfaktoren oder korrigierte Bestrahlungswerte zuweist, wobei die Korrekturfaktoren oder die korrigierten Bestrahlungswerte aus dem Prozessraum-Sensordatensatz generiert werden und bevorzugt in den Sonderbereichen gemäß anderen Regeln generiert werden als in anderen Bereichen der Soll-Form außerhalb der Sonderbereiche,
    • - Korrigieren von Steuerdaten für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht basierend auf der Korrekturfaktor-Funktion.
  • Wichtig für das erfindungsgemäße Verfahren ist hier, dass die Korrekturfaktoren oder korrigierte Bestrahlungswerte in den Sonderbereichen gemäß anderen Regeln generiert werden als in anderen Bereichen der Soll-Form außerhalb der Sonderbereiche. Dies liegt darin begründet, dass in den Sonderbereichen auch „andere Regeln“ gelten. Beispielsweise geben die Daten von Pixeln einer Wärmebildkamera wieder, welche Wärme von einem Flächenbereich auf der Bauebene abgestrahlt worden ist. Ein erstes Pixel, das einen unverfestigten Bereich aufgenommen hat, zeigt eine geringere Wärme als ein zweites Pixel, welches einen gerade verfestigten Bereich aufgenommen hat. Ein drittes Pixel, welches aber einen Randbereich mit verfestigten und unverfestigten Bereichen aufgenommen hat, wird eine geringere Wärme anzeigen als das zweite Pixel und eine größere Wärme als das erste Pixel, auch wenn der verfestigte Bereich überall gleichwarm sein sollte. Dies liegt daran, dass die Pixel ein Integral der Wärmestrahlung des von ihnen aufgenommenen Bereichs zeigen. In einem Fall, in dem das zweite Pixel (kein Sonderbereich) anzeigen würde, dass der von ihm aufgenommene Bereich zu heiß wäre, würde ein entsprechender Korrekturfaktor angeben, dass dort in der nächsten Schicht weniger Energie eingebracht werden soll. Beim dritten Pixel (Sonderbereich, hier benachbart zum zweiten Pixel), das als kälter angesehen wird, obwohl im verfestigten Bereich zu viel Wärme vorliegt, da auch ein Teil unverfestigter Bereich aufgenommen wurde, würde jedoch ohne eine gesonderte Behandlung kein Korrekturfaktor angewandt (oder ein Korrekturfaktor von 1), da keine Überhitzung erkannt worden ist. Richtig wäre hier jedoch, den gleichen Korrekturfaktor anzuwenden, der beim zweiten Pixel angewandt wird. Genau dies berücksichtigt das erfindungsgemäße Verfahren, indem die Korrekturfaktoren oder korrigierte Bestrahlungswerte in den Sonderbereichen gemäß anderen Regeln generiert werden als in anderen Bereichen der Soll-Form außerhalb der Sonderbereiche.
  • Wie genau diese anderen Regeln aussehen, kann vom Bauteil, dem verwendeten Aufbaumaterial, der Art der Bestrahlung und der Art des Sonderbereichs abhängig sein. Im Folgenden werden weiter unten einige bevorzugte Ausführungsformen genannt. In einer sehr einfachen Ausführungsform können z.B. die Korrekturfaktoren benachbarter Bereiche der Soll-Form für die Sonderbereiche verwendet werden.
  • Das Korrekturfaktor-Modul (kurz KF-Modul) muss sich nicht auf das gesamte Baufeld beziehen. Unterschiedliche Bereiche des Baufelds können von unterschiedlichen KF-Modulen korrigiert werden. Beispielsweise kann eine Gesamtkorrekturkarte aus einem Zusammensetzen von Korrekturfaktor-Karten (KF-Karten) gebildet werden. Eine Regelung eines Bauprozesses erfolgt bevorzugt pixelweise nach Punkten dieser KF-Karten, wobei eine Regelung umso besser ist, je hochauflösender eine KF-Karte ist. Entsprechend kann auch eine Gruppe von Korrekturfaktor-Funktionen verwendet werden, wobei jede Korrekturfaktor-Funktion für einen Bereich des Baufeldes angewandt wird. Bevorzugt werden festgelegte Bestrahlungswerte bei der Fertigung mit dem Korrekturfaktor korrigiert und/oder der Korrekturfaktor liefert direkt die Bestrahlungswerte. Der Korrekturfaktor ist dabei bevorzugt ein relativer Korrekturfaktor, der mit einer vorgegebenen Laserleistung multipliziert wird oder durch den eine vorgegebene Laserleistung dividiert wird.
  • Für die korrigierten Bestrahlungswerte gilt dasselbe wie für die Korrekturfaktoren, da sie lediglich Bestrahlungswerte sind, die mittels (dieser) Korrekturfaktoren bereits korrigiert worden sind. Das KF-Modul kann demzufolge Korrekturfaktoren umfassen, mit denen dann Bestrahlungswerte korrigiert werden oder bereits korrigierte Bestrahlungswerte. Es ist klar, dass die Korrekturfaktoren so gewählt werden, dass bei einem zu hohen Energieeintrag an einer Stelle in der nachfolgenden Schicht an dieser Stelle ein geringerer Energieeintrag erfolgt, der insbesondere so berechnet ist, dass sich ein gewünschter Energieeintrag einstellt.
  • Um nun eine Kompensation von Inhomogenitäten vorzunehmen, muss eine nachfolgende Bauteilschicht bestrahlt werden. In dem Fall, in dem nach ihrer Fertigung die nachfolgende Bauteilschicht immer noch Inhomogenitäten aufweisen sollte, kann das Verfahren für die jeweils nächste Bauteilschicht basierend auf der jeweils gerade gefertigten Bauteilschicht durchgeführt werden. Nach einigen wenigen Iterationen wird sich bei einer vernünftigen Wahl der Korrekturfaktoren der Energieeintrag homogenisieren lassen.
  • Es werden also Steuerdaten für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht basierend auf dem Korrekturfaktor-Modul (z.B. einer Korrekturfaktor-Karte oder -Funktion) korrigiert und die korrigierten Steuerdaten an eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils ausgegeben, damit eine neue Bauteilschicht gefertigt werden kann. Diese neue Bauteilschicht bzw. ein Prozessraum-Sensordatensatz dieser neuen Bauteilschicht soll nun als Basis für einen erneuten Durchlauf des Verfahrens für die nächste Bauteilschicht dienen.
  • Das KF-Modul kann zuletzt, insbesondere nach der Fertigung des Bauteils abgespeichert und zur Fertigung weiterer Bauteile verwendet werden. Umfasst das KF-Modul keine Korrekturverfahren, sondern korrigierte Bestrahlungsdaten (und besonders bevorzugt korrigierte Steuerdaten), könnte es als erfindungsgemäße Steuerdaten angesehen werden.
  • Mit dem vorangehend beschriebenen Verfahren lassen sich erfindungsgemäße Steuerdaten erzeugen, die zur Steuerung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung dienen. Wie gesagt, zeichnen sich diese Steuerdaten dadurch aus, dass sie korrigiert sind, so dass Inhomogenitäten in der Temperaturverteilung während der Fertigung kompensiert werden. Wohlgemerkt wird dabei nicht die Temperaturverteilung an sich kompensiert, sondern es wird eine inhomogene Temperaturverteilung einer aktuellen Schicht für eine kompensierende Bestrahlung in der Folgeschicht berücksichtigt. Genau genommen wird nicht nur der Wärmehaushalt einer einzigen Schicht geregelt, sondern mit entsprechend geringerem Effekt der Wärmehaushalt vieler bereits verfestigter Schichten bis hin zum Gesamtwärmehaushalt eines Bauteils oder sogar einer gleichzeitigen Fertigung von mehreren Bauteilen. Der Grund dafür ist, dass bereits verfestigte Schichten in der Regel weiterhin Wärme emittieren, da der Wärmeeintrag in den Baubehälter während des Fertigungsprozesses den Wärmeabfluss aus dem Baubehälter üblicherweise mindestens zeitweise übersteigt. Bei vielen verfestigten Schichten summiert sich der Effekt, was die Wärmeabstrahlung einer gemessenen Oberfläche deutlich beeinflusst. In der Praxis werden die Korrekturfaktoren des Korrekturfaktor-Moduls in der Regel erst im Maschinencontroller mit den Original-Steuerdaten (vektorisiert) kombiniert und als „Mikroschritte“ (Steuersignale im Scan-Takt der Fertigungsvorrichtung) an einen Belichtungscontroller weitergegeben. Es können jedoch auch direkt korrigierte Steuerdaten verwendet werden.
  • Die Steuerdaten umfassen darüber hinaus bevorzugt weitere Konstruktionsanweisungen wie z.B. eine Menge von Aufbaumaterial, das ggf. lokal selektiv für einen Schichtauftrag vorgesehen wird, und insbesondere auch das Absenken der Bauplattform zwischen der Fertigung der Bauteilschichten. Dies ist bei einer Anordnung von zwei Bauteilschichten implizit gegeben, da eine neue Bauteilschicht auf einem bereits verfestigten Bereich nur durch Auftrag von neuem Aufbaumaterial erfolgen kann. Durch diesen Auftrag ist es in der Regel notwendig, die Bauplattform abzusenken.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils, wird in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl gemäß den erfindungsgemäßen Steuerdaten aufgebaut. Zur Erstellung von Bauteilschichten des Bauteils wird der Energiestrahl dabei gemäß den Steuerdaten über das Baufeld bewegt, also mit korrigierten Bestrahlungsparametern.
  • Eine erfindungsgemäße Steuerdatenerzeugungsvorrichtung dient zur Generierung von erfindungsgemäßen Steuerdaten (gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren) für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl aufgebaut wird.
  • Die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung umfasst die folgenden Komponenten:
    • - Eine Datenschnittstelle ausgelegt zum Empfang eines Prozessraum-Kontrolldatensatzes umfassend Informationen zu einer Soll-Form der aktuell verfestigten Bauteilschicht, und eines Prozessraum-Sensordatensatzes einer aktuell verfestigten Bauteilschicht des Bauteils aufgenommen mittels einer Sensoranordnung, wobei der Prozessraum-Sensordatensatz zumindest ortsaufgelöste Wärmedaten einer Anzahl von Bereichen dieser Bauteilschicht umfasst,
    • - eine Registrierungs-Einheit, ausgelegt zum Festlegen einer Anzahl von Sonderbereichen in der Soll-Form, wobei jeder Sonderbereich ein Bereich mit vorbestimmten, systematischen Formmerkmalen und/oder Fertigungsmerkmalen in der Bauteilschicht ist, und zum Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen zu entsprechenden Bereichen der Anzahl von Bereichen im Prozessraum-Sensordatensatz,
    • - eine Moduleinheit, ausgelegt zum Generieren eines Korrekturfaktor-Moduls, welche zumindest einem Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht Korrekturfaktoren oder die korrigierte Bestrahlungswerte zuweist, wobei die Korrekturfaktoren oder korrigierten Bestrahlungswerte aus dem Prozessraum-Sensordatensatz generiert werden und in den Sonderbereichen gemäß anderen Regeln generiert werden als außerhalb der Sonderbereiche,
    • - eine Korrektureinheit, ausgelegt zum Korrigieren von Steuerdaten für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht basierend auf dem Korrekturfaktor-Modul,
    • - eine Datenschnittstelle (ggf. die oben genannte oder eine andere), ausgelegt zum Ausgeben der korrigierten Steuerdaten an eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils.
  • Die Funktion der Komponenten wurde oben bereits anhand des Verfahrens ausführlich erläutert.
  • Eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung dient einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl mittels einer Bestrahlungsvorrichtung aufgebaut wird. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, die Vorrichtung zur additiven Fertigung der Bauteilschichten des Bauteils gemäß erfindungsgemäßen Steuerdaten anzusteuern.
  • Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Steuereinrichtung eine erfindungsgemäße Steuerdatenerzeugungsvorrichtung.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung („Fertigungsvorrichtung“) dient zur additiven Fertigung zumindest eines Bauteils in einem additiven Fertigungsprozess. Sie umfasst zumindest
    • - eine Zuführvorrichtung zum Aufbringen von Materialschichten von Aufbaumaterial auf ein Baufeld in einem Prozessraum,
    • - eine Bestrahlungsvorrichtung, um, insbesondere zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten, Aufbaumaterial durch Bestrahlung mit zumindest einem Energiestrahl selektiv zu verfestigen, sowie
    • - eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung.
  • Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mehrere Bestrahlungsvorrichtungen aufweisen kann, die dann wie oben erwähnt entsprechend koordiniert mit den Steuerdaten angesteuert werden. Auch sei noch einmal erwähnt, dass insoweit der Energiestrahl auch aus mehreren überlagerten Energiestrahlen bestehen kann bzw. dass es sich bei dem Energiestrahl sowohl um Teilchenstrahlung als auch um elektromagnetische Strahlung, wie z. B. Licht- bzw. vorzugsweise Laserstrahlung, handeln kann.
  • Die Erfindung kann insbesondere in Form einer Rechnereinheit, insbesondere in einer Steuereinrichtung, mit geeigneter Software realisiert sein. Damit ist insbesondere die Erstellung der Steuerdaten gemeint, da die Fertigung eines Bauteils mittels weiterer Komponenten erfolgt. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen. Insbesondere kann sie in Form von geeigneten Softwareprogrammteilen in der Rechnereinheit realisiert sein. Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Rechnereinheiten, insbesondere in Steuereinrichtungen, von Fertigungsvorrichtungen, auf einfache Weise durch ein Software- bzw. Firmware-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Rechnereinheit ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens (zumindest diejenigen, die auf die Generierung von Steuerdaten bezogen sind, aber ggf. auch solche die zur Übermittlung der Steuerdaten für einen Fertigungsprozess dienen) auszuführen, wenn das Programm in der Rechnereinheit ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z.B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z. B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen. Zum Transport zur Rechnereinheit und/oder zur Speicherung an oder in der Rechnereinheit kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind.
  • Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen und Ausführungsbeispielen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
  • Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird vor dem Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen an die entsprechenden Bereiche im Prozessraum-Sensordatensatz der Prozessraum-Sensordatensatz gemäß bestehender (vorher ermittelter) Kalibrierdaten oder gemäß einer Anpassungsfunktion (z.B. einem Fit-Algorithmus) angepasst. Dabei ist bevorzugt, dass zuerst eine Kalibrierung der Sensoranordnung erfolgt und der Prozessraum-Sensordatensatz mit der kalibrierten Sensoranordnung aufgenommen wird. Alternativ ist bevorzugt, dass vorgefertigte Kalibrierdaten vorliegen und der Prozessraum-Sensordatensatz nach seiner Aufnahme durch die Sensoranordnung angepasst wird. Dabei ist bevorzugt, dass mittels eines Anpassungsalgorithmus die Sonderbereiche auf entsprechende Bereiche im Prozessraum-Sensordatensatz registriert oder dort anderweitig abgebildet werden. Letzteres hat den Vorteil, dass die Sensordaten direkt in Abhängigkeit dazu kalibriert werden können, ob sie aus einem Sonderbereich stammen oder nicht.
  • Welcher Bereich ganz konkret als Sonderbereich angesehen wird, ist von der Art des Bauteils, der Art der Fertigung oder vom Benutzer abhängig. Es kann vorgegeben sein, z.B. durch Voreinstellungen oder durch Benutzervorgaben, was als Sonderbereich anzusehen ist. Die folgenden Bereiche eines Bauteils sind bevorzugte Sonderbereiche. Es können einzelne Alternativen oder Gruppen der folgenden Alternativen als Vorgaben für Sonderbereiche gewählt werden.
    • - Ein Bauteil-Randbereich der Bauteilschicht,
    • - ein Bereich der Bauteilschicht, in dem Verfestigungsbahnen miteinander überlappen, insbesondere deren Anfangs- und/oder Endbereiche,
    • - ein Bereich, in dem sich ein Hatching-Streifen (ggf. aus parallel zueinander, nebeneinander angeordneten Verfestigungsbahnen) verjüngt (d. h. in dem die Verfestigungsbahnen eine geringere Länge aufweisen als eine Standard- oder Maximallänge),
    • - ein Bereich, der kleiner als die optische Auflösung der Sensoranordnung ist (d. h. ein kleinstmöglicher individuell durch die ortsauflösende Sensoranordnung messbarer Bereich der Bauteilschicht),
    • - ein Bereich mit Supportstrukturen, bevorzugt wobei eine Wandstärke oder eine Strebendicke oder ein Durchmesser der Supportstrukturen kleiner ist, als dass sie vollumfänglich mit dem Sensor aufgelöst werden kann (z.B. < 5x Pixelauflösung, z.B. ca. 500µm).
  • Gemäß einem bevorzugten Verfahren erfolgt das Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen an die entsprechenden Positionen im Prozessraum-Sensordatensatz mittels einer Bildregistrierung. Dabei ist ein (in der Bildverarbeitung gängiges) Verfahren basierend auf Enhanced Correlation Coefficients bevorzugt, (s. z.B. Georgios D. Evangelidis and Emmanouil Z. Psarakis „Parametric Image Alignment Using Enhanced Correlation Coefficient Maximization“, IEEE transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 30, Nr. 10, Oktober 2008).
  • Gemäß einem bevorzugten Verfahren werden die Korrekturfaktoren des Korrekturfaktor-Moduls für einen Sonderbereich aus den Korrekturfaktoren für eine Anzahl von an den Sonderbereich angrenzenden Bauteilbereichen der Soll-Form interpoliert oder extrapoliert. Dies geschieht insbesondere durch Interpolation von Korrekturfaktoren gegenüberliegender Bauteilbereiche oder durch Interpolation von Korrekturfaktoren eines Bauteilbereichs und vorgegebenen Werten außerhalb des Bauteils, oder Korrekturfaktoren eines Bauteilbereichs. Dies ist insbesondere auch vorteilhaft, wenn der Sonderbereich ein Bereich ist, an dem eine thermische Nachbehandlung durchgeführt werden soll.
  • Alternativ ist bevorzugt, dass die Korrekturfaktoren des Korrekturfaktor-Moduls für einen Sonderbereich aus vorgegebenen, konstanten Korrekturfaktoren gebildet werden.
  • Alternativ ist bevorzugt, dass die Korrekturfaktoren des Korrekturfaktor-Moduls für einen Sonderbereich durch interpolierende Verfahren aus der Bildverarbeitung ermittelt werden, die auf einer stetigen Fortsetzung der Grauwerte basieren, insbesondere basierend auf Einfärbungs-Algorithmen oder Inpainting-Algorithmen.
  • Alternativ ist bevorzugt, dass die Korrekturfaktoren des Korrekturfaktor-Moduls für einen Sonderbereich basierend auf einem Modell einer theoretischen Temperaturänderung oder der lokalen Wärmeleitungseigenschaften gebildet werden. Dies ist insbesondere auch vorteilhaft, wenn der Sonderbereich ein Bereich ist, an dem eine thermische Nachbehandlung durchgeführt werden soll.
  • Gemäß einem bevorzugten Verfahren liegen vorbestimmte maximale und/oder minimale Werte für einen Korrekturfaktor vor, insbesondere ein Grenzwert-Modul, insbesondere eine Grenzwert-Funktion oder eine Grenzwert-Karte mit ortsaufgelösten maximalen und/oder minimalen Werten. Die Korrekturfaktoren werden dann bevorzugt so generiert, dass sie die maximalen Werte nicht überschreiten und/oder die minimalen Werte nicht unterschreiten.
  • Gemäß einem bevorzugten Verfahren werden zum Generieren einer Korrekturfaktor-Karte die Korrekturfaktoren aus dem Prozessraum-Sensordatensatz außerhalb der Anzahl der Sonderbereiche mittels eines Reglers generiert, insbesondere eines PD-Reglers, eines PI-Reglers oder eines PID-Reglers. Dabei ist bevorzugt, dass die Korrekturfaktoren innerhalb eines Sonderbereichs, also dort, wo sie nach anderen Regeln erzeugt werden als in anderen Bereichen:
    • - ohne den Regler generiert werden, oder
    • - zunächst mittels des Reglers generiert werden und anschließend korrigiert werden oder
    • - zunächst die entsprechenden Werte des Prozessraum-Sensordatensatzes korrigiert werden und danach die Korrekturfaktoren mittels des Reglers generiert werden.
  • Für eine Korrektur im Nicht-Sonderbereich wird der Regler bevorzugt klassisch genutzt, wobei parametrierbare Proportional-, Differential- und/oder Integral-Anteile verwendet werden. Besonders bevorzugt ist eine Regelung vollständig SW-basiert. Die Parameter des Reglers können insbesondere bauteilspezifisch eingestellt werden.
  • Wie oben bereits angedeutet wurde, wird das Verfahren bevorzugt für mehrere aufeinanderfolgende Bauteilschichten angewandt. Dabei werden Steuerdaten bevorzugt zusammen mit einer Anzahl entsprechender Korrekturfaktor-Modulen und/oder mit korrigierten Steuerdaten abgespeichert. Hier ist zu beachten, dass die Korrekturfaktor-Module bereits korrigierte Bestrahlungswerte enthalten können, die korrigierten Steuerdaten aber weitere Daten als die korrigierten Bestrahlungswerte enthalten können. Es ist besonders bevorzugt, alle durch das Verfahren erhaltenen Korrekturfaktor-Module bzw. korrigierten Steuerdaten abzuspeichern, da diese miteinander zusammenhängen. Schließlich ergibt sich ein Prozessraum-Sensordatensatz nach vorheriger Anwendung des Verfahrens aus einer mit korrigierten Steuerdaten gefertigten Bauteilschicht.
  • Es ist bevorzugt, dass für die Korrektur von Steuerdaten für ein Bauteil ausschließlich Daten des Korrekturfaktor-Moduls verwendet werden, das aus einer Bauteilschicht dieses bestimmten Bauteils generiert wurden, insbesondere aus der unmittelbar vorangehend gefertigten Bauteilschicht. Es wird also jedes Bauteil für sich betrachtet. Alternativ werden bevorzugt Daten eines Korrekturfaktor-Moduls verwendet, das aus einer gleichförmigen Bauteilschicht eines anderen Bauteils generiert wurden. Dies erlaubt, z.B. bei der Fertigung mehrerer gleichartiger Bauteile, das Korrekturfaktor-Modul eines der Bauteile auf die anderen Bauteile anzuwenden.
  • Es sollte hier beachtet werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch auf bereits korrigierte Steuerdaten angewandt werden kann, sofern bekannt ist, dass diese bereits korrigiert worden sind und auf welche Weise. Im Grunde müssen dann nur die Korrekturfaktoren entsprechend gestaltet sein. Beispielsweise können korrigierte Steuerdaten, welche von einem Bauteil gewonnen worden sind, bei einer Anwendung auf ein anderes Bauteil eine zusätzliche Korrektur erfahren. Alternativ können korrigierte Steuerdaten, welche von einem Bauteil, das z. B. eine gleiche Gestalt aufweist, aus dem gleichen Material hergestellt werden soll und an das die gleichen Anforderungen bzgl. seiner Bauteileigenschaften gestellt werden, gewonnen worden sind, bei einer Anwendung auf ein weiteres Exemplar dieses Bauteils eine zusätzliche Korrektur erfahren. Es können aber auch Steuerdaten, die ohne die Berücksichtigung von Sonderbereichen korrigiert wurden, nun mit dem Verfahren optimiert werden, z.B. indem nur die Sonderbereiche besonders korrigiert werden und die übrigen Korrekturfaktoren beibehalten werden.
  • Gemäß einem bevorzugten Verfahren werden zum Festlegen einer Anzahl von Sonderbereichen in der aktuell verfestigten Bauteilschicht zusätzlich zu einem Prozessraum-Kontrolldatensatz Informationen zu einer Form und/oder Lage der nachfolgenden Bauteilschicht bereitgestellt. Korrekturfaktoren, insbesondere für Downskin-Bereiche, d. h. Oberflächenbereiche oder oberflächennahe Bereiche eines Bauteils, die im Fertigungsprozess in der Fertigungsvorrichtung oberhalb von unverfestigtem Pulver liegen und an dieses angrenzen, werden dann bevorzugt aus den Prozessraum-Kontrolldatensätzen beider Bauteilschichten abgeleitet. Es wird also bei der Wahl der Sonderbereiche zusätzlich die nachfolgende Bauteilschicht betrachtet, also im Grunde die Soll-Formen dieser Bauteilschichten.
  • Die Erfindung hat den zusätzlichen Vorteil, dass zumindest während einer Fertigung von Bauteilen mit verminderten Abkühlzeiten gerechnet werden kann. Zudem können Fertigungen auch mit höherer Packungsdichte durchgeführt werden, da temperaturbedingte Abstände von Bauteilen zueinander verringert werden können.
  • Bisher wurde ein besonderer Wert auf Ausführungsformen gelegt, die Steuerdaten derma-ßen korrigieren, dass Inhomogenitäten in der Temperaturverteilung während der Fertigung kompensiert werden. Es kann jedoch auch bewusst durch eine Korrektur in einem Sonderbereich eine andere Temperatur eingestellt werden, als in einem anderen (benachbarten) Bereich.
  • Häufig entstehen in einem Bauteil ungewünschte innere Spannungen, die zu nachteilhaften Bauteileigenschaften wie z.B. Rissen oder Verformungen führen können. Um solche Spannungen aufzulösen bzw. zu verringern, kann eine Wärmebehandlung des Bauteils erfolgen, z.B. bei metallischen Bauteilen ein Nachglühen mit einem optionalen anschließenden Abschrecken. Je nach erwünschter Qualität kann eine nachträgliche Wärmebehandlung sogar zwingend sein. Dazu werden die Bauteile nach ihrer Fertigung in einem Ofen auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt und danach ggf. in einem Flüssigkeitsbad abgekühlt. Für eine Wärmebehandlung liegt die Temperatur in der Kammer in der Regel zwischen 300°C und 350°C. Eine übliche Temperatur für die Fertigung von Metallteilen liegt zwischen 250-300°C.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform nimmt sich dieses Problems an, und löst die Aufgabe, dass in dem Bauteil eine gewünschte Bauteileigenschaft durch eine unterschiedliche Wärmeverteilung von Bereichen der Schichten eingestellt werden soll. Eine solche Bauteileigenschaft ist bevorzugt eine besondere Struktur des inneren Gefüges und/oder eine innere Spannungsstruktur oder eine weitere mechanische Eigenschaft. Bei einer mechanischen Eigenschaft kann es sich insbesondere um eine vorgegebene Härte, eine mechanische Festigkeit, eine Dichte und/oder eine Porosität des Bauteils handeln. Eine besondere Aufgabe ist es, ein Bauteil mit Bereichen unterschiedlichen Gefüges zu erzeugen, welches mechanische Eigenschaften des Bauteils bestimmt.
  • Eine besondere Aufgabe, welche durch die Erfindung gelöst werden könnte, wäre die Herstellung eines Bauteils, bei dem durch eine Wärmebehandlung ein Sonderbereich mit einer kleineren Porosität gebaut werden soll, der aufgrund seiner größeren Dichte eine bessere Härte und/oder mechanische Festigkeit hat.
  • Eine weitere besondere Aufgabe wäre die Herstellung eines Bauteils, bei dem die mechanische Festigkeit auch vom (unterschiedlichem) Gefüge der Bauteilbereiche beeinflusst werden soll. Zu dem Begriff „Gefüge“ wird angemerkt, dass sich dieser sowohl auf zusammenhaftende Körner als auch auf eine Kristallstruktur beziehen kann. Ein Korn muss dabei nicht unbedingt ein Kristall sein, kann aber durchaus Teil einer Kristallstruktur sein (z.B. die Körnung bei Metallen). Ein Gefüge kann durch eine (zueinander relative oder absolute) Anordnung und/oder durch eine (zueinander relative oder absolute) Größe und/oder durch eine Form der Kristalle bzw. Körner bestimmt sein.
  • Eine weitere besondere Aufgabe wäre die Herstellung eines Bauteils, bei dem Innere Spannungen aufgelöst werden sollen. In der Regel geht es hier um Spannungen, die sich während einer Abkühlung des Bauteils bilden. Es können aber auch gezielt innere Spannungen hergestellt werden.
  • Mit den nachfolgenden bevorzugten Ausführungsformen kann der Schritt der nachträglichen Wärmebehandlung, z.B. einem Nachglühen, vermieden oder vereinfacht werden. Dazu ist es erforderlich, dass das Bauteil während seiner Fertigung eine (ggf. viel) höhere Temperatur hat als bei seiner Fertigung normalerweise vorgesehen ist, zumindest in einigen Teilbereichen.
  • Ein Sonderbereich kann wie oben bevorzugt zur Herstellung einer besonders homogenen Temperaturverteilung bei der Fertigung dienen. Man könnte diesen Sonderbereich auch als „Homogenitäts-Sonderbereich“ bezeichnen. Ein Sonderbereich, der einer Wärmebehandlung dienen soll, könnte auch als „Wärmebehandlungs-Sonderbereich“ bezeichnet werden.
  • Bei dem Festlegen der Anzahl von Sonderbereichen kann diese Anzahl der Sonderbereiche eine Anzahl von Homogenitäts-Sonderbereichen und/oder eine Anzahl von Wärmebehandlungs-Sonderbereichen umfassen (ggf. auch beide Arten von Sonderbereichen). Ein vorbestimmtes, systematisches Fertigungsmerkmal eines Wärmebehandlungs-Sonderbereichs kann die Herstellung oder Auflösung einer inneren Spannung sein oder die Herstellung eines vorgegebenen Gefüges. In der Praxis werden insbesondere die Wärmebehandlungs-Sonderbereiche in der Regel fest vorgegeben.
  • Es können durchaus beide Typen von Sonderbereichen in einer Bauteilschicht vorliegen. Bevorzugt weist ein Wärmebehandlungs-Sonderbereich noch zusätzlich einen Homogenitäts-Sonderbereich auf, der einem Teilbereich, insbesondere dem Rand, des Wärmebehandlungs-Sonderbereichs entspricht. Dieser Homogenitäts-Sonderbereich hat den Vorteil, dass der Wärmebehandlungs-Sonderbereich sehr homogen mit einer (vorgegebenen) Temperatur behandelt werden kann.
  • Unabhängig von der Art des Sonderbereichs erfolgt die Zuordnung zum Prozessraum-Sensordatensatz jeweils gleich.
  • Was ein Korrekturfaktor-Modul betrifft, kann dieses entsprechend dem jeweiligen Sonderbereich als „Homogenitäts-Korrekturfaktor-Modul“ oder als „Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul“ bezeichnet werden. Ein Homogenitäts-Korrekturfaktor-Modul dient dazu, die Temperatur über einen Bereich der Bauteilschicht möglichst homogen zu gestalten, ein Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul dient dazu, die vorgegebene Temperatur so zu modifizieren, dass in einem Sonderbereich eine Wärmebehandlung während der Fertigung vorgenommen wird, indem dort eine vorgegebene Leistung vor, und/oder während und/oder nach einer Verfestigung eingebracht wird und der Sonderbereich dort mehr oder weniger erhitzt wird, als die umgebenden Bereiche oder eine Anzahl von weiteren Malen erhitzt wird. Ein Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul kann durchaus zu einer Korrektur führen, bei der ein Sonderbereich statt ein einziges Mal (mit einer höheren oder niedrigeren Temperatur) zwei oder mehrere Male bestrahlt wird (z.B. einmal zum Verfestigen und anschließend und/oder davor zur Wärmebehandlung).
  • Dient ein Homogenitäts-Korrekturfaktor-Modul also dazu, dass die zugewiesenen Korrekturfaktoren bzw. korrigierte Bestrahlungswerte zu einer homogenen Fertigung führen, so dient das Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul dazu, Korrekturfaktoren bzw. korrigierte Bestrahlungswerte zuzuweisen, mit denen ein betreffender Sonderbereich mit einer anderen Temperatur gefertigt oder behandelt wird, als die umgebenden Bereiche.
  • In einem bevorzugten Fall sind die Steuerdaten, die korrigiert werden, bereits so gestaltet, dass die Wärmebehandlung (für Bauteile aus Metall z.B. das Nachglühen) während der Fertigung erfolgt. Die Korrektur sorgt dann dafür, dass diese Wärmebehandlung im Bauteil homogen erfolgt und/oder stellt sicher, dass die gewünschte Temperatur bzw. die zur Wärmebehandlung notwendige Temperatur während der Herstellung erreicht wird. Die Bereiche, in denen eine Wärmebehandlung erfolgen soll, sind bevorzugt größer als die Sonderbereiche bzw. die Sonderbereiche sind ein Teil der Bereiche, in denen eine Wärmebehandlung erfolgen soll. Die Sonderbereiche sind hier also im Grunde Homogenitäts-Sonderbereiche.
  • Für eine Wärmebehandlung wird eine Laserleistung größer als 400 W, insbesondere größer als 600 W oder gar größer als 800 W bevorzugt. Die Laserleistung ist aber bevorzugt kleiner als 1200 W, insbesondere kleiner als 1100 W oder gar kleiner als 1000 W. Ein bevorzugter Fokusdurchmesser ist größer als 60 µm, insbesondere größer als 80 µm oder gar größer als 100 µm. Der Fokusdurchmesser ist aber bevorzugt kleiner als 10 mm, insbesondere kleiner als 1 mm. Besonders bevorzugte Fokusdurchmesser sind kleiner als 260 µm, insbesondere kleiner als 220 µm oder gar kleiner als 180 µm.
  • In dem Falle, dass herkömmliche Steuerdaten verwendet werden, ist das Korrekturfaktor-Modul im Grunde das oben genannte Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul. Dieses Modul weist einen Korrekturfaktor oder einen korrigierten Bestrahlungswert zu, der eine vorgegebene Strahlungsleistung umfasst. Es ist dabei bevorzugt, dass im Zuge des Korrigierens der Steuerdaten zusätzlich zum Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul noch ein Homogenitäts-Korrekturfaktor-Modul verwendet wird.
  • Ein Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul weist also Korrekturfaktoren bzw. korrigierte Bestrahlungswerte für eine Wärmebehandlung des betreffenden Sonderbereichs zu, welche die Temperatur vor und/oder bei und/oder nach der Verfestigung des Sonderbereichs so anheben oder absenken, dass der betreffende Sonderbereich mit einer höheren oder niedrigeren Temperatur gefertigt wird als benachbarte Bereiche, so dass dort während der Fertigung eine Wärmebehandlung erfolgt.
  • Es wird angemerkt, dass in dem Falle, dass sowohl ein Homogenitäts-Korrekturfaktor-Modul als auch ein Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul korrigierte Bestrahlungswerte zuweist, diese beiden Module Bestrahlungswerte bei dem Korrigieren der Steuerdaten berücksichtigt werden sollten. Es könnten dabei insbesondere Werte addiert werden, z.B. indem Zeitdauern, die für eine Strahlführung vorgegeben sind, addiert werden, so dass der Strahl eine längere Zeit zum Abfahren einer Bahn benötigt, also mehr Wärme dort einbringt. Das Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul kann aber auch dafür sorgen, dass ein weiteres Mal bestrahlt wird. Das Homogenitäts-Korrekturfaktor-Modul kann dafür sorgen, dass ein Homogenitäts-Sonderbereich innerhalb eines Wärmebehandlungs-Sonderbereichs anders wärmebehandelt wird als dessen Umgebung, um eine besonders homogene Wärmebehandlung zu erreichen.
  • Es ist mit der Ausführungsform möglich, eine besondere Wärmebehandlung zum Anpassen von weiteren Bauteileigenschaften vorzunehmen. Dabei werden ausgewählte Sonderbereiche des Bauteils gezielt mit einer anderen Temperatur wärmebehandelt als andere. Beispielsweise kann ein Innenbereich stärker oder schwächer aufgeheizt werden als ein Außenbereich oder es werden Bereiche, in denen bei der späteren Verwendung des Bauteils bestimmungsgemäß andere Kräfte herrschen, anders wärmebehandelt als andere Bauteilbereiche. Dadurch kann erreicht werden, dass einige Bereiche des Bauteils gezielt weicher oder härter oder spröder oder elastischer gestaltet werden können als andere Bereiche des Bauteils. Insbesondere können unterschiedliche Bereiche unterschiedlich thermisch behandelt werden, so dass sie ein unterschiedliches Gefüge aufweisen.
  • Dies kann auch mit bereits vorgefertigten Steuerdaten erreicht werden. Hierzu müssen aber bei der Korrektur der Steuerdaten darauf geachtet werden, dass beim Generieren des Korrekturfaktor-Moduls dessen Korrekturfaktoren so generiert werden, dass in dem betreffenden Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht eine Temperaturverteilung erreicht wird, die durch die vorgefertigten Steuerdaten vorgegeben ist. Dies sollte im Übrigen nicht nur bei einer besonderen Temperaturbehandlung erfolgen, sondern auch bei einer „normalen“ Fertigung, wenn unterschiedliche Fertigungstemperaturen gewünscht sind. Es könnten an Stelle der Korrekturfaktoren auch direkt korrigierte Bestrahlungswerte zugewiesen werden. Diese müssen dann aber auf den vorgefertigten Steuerdaten basieren und sollten so gestaltet sein, dass das gewünschte Temperaturprofil erreicht wird.
  • Bei einer Warmbehandlung (im Ofen) gemäß dem Stand der Technik muss, je nachdem welche Eigenschaften das resultierenden Bauteil haben soll, ein Kompromiss für Parameter gefunden werden: einige Teilbereiche könnten eine stärkere Wärmebehandlung benötigen, während andere eine schwächere bekommen sollen. Im Ofen kann aber nur eine durchschnittliche Temperatur über das Bauteil erreicht werden. Eine Wärmebehandlung gemäß der Erfindung ermöglicht, dass Teilbereiche des Bauteils Wärmebehandlungen mit unterschiedlichen Temperaturen erhalten können. Diese Teilbereiche können z.B. Bereiche sein, die besseren mechanischen Eigenschaften und/oder ein anderes Gefüge haben sollen als andere Bereiche. Es können auch gezielt Bereiche von der Wärmebehandlung ausgenommen oder erneut erhitzt werden. Es ist es bevorzugt, dass bereits verfestigte Bereiche nach der Verfestigung (ggf. mehrmals) erneut erhitzt werden. Die Wärmebehandlung erfolgt also in diesem Fall durch diese zusätzliche Erhitzung.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden „normale“ Steuerdaten für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht verwendet und diese dann basierend auf dem Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul (z.B. einer Wärmebehandlungs-Karte oder -Funktion) korrigiert. Das Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul gibt dabei besonders bevorzugt eine inhomogene Bestrahlung (für die inhomogene Wärmebehandlung) vor.
  • Die dermaßen korrigierten Steuerdaten werden dann an eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils ausgegeben, damit eine neue Bauteilschicht gefertigt werden kann. Diese neue Bauteilschicht bzw. ein Prozessraum-Sensordatensatz dieser neuen Bauteilschicht dient bevorzugt daraufhin wieder als Basis für einen erneuten Durchlauf des Verfahrens für die nächste Bauteilschicht.
  • Bevorzugt wird die Abkühlung von Bereichen einer Bauteilschicht durch Einstellen der Laserparameter kontrolliert, damit mittels eines gewünschten kontrollierten Abkühlungsverhaltens innere Spannungen vermindert bzw. vermieden werden. Es ist aber je nach Bauteil auch bevorzugt, das Abkühlverhalten durch Einstellen der Laserparameter derma-ßen zu kontrollieren, dass gezielt Spannungen entstehen. Es kann nämlich auch vorteilhaft sein, absichtlich innere Spannungen zu indizieren, damit das resultierende Bauteil daraus folgend bestimmte Eigenschaften aufweist (ähnlich wie bei temperiertem Glas).
  • Bevorzugt wird eine erhöhte Temperatur durch die Anpassung der Laserleistung und/oder des Strahlprofils erreicht.
  • Ein Sonderbereich, der während der Herstellung mit einer höheren effektiven Temperatur aufgrund der Strahlverformung bzw. der Intensitätsänderung erfährt (also ein Bereich, der eine Wärmebehandlung erfahren soll) könnte hier als ein „Überhitzungsbereich“ bezeichnet werden, wobei die Überhitzung durch eine Änderung der Strahlung absichtlich induziert wird.
  • Es ist im Rahmen der Erfindung auch bevorzugt, dass die Laserintensität in einigen Sonderbereichen graduell reduziert wird, damit das Bauteil oder ein Teilbereich des Bauteils kontrolliert abgekühlt wird.
  • Das (Wärmebehandlungs-)Korrekturfaktor-Modul kann zuletzt, insbesondere nach der Fertigung des Bauteils abgespeichert und zur Fertigung weiterer Bauteile verwendet werden.
  • Betrachtet man das erfindungsgemäße Verfahren, so könnte für eine bevorzugte Ausführungsform, bei der die Wärmebehandlung im Zuge einer Korrektur von „normalen“ Steuerdaten erfolgt, so aussehen:
    • - Generieren eines Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Moduls, welches zumindest einem Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht Korrekturfaktoren oder korrigierte Bestrahlungswerte für eine Wärmebehandlung zuweist, wobei die Korrekturfaktoren oder die korrigierten Bestrahlungswerte für die Wärmebehandlung aus vorgegebenen Bedingungen generiert werden und in zumindest einem Teil der Sonderbereiche gemäß anderen Regeln generiert werden als in anderen Bereichen der Soll-Form außerhalb der Sonderbereiche,
    • - (bevorzugt zusätzlich:) Generieren eines Homogenitäts-Korrekturfaktor-Moduls, welches zumindest einem Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht Korrekturfaktoren oder korrigierte Bestrahlungswerte zuweist, wobei die Korrekturfaktoren oder die korrigierten Bestrahlungswerte aus dem Prozessraum-Sensordatensatz generiert werden und in den Sonderbereichen gemäß anderen Regeln generiert werden als in anderen Bereichen der Soll-Form außerhalb der Sonderbereiche,
    • - Korrigieren von Steuerdaten für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht basierend auf dem Homogenitäts-Korrekturfaktor-Modul und dem Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul,
    • - Ausgeben der korrigierten Steuerdaten an eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils.
  • Kurz gesagt lässt sich mit diesen besonderen Ausführungsformen über die Dauer des Bauprozesses ein bestimmtes hohes Temperaturniveau global oder lokal über das Bauteil halten. Bei einer lokalen Differenzierung können gezielt Bereiche erzeugt werden, welche lokal andere Eigenschaften haben als das Gesamtbauteil. Grundsätzlich eignet sich z.B. ein Big-Spot bzw. Beam-Shaping Prozess hierzu besser als ein Standardprozess, da deutlich mehr Leistung zur Verfügung steht, um ein Teil deutlich „heißer“ als notwendig zu bauen. Dadurch kann eine nachfolgende Wärmebehandlung eingespart werden oder dazu verwendet werden, die Bauteileigenschaften auf eine weitere besondere Weise anzupassen, z.B. indem der Wandbereich des Bauteils nochmals besonders gehärtet wird.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
    • 1 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur additiven Fertigung,
    • 2 eine Skizze für einen Energieeintrag und Korrekturfaktoren am Rand einer Bauteilschicht,
    • 3 einen möglichen Prozessraum-Sensordatensatz für eine Bauteilschicht und deren Soll-Form,
    • 4 ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 5 Komponenten zur Fertigung eines Bauteils,
    • 6 eine normale Korrektur von Steuerdaten gemäß dem Stand der Technik,
    • 7 eine optimierte Korrektur von Steuerdaten.
  • Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung von Bauteilen in Form einer selektiven Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung beschrieben, wobei explizit noch einmal darauf hingewiesen ist, dass die Erfindung nicht auf selektive Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtungen beschränkt ist. Die Vorrichtung wird im Folgenden - ohne eine Beschränkung der Allgemeinheit - daher kurz als „Fertigungsvorrichtung“ 1 bezeichnet.
  • Eine solche Fertigungsvorrichtung 1 ist schematisch in 1 gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Prozesskammer 3 bzw. einen Prozessraum 3 mit einer Kammerwandung 4 auf, in der im Wesentlichen der Fertigungsprozess abläuft. In der Prozesskammer 3 befindet sich ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6. Die obere Öffnung des Behälters 5 bildet die jeweils aktuelle Arbeitsebene 7. Der innerhalb der Öffnung des Behälters 5 liegende Bereich dieser Arbeitsebene 7 kann zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden und wird daher als Baufeld 8 bezeichnet.
  • Der Behälter 5 weist eine in einer vertikalen Richtung V bewegliche Grundplatte 11 auf, die auf einem Träger 10 angeordnet ist. Diese Grundplatte 11 schließt den Behälter 5 nach unten ab und bildet damit dessen Boden. Die Grundplatte 11 kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein, sie kann aber auch eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein und an dem Träger 10 befestigt oder auf diesem einfach gelagert sein. Je nach Art des konkreten Aufbaumaterials, also beispielsweise des verwendeten Pulvers, und des Fertigungsprozesses kann auf der Grundplatte 11 eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Grundsätzlich kann das Objekt 2 aber auch auf der Grundplatte 11 selbst aufgebaut werden, die dann die Bauunterlage bildet.
  • Der grundsätzliche Aufbau des Objekts 2 erfolgt, indem eine Schicht Aufbaumaterial 13 zunächst auf die Bauplattform 12 aufgebracht wird, dann - wie später erläutert - mit einem Laserstrahl 22 als Energiestrahl an den Punkten, welche Teile des zu fertigenden Objekts 2 bilden sollen, das Aufbaumaterial 13 selektiv verfestigt wird, dann mit Hilfe des Trägers 10 die Grundplatte 11, somit die Bauplattform 12 abgesenkt wird und eine neue Schicht des Aufbaumaterials 13 aufgetragen und selektiv verfestigt wird usw. In 1 ist das in dem Behälter auf der Bauplattform 12 aufgebaute Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt. Es weist bereits mehrere verfestigte Schichten auf, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13. Als Aufbaumaterial 13 können verschiedene Materialien verwendet werden, vorzugsweise Pulver, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver oder auch pastöse Materialien sowie optional eine Mischung mehrerer Materialien.
  • Frisches Aufbaumaterial 15 befindet sich in einem Vorratsbehälter 14 der Fertigungsvorrichtung 1. Mit Hilfe eines in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichters 16 kann das Aufbaumaterial in der Arbeitsebene 7 bzw. innerhalb des Baufelds 8 in Form einer dünnen Schicht aufgebracht werden.
  • Optional befindet sich in der Prozesskammer 3 eine zusätzliche Strahlungsheizung 17. Diese kann zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 13 dienen, so dass die für die selektive Verfestigung genutzte Bestrahlungseinrichtung nicht zu viel Energie einbringen muss. Das heißt, es kann beispielsweise mit Hilfe der Strahlungsheizung 17 schon eine Menge an Grundenergie in das Aufbaumaterial 13 eingebracht werden, welche natürlich noch unterhalb der notwendigen Energie ist, bei der das Aufbaumaterial 13 verschmilzt oder sintert. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler oder VCSEL-Strahler genutzt werden.
  • Zum selektiven Verfestigen weist die Fertigungsvorrichtung 1 eine Bestrahlungsvorrichtung 20 bzw. konkret Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21 auf. Dieser Laser 21 erzeugt einen Laserstrahl 22, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt wird, um so die gemäß der Belichtungsstrategie vorgesehenen Belichtungspfade oder Spuren (Hatchlinien) in der jeweils selektiv zu verfestigenden Schicht abzufahren und selektiv die Energie einzubringen. Weiter wird dieser Laserstrahl 22 durch eine Fokussiereinrichtung 24 auf die Arbeitsebene 7 in geeigneter Weise fokussiert. Die Bestrahlungsvorrichtung 20 befindet sich hier vorzugsweise außerhalb der Prozesskammer 3 und der Laserstrahl 22 wird über ein an der Oberseite der Prozesskammer 3 in der Kammerwandung 4 angebrachtes Einkoppelfenster 25 in die Prozesskammer 3 geleitet.
  • Die Bestrahlungsvorrichtung 20 kann beispielsweise nicht nur einen, sondern mehrere Laser umfassen. Vorzugsweise kann es sich hierbei um Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z. B. Laserdioden handeln, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) oder eine Zeile dieser Laser. Ganz besonders bevorzugt können im Rahmen der Erfindung ein oder mehrere unpolarisierte Single-Mode-Laser, z. B. ein 3 kW-Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1070 nm, eingesetzt werden.
  • Die Fertigung wird mit der Sensoranordnung 18 überwacht. Diese kann z.B. einen Strahlungssensor, z.B. eine Wärmebildkamera, umfassen und misst ortsaufgelöste Wärmedaten einer Anzahl von Bereichen einer Bauteilschicht B.
  • Zur Steuerung der Einheiten der Fertigungsvorrichtung 1 dient eine Steuereinrichtung 30 umfassend eine Steuereinheit 29, welche die Komponenten der Bestrahlungsvorrichtung 20, nämlich hier den Laser 21, die Umlenkvorrichtung 23 und die Fokussiervorrichtung 24, ansteuert und hierzu an diese entsprechend Steuerdaten PS übergibt.
  • Die Steuereinheit 29 steuert auch mittels geeigneter Heizungssteuerdaten HS die Strahlungsheizung 17 an, mittels Beschichtungssteuerdaten ST den Beschichter 16 und mittels Trägersteuerdaten TS die Bewegung des Trägers 10 und steuert somit die Schichtdicke.
  • Die Steuereinrichtung 30 ist, hier z. B. über einen Bus 60 oder eine andere Datenverbindung, mit einem Terminal 40 mit einem Display oder dergleichen gekoppelt. Über dieses Terminal 40 kann ein Bediener die Steuereinrichtung 30 und somit die gesamte Lasersintervorrichtung 1 steuern, z. B. durch Übermittlung von Prozesssteuerdaten PS.
  • Um den Produktionsprozess zu optimieren, werden mittels einer Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 in der erfindungsgemäßen Weise die Steuerdaten PS so generiert bzw. so modifiziert, dass die Ansteuerung der Vorrichtung 1 zumindest zeitweise in einem erfindungsgemäßen Modus erfolgt.
  • Die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 umfasst hier eine Datenschnittstelle 35, ausgelegt zum Empfang eines Prozessraum-Kontrolldatensatzes KD umfassend Informationen zu einer Soll-Form F der aktuell verfestigten Bauteilschicht B, und des Prozessraum-Sensordatensatzes SD der aktuell verfestigten Bauteilschicht B des Bauteils 2 (s. z.B. 3). Der Prozessraum-Sensordatensatz SD umfasst dabei die mittels der Sensoranordnung 18 aufgenommenen ortsaufgelösten Wärmedaten.
  • Des Weiteren umfasst die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 eine Registrierungs-Einheit 36, ausgelegt zum Festlegen einer Anzahl von Sonderbereichen S in der Soll-Form F, wobei jeder Sonderbereich S ein Bereich mit vorbestimmten, systematischen Formmerkmalen und/oder Fertigungsmerkmalen in der Bauteilschicht B ist. Zudem ist die Registrierungseinheit 36 zum Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen S zu entsprechenden Bereichen der Anzahl von Bereichen im Prozessraum-Sensordatensatz SD ausgelegt.
  • Zusätzlich umfasst die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 eine Moduleinheit 37, ausgelegt zum Generieren einer Korrekturfaktor-Karte KK als Korrekturfaktor-Modul KK. Diese Korrekturfaktor-Karte KK weist zumindest einem Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht B1 Korrekturfaktoren KF oder die korrigierte Bestrahlungswerte zu. Die Korrekturfaktoren KF oder korrigierten Bestrahlungswerte werden dabei aus dem Prozessraum-Sensordatensatz SD generiert und in den Sonderbereichen S gemäß anderen Regeln generiert als außerhalb der Sonderbereiche S.
  • Darüber hinaus umfasst die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 eine Korrektureinheit 38, ausgelegt zum Korrigieren von Steuerdaten PS für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht B1 basierend auf der Korrekturfaktor-Karte KK.
  • Eine Ausgabe der korrigierten Steuerdaten PS an die Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines Bauteils 2 kann in diesem Beispiel dann wieder über die Datenschnittstelle 35 erfolgen, wobei dafür aber auch eine andere Datenschnittstelle verwendet werden kann.
  • Es wird an dieser Stelle auch noch einmal darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Fertigungsvorrichtung 1 beschränkt ist. Sie kann auf andere Verfahren zum generativen bzw. additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials angewendet werden, wobei ein Energiestrahl zum Verfestigen auf das zu verfestigende Aufbaumaterial abgegeben wird. Dementsprechend kann auch die Bestrahlungsvorrichtung nicht nur, wie hier beschrieben, ein Laser sein, sondern es könnte jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie als Wellen- oder Teilchenstrahlung selektiv auf bzw. in das Aufbaumaterial gebracht werden kann. Beispielsweise könnte anstelle eines Lasers eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl etc. verwendet werden.
  • Auch wenn in 1 nur ein einzelnes Objekt 2 bzw. Bauteil 2 dargestellt wird, ist es möglich und in der Regel auch üblich, mehrere Objekte in der Prozesskammer 3 bzw. im Behälter 5 zeitlich parallel herzustellen. Dazu wird das Aufbaumaterial schichtweise an Stellen, die den Querschnitten der Objekte in der jeweiligen Schicht entsprechen, durch den Energiestrahl 22 abgetastet.
  • 2 zeigt eine Skizze für einen Energieeintrag und Korrekturfaktoren KF am Rand einer Bauteilschicht B. Der Pfeil unten deutet eine räumliche Komponente an, der Pfeil links einen Stärkewert. Die durchgezogene vertikale Linie soll den Rand der Bauteilschicht B symbolisieren und die benachbarte gestrichelte Linie die Grenze eines Sonderbereichs S, der zwischen diesen beiden Linien liegt. Der Bereich zwischen der gestrichelten und der strichpunktierten vertikalen Linie kann als benachbarter, normaler Bereich angesehen werden.
  • Die durchgezogenen Linien zeigen zwei mögliche Temperaturverläufe in einem Prozessraum-Sensordatensatz SD, wobei die obere Linie einen Temperaturverlauf eines überhitzten Bauteilrandbereichs, die untere Linie einen Temperaturverlauf in einem nicht überhitzten Bauteilrandbereich anzeigt.
  • Die gestrichelten Linien zeigen zwei mögliche Korrekturfaktoren KF für die jeweiligen durchgezogenen Linien, wenn ein Sonderbereich (Bauteilrandbereich) nicht gesondert behandelt werden würde, sondern analog zu dem Bauteilinnenbereich (kein Sonderbereich). Die gepunkteten Linien in der Mitte zeigen die geänderten Korrekturfaktoren für den Bauteilrandbereich (Sonderbereich S) für die beiden oben genannten Fälle.
  • 3 zeigt einen möglichen Prozessraum-Sensordatensatz SD (links) für eine Bauteilschicht B und deren Soll-Form F in einem Prozessraum-Kontrolldatensatz KD (rechts). An ihren Enden sieht man in dem Prozessraum-Sensordatensatz SD der Bauteilschicht B Stellen, in denen eine Überhitzung aufgetreten ist (dunkler schraffiert). Diese Inhomogenitäten der Temperaturverteilung können in nachfolgenden Schichten kompensiert werden, insbesondere, wenn in der Soll-Form F ein Sonderbereich S ausgewiesen wird (s. 6 und 7). Die beiden Pfeile deuten an, dass die Soll-Form in einen „normalen Bereich“ (unten, ohne Umrandung dargestellt) und einen Sonderbereich S (nur Umrandung) segmentiert werden kann.
  • Wohlgemerkt werden nicht die überhitzten Bereiche als Sonderbereiche S angesehen, da der Überhitzung im „Inneren“ bei der Fertigung der nächsten Bauteilschicht mittels eines einfach ermittelbaren Korrekturfaktors KF entgegengewirkt werden kann (s. z.B. das Verfahren in 4). Am Rand R sieht es jedoch anders aus. Hier muss der Korrekturfaktor KF auf andere Weise ermittelt werden, z.B. durch Interpolation oder indem Korrekturfaktoren KF benachbarter Innenbereiche verwendet werden. Daher wird der Rand R hier als Sonderbereich S angesehen.
  • 4 zeigt ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Generierung von Steuerdaten PS für eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines Bauteils 2 in einem Fertigungsprozess (s. 1), in welchem in einem Baufeld 8 das Bauteil 2 in Form von Bauteilschichten B durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial 13, z.B. umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials 13 mit zumindest einem Energiestrahl 22 aufgebaut wird.
  • In Schritt I erfolgt eine Aufnahme eines Prozessraum-Sensordatensatzes SD einer aktuell verfestigten Bauteilschicht B des Bauteils 2 mittels einer Sensoranordnung 18, wobei der Prozessraum-Sensordatensatz SD zumindest ortsaufgelöste Wärmestrahlungsdaten einer Anzahl von Bereichen dieser Bauteilschicht B umfasst.
  • In Schritt II wird ein Prozessraum-Kontrolldatensatz KD mit Informationen zu einer Soll-Form F der aktuell verfestigten Bauteilschicht B bereitgestellt. Dies kann z.B. basierend auf CAD-Daten des Bauteils 2 oder aus vorgegebenen Steuerdaten PS erfolgen.
  • In Schritt III wird eine Anzahl von Sonderbereichen S in der Soll-Form F festgelegt, wobei jeder Sonderbereich S ein Bereich mit vorbestimmten, systematischen Formmerkmalen und/oder Fertigungsmerkmalen in der Bauteilschicht B ist. Hier ist der Bauteil-Randbereich der Bauteilschicht B als Sonderbereich gestrichelt markiert.
  • In Schritt IV wird die Anzahl von Sonderbereichen S zu entsprechenden Bereichen der Anzahl von Bereichen im Prozessraum-Sensordatensatz SD zugeordnet. Dies kann z.B. mittels einer Bildregistrierung erfolgen. Im Prozessraum-Sensordatensatz SD sind in der Bauteilschicht unterschiedliche Schraffuren zu erkennen. Diese sollen unterschiedliche gemessene Temperaturen bzw. abgestrahlte Wärmemengen symbolisieren.
  • In Schritt V wird eine Korrekturfaktor-Karte KK als Korrekturfaktor-Modul KK generiert, welche zumindest einem Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht B1 Korrekturfaktoren KF oder korrigierte Bestrahlungswerte zuweist (s. z.B. 6 und 7). Hier werden z.B. Korrekturfaktoren KF generiert, indem für „normale“ Bereiche jeweils ein Wert gewählt wird, der umso geringer ist, je wärmer der entsprechende Bereich der Bauteilschicht B in Schritt IV war. Für den Sonderbereich S wird anders vorgegangen. Hier könnten für die Korrekturfaktoren KF die Korrekturfaktoren KF benachbarter „normaler“ Bereiche verwendet werden oder die Korrekturfaktoren KF aus vorgegebenen, konstanten Korrekturfaktoren KF gebildet werden. Sie könnten aber auch durch interpolierende Verfahren ermittelt werden oder basierend auf einem Modell einer theoretischen Temperaturänderung.
  • In diesem Schritt V werden die (ursprünglichen) Steuerdaten PS für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht B1 basierend auf der Korrekturfaktor-Karte KK korrigiert.
  • Als Ergebnis des Verfahrens werden die korrigierten Steuerdaten PS wieder an die Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung des Bauteils 2 zur Fertigung der nächsten Bauteilschicht ausgegeben.
  • 5 zeigt Komponenten zur Fertigung eines Bauteils 2, die in der Fertigungsvorrichtung 1 angeordnet oder damit verknüpft sein können. Im Unterschied zu 1 wurde hier eine vereinfachte Darstellung gewählt, die nur die für das Verfahren wichtigsten Komponenten zeigt. Im fett umrandeten Kasten links sind wieder die Bestrahlungssteuerschnittstelle 31 und die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 mit Datenschnittstelle 35, Registrierungs-Einheit 36, Moduleinheit 37 und Korrektureinheit 38 zu sehen. Diese erhalten von links Steuerdaten PS, welche durch Korrekturfaktor-Karten KK als Korrekturfaktor-Module KK korrigiert werden und in korrigierter Form der Bestrahlungssteuerschnittstelle 31 zugehen. Die Sensoranordnung 18 liefert den dazu nötigen Prozessraum-Sensordatensatz SD. Die Umlenkvorrichtung 23 und der Laser 21 wird dann entsprechend der korrigierten Steuerdaten PS zur Fertigung der nächsten Bauteilschicht B mit dem Energiestrahl 22 gesteuert. Die Korrekturfaktor-Karten KK werden hier noch in der Speichereinheit 39 abgespeichert.
  • 6 und 7 skizzieren eine Korrektur von Steuerdaten PS. In der unteren Zeile sind die ortsaufgelösten Wärmedaten von mehreren unmittelbar übereinanderliegenden Bauteilschicht B, B1, B2 zu sehen. Diese werden von der Sensoranordnung 18 als Prozessraum-Sensordatensatz SD aufgenommen und es werden nach dem Verfahren wie in 4 skizziert Korrekturfaktor-Karten KK als Korrekturfaktor-Module KK erstellt (obere Zeile). Zu erkennen ist, dass die Korrekturfaktor-Karten KK wie ein Negativbild der Wärmeverteilungen aussehen. Dies liegt daran, dass bei einer zu großen lokalen Wärme an dieser Stelle im nächsten Fertigungsschritt eine geringere Energie eingebracht werden soll.
  • In 6 wird eine normale Korrektur ohne die Berücksichtigung von Sonderbereichen S angewandt. Man sieht, dass sich innerhalb der Innenfläche der Bauteilschicht zuletzt (Bauteilschicht B2 rechts unten) eine homogene Temperarturverteilung einstellt, jedoch der Rand einen zu starken Energieeintrag erfährt (mit einer dicken Randlinie angedeutet). Dies wird jedoch von der Sensoranordnung 18 nicht wahrgenommen, da diese am Rand auch unverfestigte Bereiche „sieht“ und deren Temperatur mit der Temperatur des Randbereichs aufgrund der begrenzten Auflösung vermischt.
  • 7 zeigt eine optimierte Korrektur mit einer Berücksichtigung von Sonderbereichen S. Hier wird der Randbereich als Sonderbereich S angesehen und die Korrekturfaktoren dort anders ermittelt, z.B. indem Korrekturfaktoren benachbarter Innenbereiche verwendet werden. Es ergibt sich dadurch eine gute Homogenität der Temperaturverteilung auch im Randbereich (Bauteilschicht B2 rechts unten).
  • Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel könnte eine Verfestigung anstatt mit Laserlicht auch mit anderen Energiestrahlen erfolgen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können. Der Ausdruck „eine Anzahl“ ist als „mindestens ein(e)“ zu verstehen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung zur additiven Fertigung / Lasersintervorrichtung
    2
    Bauteil / Objekt
    3
    Prozessraum / Prozesskammer
    4
    Kammerwandung
    5
    Behälter
    6
    Behälterwandung
    7
    Arbeitsebene
    8
    Baufeld
    10
    Träger
    11
    Grundplatte
    12
    Bauplattform
    13
    Aufbaumaterial (im Behälter 5)
    14
    Vorratsbehälter
    15
    Aufbaumaterial (im Vorratsbehälter 14)
    16
    Beschichter
    17
    Strahlungsheizung
    18
    Sensoranordnung
    20
    Bestrahlungsvorrichtung / Belichtungsvorrichtung
    21
    Laser
    22
    Laserstrahl / Energiestrahl
    23
    Umlenkvorrichtung / Scanner
    24
    Fokussiereinrichtung
    25
    Einkoppelfenster
    29
    Steuereinheit
    30
    Steuereinrichtung
    31
    Bestrahlungssteuerschnittstelle
    34
    Steuerdatenerzeugungsvorrichtung
    35
    Datenschnittstelle
    36
    Registrierungs-Einheit
    37
    Moduleinheit
    38
    Korrektureinheit
    39
    Speichereinheit
    40
    Terminal
    60
    Bus
    B, B1, B2
    Bauteilschicht
    F
    Soll-Form
    H
    horizontale Richtung
    HS
    Heizungssteuerdaten
    KD
    Prozessraum-Kontrolldatensatz
    KF
    Korrekturfaktor
    KK
    Korrekturfaktor-Karte / Korrekturfaktor-Modul
    PS
    Prozesssteuerdaten
    S
    Sonderbereich
    SD
    Prozessraum-Sensordatensatz
    ST
    Beschichtungssteuerdaten
    TS
    Trägersteuerdaten
    V
    vertikale Richtung

Claims (15)

  1. Verfahren zur Generierung von Steuerdaten (PS) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) aufgebaut wird, das Verfahren umfassend die Schritte: - Aufnahme eines Prozessraum-Sensordatensatzes (SD) einer aktuell verfestigten Bauteilschicht (B) des Bauteils (2) mittels einer Sensoranordnung (18), wobei der Prozessraum-Sensordatensatz (SD) zumindest ortsaufgelöste Wärmedaten einer Anzahl von Bereichen dieser Bauteilschicht (B) umfasst, - Bereitstellen eines Prozessraum-Kontrolldatensatzes (KD) umfassend Informationen zu einer Soll-Form (F) der aktuell verfestigten Bauteilschicht (B), - Festlegen einer Anzahl von Sonderbereichen (S) in der Soll-Form (F), wobei jeder Sonderbereich (S) ein Bereich mit vorbestimmten, systematischen Formmerkmalen und/oder Fertigungsmerkmalen in der Bauteilschicht (B) ist, - Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen (S) zu entsprechenden Bereichen der Anzahl von Bereichen im Prozessraum-Sensordatensatz (SD), - Generieren eines Korrekturfaktor-Moduls (KK), welches zumindest einem Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht (B1) Korrekturfaktoren (KF) oder korrigierte Bestrahlungswerte zuweist, wobei die Korrekturfaktoren (KF) oder die korrigierten Bestrahlungswerte aus dem Prozessraum-Sensordatensatz (SD) generiert werden und in den Sonderbereichen (S) gemäß anderen Regeln generiert werden als in anderen Bereichen der Soll-Form (F) außerhalb der Sonderbereiche (S), - Korrigieren von Steuerdaten (PS) für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht (B1) basierend auf dem Korrekturfaktor-Modul (KK), - Ausgeben der korrigierten Steuerdaten (PS) an eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2).
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei vor dem Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen (S) an die entsprechenden Bereiche im Prozessraum-Sensordatensatz (SD) der Prozessraum-Sensordatensatz (SD) gemäß bestehender Kalibrierdaten oder gemäß einer Anpassungsfunktion angepasst wird, bevorzugt wobei - zuerst eine Kalibrierung der Sensoranordnung erfolgt und der Prozessraum-Sensordatensatz mit der kalibrierten Sensoranordnung aufgenommen wird oder - vorgefertigte Kalibrierdaten vorliegen und der Prozessraum-Sensordatensatz nach seiner Aufnahme durch die Sensoranordnung angepasst wird, bevorzugt wobei mittels eines Anpassungsalgorithmus die Sonderbereiche auf entsprechende Bereiche im Prozessraum-Sensordatensatz registriert oder dort anderweitig abgebildet werden.
  3. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Sonderbereich (S) - ein Bauteil-Randbereich der Bauteilschicht ist, und/oder - ein Bereich der Bauteilschicht ist, in dem Verfestigungsbahnen miteinander überlappen, insbesondere deren Anfangs- oder Endbereiche, und/oder - ein Bereich ist, in dem sich ein Hatching-Streifen verjüngt, und/oder - ein Bereich ist, der kleiner als die optische Auflösung der Sensoranordnung (18) ist, und/oder - ein Bereich mit Supportstrukturen ist.
  4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen (S) an die entsprechenden Positionen im Prozessraum-Sensordatensatz (SD) mittels einer Bildregistrierung erfolgt, insbesondere mittels eines Verfahrens basierend auf Enhanced Correlation Coefficients.
  5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Korrekturfaktoren (KF) des Korrekturfaktor-Moduls (KK) für einen Sonderbereich (S) - aus den Korrekturfaktoren (KF) für eine Anzahl von an den Sonderbereich (S) angrenzenden Bauteilbereichen der Soll-Form (F) interpoliert oder extrapoliert werden, insbesondere durch Interpolation von Korrekturfaktoren (KF) gegenüberliegender Bauteilbereiche oder eines Bauteilbereichs und vorgegebenen Werten außerhalb des Bauteils, oder Korrekturfaktoren (KF) eines Bauteilbereichs verwendet werden, - aus vorgegebenen, konstanten Korrekturfaktoren (KF) gebildet werden, - durch interpolierende Verfahren aus der Bildverarbeitung ermittelt werden, die auf einer stetigen Fortsetzung der Grauwerte basieren, insbesondere basierend auf Einfärbungs-Algorithmen oder Inpainting-Algorithmen, - basierend auf einem Modell einer theoretischen Temperaturänderung gebildet werden.
  6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei vorbestimmte maximale und/oder minimale Werte für einen Korrekturfaktor (KF) vorliegen, insbesondere ein Grenzwert-Modul mit ortsaufgelösten maximalen und/oder minimalen Werten, und die Korrekturfaktoren (KF) so generiert werden, dass sie die maximalen Werte nicht überschreiten und/oder die minimalen Werte nicht unterschreiten.
  7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zum Generieren des Korrekturfaktor-Moduls (KK) die Korrekturfaktoren (KF) aus dem Prozessraum-Sensordatensatz (SD) außerhalb der Anzahl der Sonderbereiche (S) mittels eines Reglers, insbesondere eines PD-Reglers, eines PI-Reglers oder eines PID-Reglers, generiert werden, und innerhalb der Anzahl der Sonderbereiche (S) bevorzugt - ohne den Regler generiert werden, oder - zunächst mittels des Reglers generiert werden und anschließend korrigiert werden oder - zunächst die entsprechenden Werte des Prozessraum-Sensordatensatzes (SD) korrigiert werden und danach die Korrekturfaktoren (KF) mittels des Reglers generiert werden.
  8. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren für mehrere aufeinanderfolgende Bauteilschichten (B, B1, B2) angewandt wird, bevorzugt wobei Steuerdaten (PS) zusammen mit einer Anzahl entsprechender Korrekturfaktor- Module (KK) und/oder korrigierten Steuerdaten (PS) abgespeichert werden, bevorzugt wobei für die Korrektur von Steuerdaten (PS) für ein Bauteil (2) - ausschließlich Daten des Korrekturfaktor-Moduls (KK) verwendet werden, die aus einer Bauteilschicht (B) dieses Bauteils (2) generiert wurden oder - Daten eines Korrekturfaktor-Moduls (KK) verwendet werden, die aus einer gleichförmigen Bauteilschicht (B) eines anderen Bauteils (2) generiert wurden.
  9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zum Festlegen einer Anzahl von Sonderbereichen (S) in der aktuell verfestigten Bauteilschicht (B) zusätzlich zu einem Prozessraum-Kontrolldatensatz (KD) Informationen zu einer Form und/oder Lage der nachfolgenden Bauteilschicht (B1) bereitgestellt werden und Korrekturfaktoren (KF), insbesondere für Downskin-Bereiche, aus den Prozessraum-Kontrolldatensätzen (KD) beider Bauteilschichten (B, B1) abgeleitet werden.
  10. Steuerdaten (PS) zur Steuerung einer Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung, welche nach einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche korrigiert worden sind.
  11. Fertigungsverfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (2), wobei in einem Baufeld (8) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) gemäß den Steuerdaten (PS) nach Anspruch 10 aufgebaut wird, wobei zur Erstellung von Bauteilschichten (B, B1, B2) des Bauteils (2) der Energiestrahl (22) innerhalb festgelegter Bereiche gemäß diesen Steuerdaten (PS) über das Baufeld (8) bewegt wird.
  12. Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (34) zur Generierung von Steuerdaten (PS) nach Anspruch 10 für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) aufgebaut wird, die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (34) umfassend: - eine Datenschnittstelle (35), ausgelegt zum Empfang eines Prozessraum-Kontrolldatensatzes (KD) umfassend Informationen zu einer Soll-Form (F) der aktuell verfestigten Bauteilschicht (B), und eines Prozessraum-Sensordatensatzes (SD) einer aktuell verfestigten Bauteilschicht (B) des Bauteils (2) aufgenommen mittels einer Sensoranordnung (18), wobei der Prozessraum-Sensordatensatz (SD) zumindest ortsaufgelöste Wärmedaten einer Anzahl von Bereichen dieser Bauteilschicht (B) umfasst, - eine Registrierungs-Einheit (36), ausgelegt zum Festlegen einer Anzahl von Sonderbereichen (S) in der Soll-Form (F), wobei jeder Sonderbereich (S) ein Bereich mit vorbestimmten, systematischen Formmerkmalen und/oder Fertigungsmerkmalen in der Bauteilschicht (B) ist, und zum Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen (S) zu entsprechenden Bereichen der Anzahl von Bereichen im Prozessraum-Sensordatensatz (SD), - eine Moduleinheit (37), ausgelegt zum Generieren eines Korrekturfaktor-Moduls (KK), welches zumindest einem Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht (B1) Korrekturfaktoren (KF) oder die korrigierte Bestrahlungswerte zuweist, wobei die Korrekturfaktoren (KF) oder korrigierten Bestrahlungswerte aus dem Prozessraum-Sensordatensatz (SD) generiert werden und in den Sonderbereichen (S) gemäß anderen Regeln generiert werden als außerhalb der Sonderbereiche (S), - eine Korrektureinheit (38), ausgelegt zum Korrigieren von Steuerdaten (PS) für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht (B1) basierend auf dem Korrekturfaktor-Modul (KK), - eine Datenschnittstelle (35), ausgelegt zum Ausgeben der korrigierten Steuerdaten (PS) an eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2).
  13. Steuereinrichtung (30) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) mittels einer Bestrahlungsvorrichtung (20) aufgebaut wird, wobei die Steuereinrichtung (30) ausgebildet ist, die Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung der Bauteilschichten (B, B1, B2) des Bauteils (2) gemäß Steuerdaten (PS) nach Anspruch 10 anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung (30) vorzugsweise eine Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (34) nach Anspruch 12 umfasst.
  14. Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung zumindest eines Bauteils (2) in einem additiven Fertigungsprozess mit zumindest - einer Zuführvorrichtung zum Aufbringen von Materialschichten von Aufbaumaterial (13) auf ein Baufeld in einem Prozessraum (3), - einer Bestrahlungsvorrichtung (20), um, insbesondere zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten, Aufbaumaterial (13) durch Bestrahlung mit zumindest einem Energiestrahl (22) selektiv zu verfestigen, sowie - einer Steuereinrichtung (30) nach Anspruch 13.
  15. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9 und/oder 11 auszuführen.
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