DE10233389A1

DE10233389A1 - Selektives Lasersintern mit optimierter Rasterabtastrichtung

Info

Publication number: DE10233389A1
Application number: DE10233389A
Authority: DE
Inventors: James F Darrah; Xiaoshu Xu
Original assignee: 3D Systems Inc
Current assignee: 3D Systems Inc
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2003-02-20
Also published as: US20030127436A1; GB0118650D0; FR2828422A1; US6677554B2; ITTO20020686A1; GB2378150A; ITTO20020686A0; JP2003136604A

Abstract

Eine computergesteuerte Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Artikel in einer schichtweisen Art ist offenbart. Nach dem Verteilen einer Schicht eines schmelzbaren Pulvers bestrahlt ein Laser ausgewählte Orte der Schicht, um das Pulver in einem Querschnitt des zu bildenden Artikels in jener Schicht zu bilden, so dass die geschmolzenen Querschnitte in dem Artikel zusammenschmelzen. Der Laser wird in einer Rasterabtastart für die ausgewählten Ort der Pulverschicht gesteuert. Die Rasterabtastlinien werden für jeden Querschnitt definiert, um eine optimale Füllabtastzeit zu erzielen. Die optimale Füllabtastzeit wird bestimmt, indem der Computer die Füllabtastzeit durch Rotieren des Querschnitts um eine Mehrzahl von Drehwinkeln abschätzt und durch Abschätzen der Füllabtastzeit für jeden der gedrehten Querschnitte für zumindest ein Muster der Füllabtastungen, die zum Bilden des Artikels notwendig sind. Die tatsächlichen Füllabtastvektoren, die beim selektiven Lasersintern des Artikels verwendet werden, werden ausgehend von einer Koordinatenachse auf der Zielebene gemäß der Rotation des Querschnitts gedreht, der die geringste abgeschätzte Füllabtastzeit bereitstellt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung ist aus dem Gebiet des Rapid-Prototypings und sie ist im Speziellen auf die Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch selektives Lasersintern gerichtet.
Das relativ neue Gebiet des Rapid-Prototypings hat signifikante Verbesserungen geliefert im Bereitstellen hoher Festigkeit, hoher Dichte von Teilen, die in der Konstruktionsverifikation und in der Pilotproduktion nützlich sind. "Rapid-Prototyping" bezieht sich im Allgemeinen auf das direkte Herstellen von Artikeln aus Datenbasen computergestützter Konstruktion (CAD) in einer automatisierten Weise gegenüber dem konventionellen Bearbeiten von Prototyp-Gegenständen gemäß technischer Zeichnungen. Als ein Ergebnis wurde die zum Produzieren von Prototypenteilen von Ingenieurskonstruktionen erforderliche Zeit von mehreren Wochen auf eine Angelegenheit von einigen Stunden reduziert.
Als Hintergrund ist der Prozess des selektiven Lasersinterns, der in den von der DTM Corporation, Austin, Texas hergestellten Systemen angewandt wird, ein Beispiel einer Technologie für Rapid-Prototyping, in der Gegenstände aus einem Laser-schmelzbaren Pulver in schichtweiser Art hergestellt werden. Gemäß dieses Verfahrens wird eine dünne Schicht des Pulvers verteilt und dann durch Laserenergie an jenen Bereichen der Pulverschicht geschmolzen oder gesintert, die einem Querschnitt des Gegenstandes in dieser Schicht entsprechen. Konventionelle, selektive Lasersintersysteme, wie z. B. das Sinter-Station-2500-plus-System, erhältlich von der DTM Corporation, positionieren den Laserstrahl mit Hilfe von galvanometergetriebenen Spiegeln, die den Laserstrahl ableiten. Die Ableitung des Laserstrahls wird in Kombination mit der Modulation des Lasers selbst gesteuert, um die Laserenergie auf jene Stellen der schmelzbaren Pulverschicht zu lenken, die dem Querschnitt des in jener Schicht zu bildenden Gegenstandes entsprechen. Der Laser kann das Pulver in Rasterart abtasten (scannen), oder der Laser kann in Vektorart ausgerichtet werden. In einigen Anwendungen werden die Querschnitte der Gegenstände in einer Pulverschicht gebildet, indem Pulver entlang des Umrisses des Querschnittes in Vektorart entweder vor oder nach einem Rasterabtasten geschmolzen wird, wobei das Rasterabtasten das Gebiet innerhalb des Vektor-gezeichneten Umrisses "ausfüllt". Nach dem selektiven Schmelzen des Pulvers in einer gegebenen Schicht wird in jedem Fall die nächste Schicht des Pulvers verteilt, und der Vorgang wird wiederholt mit geschmolzenen Bereichen der späteren Schicht, die auf geschmolzene Bereiche der vorhergehenden Schichten geschmolzen werden (wie es für den Gegenstand geeignet ist), bis der Gegenstand vollständig ist.

Detailliertere Beschreibungen der Technologie des selektiven Lasersinterns werden durch das US-Patent 4,863,538, das US-Patent 5,132,143 und das US-Patent 4,944,817 bereitgestellt, die alle dem Board of Regents der University of Texas System zugewiesen sind, und durch das US-Patent 4,247,508, das der DTM Corporation zugewiesen ist, wobei alle Dokumente hierin durch Referenz aufgenommen sind. Systeme zur Laserleistungssteuerung für Systeme des selektiven Lasersinterns sind in dem US-Patent 6,085,122, ausgegeben am 4. Juli 2000, und in dem US-Patent 6,151,345, ausgegeben am 21. November 2000, beschrieben, wobei beide der DTM Corporation zugewiesen sind und ebenfalls hierin durch Referenz aufgenommen sind. Weitere Hintergrundinformationen, wie das US-Patent 5,352,405, ausgegeben am 4. Oktober 1994 und der DTM Corporation zugewiesen, sind hierin durch Referenz aufgenommen, wobei sie ein Verfahren zum Abtasten durch den Laser über das Pulver in einer Vorrichtung zum selektiven Lasersintern beschreiben, um eine gleichförmige Rücklaufzeit des Lasers für angrenzende Abtastungen der gleichen Region des Pulvers bereitzustellen, wodurch gleichmäßige, thermische Bedingungen über den Querschnitt eines jeden der mehrfachen Teile innerhalb des gleichen, aufgebauten Zylinders geliefert werden.

Die Technologie des selektiven Lasersinterns ermöglicht die direkte Herstellung dreidimensionaler Artikel hoher Auflösung und Maßhaltigkeit von einer Reihe von Materialien, umfassend Polystyrol, NYLON, andere Kunststoffe und Verbundmaterialien, wie beispielsweise polymerbeschichtete Metalle und Keramiken. Polystyrolteile können bei der Erzeugung von Werkzeugen im Wege des Prozesses des "Feingusses" genutzt werden. In Ergänzung kann das selektive Lasersintern für die direkte Herstellung von Formen aus einer Repräsentation des in den hergestellten Formen zu formenden Objektes aus einer CAD-Datenbasis verwendet werden; in diesem Fall "invertieren" Computeroperationen die Repräsentation des zu formenden Objektes in der CAD-Datenbasis, um die negativen Formen direkt aus dem Pulver zu bilden.

Über den Hintergrund der Erfindung illustriert Fig. 1 die Konstruktion und den Betrieb eines konventionellen Systems 100 zum selektiven Lasersintern. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst das Lasersintersystem 100 eine Kammer 102 (die vorderen Türen und die Oberseite desselben sind nicht in Fig. 1 aus Zwecken der Klarheit gezeigt). Die Kammer 102 hält die geeignete Temperatur und die atmosphärische Zusammensetzung für die Herstellung des Artikels aufrecht (typischerweise eine inerte Atmosphäre, wie z. B. Stickstoff).
Das Energieversorgungssystem in dem System 100 umfasst einen Zuführkolben 114, der durch einen Motor 116 gesteuert ist, um sich aufwärts zu bewegen und um ein Volumen des Pulvers in die Kammer 102 zu heben. Zwei Zuführkolben 114 können an beiden Seiten des Teilkolbens 106 zu Zwecken der effizienten und flexiblen Pulverzufuhr bereitgestellt werden, wie sie in dem SINTER-STATION- 2500-Plus-System erhältlich von der DTM Corporation verwendet werden. Der Teilkolben 106 wird durch den Motor 108 gesteuert, um sich um einen kleinen Betrag unter den Boden der Kammer 102 zu bewegen, z. B. 0,125 mm, um die Dicke jeder zu verarbeitenden Pulverschicht zu definieren. Die Rolle 118 ist eine gegenrotierende Rolle, die Pulver von dem Zuführkolben 114 auf die Zieloberfläche 104 überträgt. Die Zieloberfläche 104 bezieht sich zu Zwecken der Beschreibung hierin auf die obere Oberfläche des hitzeschmelzbaren Pulvers, das über dem Teilkolben 106 angeordnet ist; auf das gesinterte und ungesinterte Pulver, das auf dem Teilkolben 106 angeordnet ist, wird hierin als ein Teilbett 107 Bezug genommen. Ein anderes, bekanntes Pulverzufuhrsystem liefert Pulver von oberhalb des Teilkolbens 106 vor einer Liefervorrichtung, wie beispielsweise einer Rolle oder einem Abstreifer.
In einem konventionellen System 100 zum selektiven Lasersintern der Fig. 1 wird ein Laserstrahl durch einen Laser 110 erzeugt und auf eine Zieloberfläche 104 über ein Abtastsystem 142 gerichtet, das im Allgemeinen galvanometrisch getriebene Spiegel enthält, die den Laserstrahl ablenken. Die Ablenkung des Laserstrahls wird in Kombination mit der Modulation des Lasers 110 gesteuert, um die Laserenergie auf jene Orte der schmelzbaren Pulverschicht zu richten, die dem Querschnitt des zu bildenden Artikels in jener Schicht entsprechen. Das Abtastsystem 142 kann mit dem Laserstrahl quer über das Pulver in einer Raster-Abtast- Art oder in einer Vektorart abtasten. Die Querschnitte der Artikel werden oft in einer Pulverschicht durch Abtasten mit dem Laserstrahl in Vektorweise entlang des Umrisses des Querschnitts in Kombination mit einem Rasterabtasten gebildet, das das Gebiet innerhalb des vektorgezeichneten Umrisses "füllt".
Fig. 2 illustriert einen Bereich der Zieloberfläche 104, an der vier Querschnitte 50 eines oder mehrerer Artikel in einer oberen Schicht des Pulvers gemäß eines konventionellen Verfahrens zum selektiven Lasersintern geformt werden. In diesem Beispiel sind die Querschnitte 50 gleich große Rechtecke, aber in unterschiedlichen Winkelorientierungen zueinander relativ zur X-Y-Ebene der Zieloberfläche 104. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird jeder dieser Querschnitte 50 durch Rasterabtastungen des Laserstrahls quer über das Pulver der Zieloberfläche 104 entlang der Abtastlinien 62 gebildet. Wie es ebenfalls in Fig. 2 gezeigt ist, ist jede Abtastlinie 62 parallel zu der X-Achse im Koordinatensystem der Zieloberfläche 104, so dass die X-Achse die "schnelle" Abtastachse für die Rasterabtastung des Laserstrahls ist, während die Y-Achse die "langsame" Achse ist, da sie die Richtung ist, in der sich die Rasterabtastungen bis zur Vervollständigung jeder Abtastung vorwärtsbewegen.
Gemäß der konventionellen Technik, die in Fig. 2 dargestellt ist, ist die Anzahl der gleichmäßig beabstandeten Rasterabtastlinien 62, die zum Bilden eines gegebenen Querschnitts 50 erforderlich sind, abhängig von der Orientierung des Querschnitts 50 in der X-Y-Koordinatenebene der Zieloberfläche 104. In diesem Beispiel sind vier Abtastlinien 62 erforderlich, um den horizontal orientierten Querschnitt 50a abzutasten. 18 und 15 Abtastlinien sind jeweils für die winklig orientierten Querschnitte 50c und 50b erforderlich. Der vertikal orientierte Querschnitt 50d erfordert 13 Abtastlinien 62. Die Beabstandung der Abtastlinien 62 wird durch die Bedienperson des Systems zum selektiven Lasersintern in Abhängigkeit von Faktoren ausgewählt, wie beispielsweise die gewünschte, strukturelle Festigkeit des resultierenden Artikels, die Dicke der Pulverschichten, die Oberflächentextur und die Aufbaugeschwindigkeit. Thermische Faktoren, die mit dem Abtasten des Laserstrahls im Vorgang des selektiven Lasersinterns in Verbindung stehen, sind in der zuvor aufgenommenen US-Patentschrift 5,352,405 beschrieben.
In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung ist beobachtet worden, dass die Anzahl der Rasterabtastungen (zum Beispiel die Abtastlinien 62 in Fig. 2) einen signifikanten Faktor in der Gesamtzeit darstellt, die zum Aufbauen eines Artikels mit Hilfe selektiven Lasersinterns erforderlich sind. In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung ist entdeckt worden, dass eine Reduktion in der Anzahl der Abtastungen, die in einer gegebenen Schicht ausgeführt werden, daher zu einer reduzierten Aufbauzeit führen wird, sogar wenn die Abtastungen als ein Ergebnis länger sind. Betrachtet man in Ergänzung, dass die Vorrichtung zum selektiven Lasersintern Vektoren entsprechend den Rasterabtastlinien in seinem Speicher speichern muss, wird eine Reduktion in der Anzahl der Rasterabtastlinien in eine geringere Anzahl in dem Computerspeicher zu speichernde Vektoren resultieren und daher in eine effizientere Nutzung der Computerressourcen.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum selektiven Lasersintern bereitzustellen, in der die Aufbauzeit eines Artikels reduziert ist durch das Reduzieren der Anzahl der Rasterabtastlinien, die für jeden Querschnitt des Artikels erforderlich sind.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung bereitzustellen, für die die Anforderungen an den Computerspeicher zum Speichern der Steuervektoren optimiert werden können.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung zum Herstellen eines Artikels mit einer optimierten Zugfestigkeit entlang seiner Hauptachsen bereitzustellen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zum Herstellen eines Artikels bereitzustellen, für die raue Oberflächengebiete aufgrund von Vektorenden minimiert werden können.
Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung zusammen mit ihren Zeichnungen jenen mit allgemeinen Fachkenntnissen offenbar.
Die vorliegende Erfindung kann in ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Artikels durch selektives Lasersintern implementiert werden, indem die Richtung des Rasterabtastens für jeden Querschnitt des Artikels optimiert ist. Ein Computer in Verbindung mit der Vorrichtung zum selektiven Lasersintern berechnet Abtastvektoren für jeden Querschnitt des Artikels. Beim Berechnen der Vektoren wird die Abtastzeit des Querschnitts des Artikels simuliert oder andernfalls unter Verwendung verschiedener Versuchsorientierungen des Querschnitts berechnet. Die Abtastvektoren werden dann für die optimale Orientierung des Querschnitts berechnet und dann in dem Computerspeicher gespeichert. Der Vorgang wird getrennt für jeden zu bildenden Querschnitt in einer gegebenen Schicht des Pulvers und für jede Schicht des Pulvers in dem Aufbauzyklus wiederholt.

KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm in einer perspektivischen Ansicht einer konventionellen Vorrichtung zum selektiven Lasersintern.
Fig. 2 ist eine Draufsicht eines Bereiches einer Pulverschicht, in dem mehrere Querschnitte von Artikeln gebildet sind, gemäß dem Stand der Technik. Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm in einer perspektivischen Ansicht einer Vorrichtung zum selektiven Lasersintern, die die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet.
Fig. 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Artikels in einer schichtweisen Art gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung illustriert.
Fig. 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Erzeugen von Füllvektoren für jeden Querschnitt eines Artikels in jeder Schicht innerhalb des Verfahrens der Fig. 4 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
Fig. 6 ist ein Koordinatenebenendiagramm, das ein Beispiel eines Satzes von Rotationswinkeln illustriert, wie sie in dem Verfahren der Fig. 5 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden.
Fig. 7 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Testen von abgetasteten Rotationen eines Querschnittes eines Artikels illustriert, um die optimale Abtastorientierung in dem Verfahren der Fig. 5 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zu bestimmen.
Die Fig. 8a bis 8d sind Draufsichten, die ein Beispiel des Verfahrens der Fig. 7 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung illustrieren.
Fig. 9 ist eine Draufsicht eines Bereiches einer Pulverschicht, in der mehrere Querschnitte des Artikels gemäß der zuvor bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geformt werden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Aus der folgenden Beschreibung wird offenbar, dass die vorliegende Erfindung vorteilhaft ist, wenn sie auf Systeme zum Rapid-Prototyping angewandt wird, die Laser bei der Herstellung von Artikeln aus computerlesbaren Repräsentationen dieser Artikel nutzen, wie beispielsweise solche, die durch Systeme zur computerunterstützten Konstruktion (CAD) oder zur computerunterstützten Herstellung (CAM) erzeugt werden. Es wird erwartet, dass die vorliegende Erfindung im Speziellen vorteilhaft ist, wenn sie auf Verfahren zum Rapid-Prototyping angewandt wird, die auf einem thermischen Mechanismus basieren. Es ist im Stand der Technik bekannt, dass das selektive Lasersintern eine Herangehensweise des Rapid-Prototypings ist, das einen thermischen Mechanismus zum Bilden eines Artikels verwendet, wobei die Teilchen des Pulvers an ausgewählten Orten einer jeden Sequenz von Schichten miteinander verschmolzen werden, wobei diese Orte Laserenergie empfangen. Das Schmelzen oder Binden der Teilchen an den ausgewählten Orten findet durch eine Anzahl von thermischen Mechanismen statt, umfassend das Sintern (in seinem traditionellen Sinn), das Schmelzen und Wiederverfestigen, das Initiieren einer chemischen Reaktion (umfassend das Aushärten in Wärme) oder einige andere, thermisch basierte Mechanismen; zu Zwecken dieser Beschreibung und in Konsistenz mit dem Gebiet des Rapid-Prototypings wird auf all diese Mechanismen durch "Sintern" Bezug genommen. Demgemäss wird die folgende Beschreibung auf ein System zum selektiven Lasersintern gerichtet sein. Es ist natürlich verständlich, dass die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, um sich in anderen Typen von Systemen des Rapid-Prototypings vorteilhaft auszuwirken, die einen thermischen Mechanismus verwenden.
Die Herstellung eines Querschnitts des gewünschten Artikels oder der gewünschten Artikel wird durch den Laser 110 bewirkt, der einen Strahl bereitstellt, der durch das Abtastsystem 142 in der Weise ausgerichtet wird, wie es in den zuvor oben referenzierten US-Patenten beschrieben ist und wie es jetzt unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wird. Der Laser 110 umfasst in Ergänzung zu einem Laser selbst konventionelle Steuerelemente, wie sie in dem oben angegebenen US-Patent 4,863,538 beschrieben sind, umfassend beispielsweise eine vordere Spiegelanordnung und Fokussierungselemente, wie z. B. divergierende und konvergierende Linsen. Der verwendete Typ des Lasers 110 ist von vielen Faktoren und insbesondere von dem Typ des Pulvers abhängig, welches zu sintern ist. Für viele Typen konventioneller Pulver ist ein 100-Watt-CO₂-Laser mit steuerbarem Leistungsausgang ein bevorzugter Laser, obwohl Laser mit einem Leistungsausgang von so wenig wie 25 Watt ebenfalls nützlich sind im Zusammenhang mit einigen Materialien. Der Laser 110 emittiert, wenn er angeschaltet ist, einen Laserstrahl 105, der sich allgemein entlang des Weges bewegt, der durch die Pfeile in Fig. 3 angezeigt ist.
Der Computer 140 und das Abtastsystem 142 steuern die Richtung des Laserstrahls 105, wenn er auf die Zieloberfläche 104 auftrifft. In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Computer 140 einen steuernden Mikroprozessor für das Abtastsystem 142, und er umfasst weiterhin ein System zum Speichern einer computerlesbaren Repräsentation des oder der zu produzierenden Artikel, beispielsweise durch eine CAD/CAM-Datenbasis oder Dateien, die durch solch eine Datenbasis erzeugt wurden, zumindest in einer Schicht-für-Schicht- Form, wenn nicht in ihrer Gesamtheit, um die Dimensionen des oder der produzierten Artikel zu definieren. Eine konventionelle Arbeitsstation (Workstation) persönlicher Rechner (PC), wie beispielsweise ein persönlicher Rechner, basierend auf einem Mikroprozessor, der eine Gleitkommaoperationstauglichkeit aufweist, ist zur Verwendung als Computer 140 in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geeignet. Der Computer 140 erzeugt Signale in den Leitungen AIM für den Abtastprozessor 103 in dem Abtastsystem 142, um den Laserstrahl 105 quer über die Zieloberfläche 104 gemäß dem Querschnitt des in der vorliegenden Pulverschicht zu produzierenden Artikels zu richten. Das Steuersystem 150 für die Laserenergie steuert die Energie des Lasers 110 in Antwort auf die Steuersignale von dem Computer 140 und die Rückkopplungssignale von dem Abtastprozessor 103; ein Beispiel für die fortgeschrittene Steuerung der Laserenergie, die in Verbindung mit dieser Ausführungsform der Erfindung genutzt werden kann, ist in der oben einbezogenen US-Patentschrift 6,151,345 beschrieben.
Das Abtastsystem 142 umfasst ein Prisma 144 zum Neuausrichten des Weges des Fortschreitens des Laserstrahls 105. Die Anzahl der Prismen 144, die zum Ausrichten des Laserstrahls 105 auf die geeignete Position notwendig sind, basiert auf der physikalischen Gestaltung der Vorrichtung. Wie es im Stand der Technik bekannt ist, können alternativ einer oder mehrere befestigte Spiegel anstelle des Prismas 144 zum Ausrichten des Laserstrahls 105 in Abhängigkeit von der speziellen Gestaltung des Systems 100 verwendet werden. Das Abtastsystem 142 umfasst ferner ein Paar von Spiegeln 146, 147, die durch jeweilige Galvanometer 148, 149 angetrieben sind. Die Galvanometer 148, 149 sind an ihre jeweiligen Spiegel 146, 147 gekoppelt, um selektiv die Spiegel 146, 147 zu orientieren und um das Ziel des Laserstrahls 105 zu steuern. Die Galvanometer 148, 149 sind rechtwinklig zueinander befestigt, so dass die Spiegel 146, 157 nominell in einem rechten Winkel relativ zueinander befestigt sind. Der Abtastprozessor 103 in dem Abtastsystem 142 steuert die Bewegung der Galvanometer 148, 149, um das Ziel des Laserstrahls 105 innerhalb der Zieloberfläche 104 in Antwort auf die Signale in den Leitungen AIM von dem Computer 140 zu steuern, die gemäß der computerlesbaren Repräsentation produziert von einer CAD/CAM-Datenbasis erzeugt werden, die den Querschnitt des zu bildenden Artikels in der Pulverschicht an der Zieloberfläche 104 definieren. Andere Abtastsysteme können alternativ in Verbindung mit dieser Erfindung genutzt werden, die beispielsweise ein X-Y- Portalsystem umfassen, das Energiestrahlen mit Hilfe eines faseroptischen Kabels liefert.
Bezugnehmend auf Fig. 4 wird im Detail der Betrieb des Computers 140 in der Steuerung des Laserstrahls 105 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Dieser Betrieb beginnt mit verschiedenen Prozessen (nicht gezeigt in Fig. 4), in denen Parameter für einen gegebenen Aufbauzyklus festgelegt werden. Wie es im Stand der Technik bekannt ist, bezieht sich ein Aufbauzyklus auf einen Zyklus des Betriebes des Systems der Fig. 3, in dem einer oder mehrere Artikel in schichtweiser Art in einer Instanz des Teilbettes 107 geformt werden. Für diesen im Stand der Technik konventionellen Aufbauzyklus wird das gewünschte Pulvermaterial durch den menschlichen Benutzer ausgewählt. Der Computer 140 liest umgekehrt eine Datei, um verschiedene Aufbauparameter, wie beispielsweise die Laserenergie, die Temperatur des Teilbettes und dergleichen, zu laden.
Der Vorgang beginnt mit dem Freigeben der Optimierung der Abtastrichtung durch den menschlichen Nutzer des Systems 100 des selektiven Lasersinterns im Prozess 200. Die Optimierung der Abtastrichtungen wird als eine optionale Eigenschaft im selektiven Lasersintern angesehen, und es wird daher erwartet, dass sie für jeden Aufbauzyklus durch den Benutzer auswählbar ist. Wenn die Optimierung der Abtastrichtung nicht freigegeben ist, wird die Erzeugung der Füllvektoren für jede Schicht des Pulvers in der konventionellen Weise ausgeführt.
Dem Freigeben der Optimierung der Abtastrichtung im Prozess 200 folgend werden bestimmte Aufbauparameter durch den menschlichen Benutzer gesetzt und in dem Speicher des Computers 140 im Prozess 201 gespeichert. Diese Aufbauparameter umfassen jene, die zum Definieren des Abtastens des Laserstrahls 105 in dem Aufbauzyklus notwendig sind, umfassend die Dicke der auszugebenden Pulverschicht und die Abtastfüllbeabstandung oder den Abstand zwischen angrenzenden Rasterabtastlinien. Andere, in Beziehung stehende Parameter, wie beispielsweise die Laserpunktgröße, die Abtastgeschwindigkeit und dergleichen, können ebenfalls im Prozess 201 gesetzt werden, wenn sie nicht zuvor im Computer 140 gespeichert wurden. Im Prozess 202 arrangiert der menschliche Benutzer des Systems 100 unter der Assistenz des Computers 140 den oder die herzustellenden Artikel innerhalb des Teilbettes 107 in diesem Aufbauzyklus. Wenn mehrere Artikel herzustellen sind, werden diese Artikel natürlich angeordnet, um in das Teilbett 107 zu passen. Es wird für die Fachleute unter Bezugnahme auf diese Beschreibung offensichtlich sein, dass die Prozesse 200, 201, 202 in beliebiger Anordnung ausgeführt werden können.
Individuelle Schichten und individuelle Querschnitte der zu bildenden Artikel in jenen individuellen Schichten werden nun verarbeitet, wobei mit dem Prozess 204 begonnen wird. Im Prozess 204 der Fig. 4 empfängt der Computer 140 eine computerlesbare Repräsentation der zu bildenden Artikel in dem vorliegenden Aufbauzyklus des selektiven Lasersinterns und erzeugt den Satz von Umriss- und Füllvektoren, die in jeder Pulverschicht unter Bezug auf ein Koordinatensystem der Zieloberfläche 104 auf der Oberschicht des Pulvers in dem Teilbett 107 gespurt bzw. abgefahren werden. Die Erzeugung der Vektoren im Prozess 204 kann in Echtzeit während des Aufbauens selbst durchgeführt werden, z. B. durch das Erzeugen der Vektoren für die nächste Schicht während des selektiven Lasersinterns einer vorhergehenden Schicht, oder der Prozess 204 kann alternativ als eine schubweise Verarbeitung (Batchoperation) für alle Schichten in dem Aufbauzyklus vor der Initiierung des selektiven Lasersinterns ausgeführt werden. Alle oder Teile des Prozesses 204 können in Ergänzung durch den Computer 140 im System 100 ausgeführt werden oder alternativ durch einen separaten, unabhängigen Computer. Zu Zwecken dieser Beschreibung wird der Prozess 204 als ein Echtzeitprozess beschrieben, der durch den Computer 140 ausgeführt wird. Bezugnehmend auf Fig. 5 wird der Prozess 204 zum Erzeugen der Füllvektoren für einen oder mehrere Querschnitte der zu bildenden Artikel in jeder der Schichten des Aufbauzyklus gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben.
Zu Zwecken dieser Beschreibung wird auf die vorliegende Pulverschicht, für die der Computer 140 die Füllvektoren erzeugt, als die Schicht k Bezug genommen und auf den vorliegenden Querschnitt des Artikels, auf dem der Computer 140 betrieben wird, wird als Querschnitt j Bezug genommen. Es ist natürlich verständlich, dass mehrere Querschnitte des Artikels innerhalb der gleichen Schicht zu unterschiedlichen Artikeln oder zu dem gleichen Artikel gehören können, in Abhängigkeit von den speziellen Geometrien der gewünschten Artikel. Wie von der folgenden Beschreibung offenbart wird, werden die Vektoren für jede Schicht gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Wesentlichen als eine Schicht zu einem Zeitpunkt für die vorliegende (oder nächste) Schicht k des Pulvers erzeugt, die durch den Laserstrahl 105 selektiv zu sintern ist. Um Speicherplatz zu sparen, wird daher der Prozess 220 zuerst ausgeführt, gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, um die gespeicherten Vektoren für eine vorhergehende Schicht (k - 1 oder früher) aus dem Speicher des Computers 140 zu löschen, sobald jene gespeicherten Vektoren im selektiven Lasersintern genutzt worden sind. Die Schicht, für die die Vektoren verworfen werden, kann die unmittelbar vorhergehende Schicht zu der vorliegenden Schicht sein, oder sie können für eine Schicht sogar weiter zurück in dem Vorgang sein, in Abhängigkeit von den Speicherressourcen des Computers 140 und in Abhängigkeit von jeglicher "Weiterleitung" der Vektorerzeugung, die implementiert ist.
Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dann für den vorliegenden Querschnitt j in der vorliegenden Schicht k im Prozess 222 ein Satz von Konturvektoren definiert. Diese Konturvektoren werden relativ zu einem X- Y-Koordinatensystem, angewandt auf die Zieloberfläche des Systems 100, definiert, wobei der Ursprung dieses Koordinatensystems (und die Zuordnung der Richtungen der X- und Y-Achse) beliebig zugewiesen ist. In einem Zwei-Spiegel- Abtastsystem, wie es oben in Bezug auf das System 100 in Fig. 3 beschrieben ist, wird typischerweise die Schnellabtastachse (d. h. die X-Achse) parallel zu der durch den Laserstrahl 105 abgefahrenen Linie sein, wenn der Spiegel 147 rotiert wird und wenn der Spiegel 146 festgehalten wird, während die Langsamabtastachse (z. B. die Y-Achse) parallel zu der Linie sein wird, die durch den Laserstrahl 105 abgefahren wird, wenn sich der Spiegel 146 dreht und der Spiegel 147 festgehalten wird.
Sobald die Kontur des Querschnitts j in der Schicht k durch den Computer 140 im Prozess 222 definiert ist, wird der Prozess 225 als nächstes ausgeführt, um die Füllabtastzeit für diesen Querschnitt an mehreren Drehwinkeln zu berechnen und zu testen, so dass die Abtastzeit dieses Querschnitts gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung optimiert werden kann. Zusammenfassend wird der Computer 140 effektiv das Abtasten des vorliegenden Querschnitts j in der vorliegenden Schicht k an verschiedenen Drehungen aus seiner Position simulieren, wie sie im Prozess 202 angeordnet wurden. Die Ergebnisse dieser Simulationen werden eine optimale Orientierung für die Schnellabtastachse im Abtasten dieses Querschnitts j bestimmen; diese optimale Orientierung ist jene, auf der die kürzeste Abtastfüllzeit erhalten wird. Die Aufmerksamkeit wird nun auf die Fig. 6 und 7 gelenkt, in Bezug auf jene die Schritte des Vorgangs 225 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben werden.
Fig. 6 illustriert einen exemplarischen Satz von Winkeln der Drehung in der X-Y- Ebene, entsprechend der Zieloberfläche 104 an der oberen Pulverschicht im Teilbett 107 des Systems 100. In diesem Beispiel sind acht mögliche Drehungen gezeigt, die sich in einem Bereich von einer Drehung von + 90° bis zu einer Drehung von - 67,5° einschließlich keiner Drehung (d. h. eine Drehung von 0°) befinden. Die Beispieldrehungen in diesem Beispiel sind um 22,5° getrennt oder um 1/16 einer ganzen Drehung. Die anderen Winkel (Drehungen von + 112,5° bis - 90°) sind den acht Drehungen von + 90° bis - 67,5° entgegengesetzt und müssen nicht in dem Vorgang 224 enthalten sein, weil ihre zugehörigen Abtastzeiten identisch zu jenen ihrer entsprechenden Gegenteile sein werden.
Bezugnehmend auf die Fig. 7 beginnt der Vorgang 225 mit der Auswahl bestimmter Parameter, die beim Testen oder der Simulation verwendet werden. Weil der Vorgang 225 eine Simulation oder Berechnung ist, ist die tatsächliche, strukturelle Festigkeit des Objektes nicht passend, und daher kann die Beabstandung der Füllabtastungen in dem Vorgang 225 von jener Beabstandung ausgedehnt werden, die tatsächlich genutzt werden wird. Es wird daher in Betracht gezogen, dass ein annehmbarer Vergleich der Abtastzeiten berechnet werden kann, indem die Zeit simuliert wird, die zum Abtasten eines Bruchteils der tatsächlichen Abtastungen erforderlich ist, die ausgeführt werden. Im Vorgang 234 wählt daher der Benutzer ein Abtastverhältnis aus, das das Verhältnis der Anzahl der Abtastungen, die im Vorgang 225 für den vorliegenden Querschnitt bestimmt werden, relativ zu der Anzahl der Abtastungen ist, die das System 100 zum selektiven Lasersintern tatsächlich beim Herstellen des Querschnitts ausführen wird. Es wird erwartet, dass ein Verhältnis von 1 : 2 oft ein akkurates, relatives Maß der Füllabtastzeiten der verschiedenen Drehungen bereitstellen wird, während noch die Berechnungszeit und die Ressourcen der Simulation reduziert werden. Im Vorgang 234 wird der Benutzer des Computers 140 ebenfalls den inkrementellen Winkel der Drehung zwischen den simulierten Drehungen auswählen, wobei in dem Beispiel der Fig. 6 der inkrementelle Winkel Δ 22,5° ist.
Die iterative Simulation und die Kalkulationen der Probenfüllzeiten beginnen mit dem Prozess 236, in dem der vorliegende Querschnitt j um den Winkel φ_m gemäß einer Drehung mit dem Index m "gedreht" wird. Wie oben bereits bemerkt wurde, umfasst der Drehwinkel φ_m keine Drehung oder φ_m = 0°. Im Prozess 238 berechnet der Computer 140 die Zeit, die erforderlich sein würde, um eine Füllabtastung des Querschnitts j der Schicht k auszuführen, wenn sie um den vorliegenden Winkel φ_m gedreht ist. Diese Berechnung des Prozesses 238 wird für eine Anzahl von Abtastungen ausgeführt, die durch das im Prozess 234 ausgewählte Abtastverhältnis bestimmt sind; aber andererseits beabsichtigt man, die Zeit zu summieren, die für die bestimmte Abtastung selbst entlang der Schnellabtastrichtung (X- Richtung) erforderlich ist plus das Zunehmen oder Erhöhen der Langsamabtastachse (Y-Richtung). Zur Verbesserung der Genauigkeit können zusätzliche Zeiten für jede Abtastlinie Beschleunigungs- und Abbremszeiten an den Enden der Vektoren enthalten, wie es in dem oben aufgenommenen US-Patent 6,085,122 beschrieben ist, und sie kann jede Zeit umfassen, die zum Abtasten durch den Laserstrahl außerhalb des Umrisses des Querschnitts j erforderlich ist. Diese Faktoren sind in der tatsächlichen Simulation und Berechnung des Prozesses 238 wichtig, zieht man in Betracht, dass ungefähr das gleiche Abtastfüllgebiet durch den Querschnitt j subsummiert wird, unabhängig von der Orientierung der Füllabtastlinien, die anzeigen, dass die tatsächliche, wahre Abtastzeit über die verschiedenen Drehungen konstant ist. Aufgrund der involvierten Gesamtzeit in Verbindung mit jeder linearen Abtastung, unabhängig von ihrer Länge, wird jedoch die Anzahl der Abtastungen bevorzugt minimiert, indem die optimale Querschnittsorientierung für das selektive Lasersintern bestimmt wird.
Fig. 8a illustriert einen exemplarischen Querschnitt 252 ₀ in seiner Position in der X-Y-Ebene, wie er in dem Prozess 220 angeordnet wird; mit anderen Worten in einem Drehwinkel φ_m von 0°. In dieser Repräsentation der Fig. 8a sind die Abtastlinien für die Probenfüllung parallel zur X-Achse. Diese Abtastlinien für die Probenfüllung sind relativ weit voneinander getrennt, wie es oben beschrieben ist, wobei man in Betracht zieht, dass der Prozess 238 nur eine Simulation ist und daher die berechneten Abtastungen nicht so nahe beabstandet sein müssen, wie um einen einheitlichen Querschnitt zu bilden. Ohne Zweifel ist es bevorzugt, die tatsächlich simulierten Füllabtastungen selbst in dem Speicher 140 für den Querschnitt 252 ₀ über die Vervollständigung des Prozesses 238 hinaus nicht zu speichern, um Speicherressourcen des Computers 140 zu sparen. In Ergänzung ist es nicht notwendig, die Position des Querschnitts 252 zu Zwecken der Berechnung auszurichten oder andernfalls zu verschieben, um dadurch zusätzliche Rechenressourcen zu sparen. Im Prozess 238 berechnet der Computer 140 eine Abschätzung für die Zeit, die zum Abtasten des Querschnitts 252 ₀ in der in Fig. 8 illustrierten Art erforderlich sein würde, und speichert diese Abschätzung in seinem Speicher.
Der Computer 140 bestimmt als nächstes, ob jeglicher, verbleibender Drehwinkel für den vorliegenden Querschnitt j abzuschätzen ist. Wenn dies der Fall ist (Entscheidung 239 ist Ja) wird der Index m für den Drehwinkel φ_m im Prozess 240 erhöht (oder erniedrigt, wenn geeignet), und die Steuerung kehrt zu den Prozessen 236, 238 jeweils für die Drehung des vorliegenden Querschnitts j und die Berechnung seiner abgeschätzten Abtastzeit für die Probenfüllung zurück.
Die Fig. 8b und 8c illustrieren zwei andere, exemplarisch gedrehte Querschnitte 252 ₊₁, 252 _-1 zum Vergleich mit dem nichtgedrehten Querschnitt 252 ₀. In Fig. 8b ist der Querschnitt 252 ₊₁ in einer positiven Winkelrichtung um einen inkrementellen Winkel Δ gedreht, der in diesem Beispiel 22,5° ist. Wie aus Fig. 8b deutlich wird, sind die simulierten Abtastlinien wieder parallel zur X-Achse. In Fig. 8c ist der Querschnitt 252 _-1 als gedreht von dem nichtgedrehten Querschnitt 252 ₀ um einen inkrementellen Winkel Δ in der negativen Winkelrichtung dargestellt, wobei der Winkel in diesem Beispiel - 22,5° ist. Seine abgetasteten, simulierten Abtastlinien sind wieder parallel zur X-Achse.
Es wird natürlich in Betracht gezogen, dass beim Ausführen des Prozesses 252 zum Testen der Abtastfüllzeit der gedrehten Querschnitte der Computer 140 eher alternativ den Winkel der simulierten Abtastlinien drehen kann, während die Orientierung des Querschnitts beibehalten wird, als die Winkelorientierung des Querschnitts zu drehen und die Abtastrichtung festzuhalten. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung und unter Verwendung derzeit erhältlicher CAD- Routinen ist das iterative Drehen des Querschnitts selbst rechnerbezogen effizienter.
Über das Bestimmen, dass alle gewünschten Drehungen des vorliegenden Querschnitts j simuliert worden sind und ihre abgeschätzten Abtastfüllzeiten gespeichert wurden (Entscheidung 239 ist Nein) wird eine zusätzliche Simulation gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgeführt. Im Prozess 242 bezieht sich der Computer 140 auf den Umriss des vorliegenden Querschnitts j, wie er im Prozess 222 erzeugt wurde, und bestimmt den Winkel, in dem das längste Umrissvektorsegment in jenem vorliegenden Querschnitt orientiert ist. Sobald dieser Winkel gefunden wurde, dreht der Computer 140 den Querschnitt j um das arithmetisch Inverse dieses Winkels, so dass ein gedrehter Querschnitt berechnet wird, indem das längste Umrissvektorsegment parallel zu den simulierten Abtastlinien ist (in diesem Beispiel parallel zur X-Achse). Bezugnehmend auf das Beispiel der Fig. 8a ist der längste Umrissvektor des Querschnitts 252 die längere Seite des Rechtecks, die sich in einem Winkel von ungefähr -18° von der X-Achse befindet; in diesem Beispiel wird daher der Prozess 242 den Querschnitt 252 um einen Winkel von + 18° drehen. Die abgetastete, simulierte Füllabtastzeit wird dann für diese Rotation berechnet, und das Ergebnis wird im Prozess 242 durch den Computer 140 gespeichert.
Rückwärtig Bezugnehmend auf die Fig. 5 fragt der Computer 140 folgend der Berechnung der abgeschätzten Füllabtastzeiten für jede der gewünschten Testdrehungen des vorliegenden Querschnitts j im Prozess 225 diese gespeicherten, abgeschätzten Füllabtastzeiten ab, um die minimale Abschätzung und die Drehung in Verbindung mit dieser minimal abgeschätzten Füllabtastzeit im Prozess 226 zu identifizieren. Rückwärtig Bezugnehmend auf das Beispiel der Fig. 8a bis 8c weist der Querschnitt 252 ₊₁ unter den drei exemplarisch gedrehten Querschnitten 252 die minimale Füllabtastzeit auf, sofern man in Betracht zieht, dass er durch weniger Abtastlinien unterteilt ist als die anderen. Weil jedoch der Querschnitt 252 rechteckig ist, wird die Drehung parallel zu der längsten Seite, die im Prozess 242 verwendet wird, das wahre Minimum bereitstellen, und daher ist in diesem Beispiel der optimale Drehwinkel ungefähr 18°.
Im Prozess 228 werden die tatsächlichen Füllabtastungen für den vorliegenden Querschnitt j, basierend auf der im Prozess 226 ausgewählten Drehung, erzeugt und in dem Speicher des Computers 140 für die Verwendung in dem tatsächlichen Prozess zum selektiven Lasersintern gespeichert. Diese Füllabtastungen sind von der nominalen Schnellabtastachse (z. B. der X-Achse) um das arithmetisch Inverse des Drehwinkels φ_m in Verbindung mit der im Prozess 226 ausgewählten Drehung gedreht, so dass in dem selektiven Lasersinterprozess der vorliegende Querschnitt j in dem optimalen Rotationswinkel 9 m abgetastet wird, der im Prozess 226 bestimmt wurde. In Ergänzung wird die Beabstandung der Füllabtastungen, die im Prozess 228 berechnet wurden, dem Wert des Abstandsparameters für Füllabtastungen L entsprechen, der im Prozess 218 ausgewählt und gespeichert wurde.
Fig. 8d illustriert das Ergebnis des Prozesses 228, wie er auf den Querschnitt 252, basierend auf seiner optimalen Drehung, angewandt wurde. Wie in Fig. 8d gezeigt ist, befindet sich der Querschnitt 252' in einer nichtgedrehten Position, mit anderen Worten entsprechend dem nichtrotierten Querschnitt 252 ₀, der in der Fig. 8a gezeigt ist. Die Füllabtastungen in dem Querschnitt 252' sind jedoch nicht parallel zur X-Achse, wie in den Abschätzungen der Fig. 8a bis 8c, wobei sie aber statt dessen von der X-Achse um das Inverse seiner optimalen Drehung gedreht sind. In diesem Beispiel ist jede der Füllabtastungen in dem Querschnitt 252' der Fig. 8d von der X-Achse um - 18° gedreht, weil der ausgewählte, optimale Querschnitt 252 ₊₁ sich an einer Position gedreht um + 18° befand.
Wie in der ebenfalls anhängigen, britischen Patentanmeldung mit der Nummer . . . (Anwaltsaktenzeichen . . .) mit dem Titel "Selektives Lasersintern mit verschachtelter Füllabtastung", die gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereicht und durch Referenz hierin aufgenommen ist, sind die Füllabtastungen für den vorliegenden Querschnitt j, die im Prozess 228 erzeugt wurden, bevorzugt nicht nur voneinander durch den Wert des Abstandsparameters für Füllabtastungen L getrennt, sondern sie sind relativ zu der X-Y-Koordinatenebene und nicht zu der Grenze des Querschnitts j selbst ausgerichtet. In Ergänzung werden die Positionen der Füllabtastungen in aufeinanderfolgenden Schichten k voneinander um die Hälfte des Wertes des Abstandsparameters für Füllabtastungen L versetzt, um die strukturelle Festigkeit des Objektes zu maximieren, das durch selektives Lasersintern gebildet wird.
Beim Erzeugen und Speichern der Füllabtastungen für den vorliegenden Querschnitt j in der Schicht k in der optimalen Drehung im Prozess 228 wird durch den Computer 140 die Entscheidung 229 getroffen, um zu bestimmen, ob zusätzliche Querschnitte verbleiben, für die Füllabtastungen zu erzeugen sind. Wenn dies der Fall ist (Entscheidung 229 ist Ja) wird der Index j für die Querschnitte innerhalb der vorliegenden Schicht im Prozess 230 erhöht, und die Steuerung kehrt zum Prozess 222 für die Erzeugung der Umrisskonturvektoren und der optimierten Füllabtastungen für den nächsten Querschnitt zurück.
Der erfahrene Leser wird erkennen, dass, wenn mehrere Querschnitte in der vorliegenden Schicht k vorhanden sind, jeder Querschnitt seine eigene, optimierte Abtastrichtung aufweist, die unabhängig von der der anderen Querschnitte in jener Schicht k berechnet wurde. Fig. 9 illustriert in einer Draufsicht die rechteckigen Querschnitte 250a, 250b, 250c, 250d an der Zieloberfläche 104 mit ihren Füllabtastungen 62, die gezeigt sind, wie sie gemäß dem oben beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugt wurden. Die Querschnitte 250 der Fig. 9 entsprechen der gleichen Form, Größe und Position wie die Querschnitte 50 der Fig. 2. Der Vergleich der Füllabtastungen 62 für die Querschnitte 250 mit den Füllabtastungen 62 der Querschnitte 50 illustriert die Optimierung, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird. Jeder der Querschnitte 250 umfasst die minimale Anzahl der Abtastungen (z. B. vier), unabhängig von ihrer Orientierung. Für die Querschnitte 50 der Fig. 2, die alle Füllabtastungen 62 in der gleichen Schnellabtastrichtung parallel zu der X-Achse aufweisen, ist im Gegensatz dazu nur der Querschnitt 50a (der zufällig mit seiner längsten Seite parallel zur X-Achse orientiert ist) optimiert; die Querschnitte 50b, 50c, 50d erfordern alle viel mehr als die optimierte, minimale Anzahl der Füllabtastungen 62.
Über das Bestimmen, dass keine zusätzlichen Schichten vorhanden sind, die zu verarbeiten sind (Entscheidung 229 ist Nein), wird die Erzeugung der Füllvektoren für den vorliegenden Aufbauzyklus vervollständigt. Die Steuerung läuft dann zur ersten Instanz des Prozesses 206 (Fig. 4), um die tatsächlich schichtweise Herstellung des Artikels oder der Artikel mit Hilfe des selektiven Lasersinterns zu beginnen. Alternativ kann, wie oben diskutiert, der Prozess 204 als ein Batchvorgang für alle Schichten des Aufbauzyklus durchgeführt werden, bevor das tatsächliche Bauen gestartet wird, oder er kann alternativ in Echtzeit während des Aufbauens durchgeführt werden.
Beziehen wir uns erneut auf Fig. 4 in Kombination mit Fig. 3, setzt sich das Verfahren zum Herstellen eines Artikels gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit dem Verteilen einer Pulverschicht an der Oberfläche des Teilbettes 107 im Prozess 206 fort, z. B. durch die Translation eines gegenrotierenden Rollers 118 (Fig. 1), um die Pulverschicht mit minimalen Scherspannungen zu bilden, wie es in der oben eingearbeiteten US-Patentschrift 5,076,869 beschrieben ist. Andere Systeme zum Verteilen einer Pulverschicht können alternativ verwendet werden, umfassend z. B. die Lieferung eines Pulvervolumens von oberhalb der Oberfläche des Teilbettes 107 und vor einem sich bewegenden Roller oder Abstreifer. Sobald das Pulver verteilt ist, wird der Laserstrahl 105 durch den Computer 104 und das Abtastsystem 142 ausgerichtet, um selektiv den Umriss der Querschnitte in der vorliegenden Schicht des Pulvers im Prozess 208 zu sintern, wenn das Vektorumreißen auszuführen ist.
Im Prozess 210 wird einer der Querschnitte des Artikels in der vorliegenden Pulverschicht an der Oberfläche des Teilbettes 107 durch den Laserstrahl 105 unter der Steuerung des Computers 140 und des Abtastsystems 142 gemäß den Füllabtastvektoren rasterabgetastet, wobei die Vektoren für jenen Querschnitt in jener Schicht im Prozess 204 erzeugt wurden. Wie oben diskutiert, wird die Richtung der Füllabtastung für jeden Querschnitt des Artikels in der vorliegenden Schicht für die schnellste Abtastzeit optimiert. Aufgrund der Unabhängigkeit in der Optimierung der Abtastrichtung zwischen den verschiedenen Querschnitten werden mehrere Querschnitte in jeder gegebenen Schicht in verschiedenen Schnellachsenrichtungen geeignet abgetastet. Die Entscheidung 211 wird daher getroffen, um zu bestimmen, ob zusätzliche Querschnitte von Artikeln in dieser vorliegenden Schicht verbleiben, um rastergescannt zu werden; wenn dies der Fall ist (Entscheidung 211 ist Ja), läuft die Steuerung zurück zum Prozess 210, um die Füllabtastung für jenen nächsten Querschnitt auszuführen.
Über die Vervollständigung des Raster- oder Füllabtastens für jeden Querschnitt innerhalb der vorliegenden Schicht im Prozess 210 (Entscheidung 211 ist Nein) wird der Prozess 212 optional ausgeführt, um jeden Querschnitt des Artikels in der vorliegenden Schicht über Vektoren darzustellen. Alternativ kann jeder Querschnitt unmittelbar vor oder nach seiner Füllabtastung, nach dem Füllabtasten eines anderen Querschnitts in der Schicht oder vor dem Füllabtasten von irgendeinem der Querschnitte in der vorliegenden Schicht umrissen werden. Der Computer 140 führt dann die Entscheidung 213 aus, um zu bestimmen, ob zusätzliche Schichten verbleiben, die in dem vorliegenden Aufbauzyklus selektiv gesintert werden. Wenn dies der Fall ist (Entscheidung 213 ist Ja), läuft die Steuerung zum Prozess 214, in dem der Computer 140 den Index k der Schichten erhöht und den Index j initialisiert, um sich auf einen ersten Querschnitt innerhalb der nächsten Schicht zu beziehen. Die Steuerung läuft dann zurück zum Prozess 204 zum Erzeugen der optimierten Füllvektoren für die Querschnitte in dieser nächsten Schicht.
Wie es im Stand der Technik gut bekannt ist, werden extrem dünne Schichten, z. B. in der Größenordnung der Dicke von einigen zehntel Millimetern, typischerweise im selektiven Lasersintern verwendet. Mit solchen dünnen Schichten ändert sich in vielen Fällen oftmals nicht drastisch die Form der Querschnitte des Artikels von Schicht zu Schicht. Demgemäss nimmt man an, dass die Berechnungen für die optimierte Füllabtastung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nicht notwendigerweise für jede Schicht ausgeführt werden müssen, sondern alternativ periodisch auf Schichten in der Sequenz angewandt werden können. Ein solches Abtasten der Schichten zum Optimieren der Abtastrichtung wird besonders vorteilhaft in Systemen sein, die begrenzte Rechnerkapazitäten für den Computer 140 aufweisen oder in denen der Computer 140 durch andere Aufgaben belastet ist, die in dem Aufbauzyklus des selektiven Lasersinterns involviert sind. Der Computer 140 kann des Weiteren in einer Alternative den Artikel oder die Artikel analysieren, die in dem Aufbauzyklus involviert sind, und er kann einen regelbasierten oder anders angepassten Algorithmus anwenden, um zu bestimmen, welche spezifischen Schichten in dem Aufbau für die Optimierung der Abtastrichtung verarbeitet werden sollten; z. B. kann der Computer 140 jene Schichten identifizieren, an denen signifikante Änderungen in den Querschnitten des Artikels vorhanden sind.
Der Erzeugung der optimierten Füllvektoren für die nächste Schicht folgend wird der Prozess 206 als nächstes ausgeführt, um die nächste Pulverschicht über der zuvor gesinterten Schicht zu verteilen. Die Prozesse 208 und 210 steuern dann den Laserstrahl 105, um die Querschnitte dieser neuen Schicht in der oben beschriebenen Art füllabzutasten und vektorzuumreißen.
Der Vorgang setzt sich fort über die Entscheidung 213, bis der Aufbauzyklus komplettiert ist (Entscheidung 213 ist Nein). Es wird dann ein Abkühlen des Teilbettes 107, das den gesinterten Artikel oder die Artikel enthält, ausgeführt, sofern es für das verwendete Material geeignet ist, wobei es durch das Entfernen des losen Pulvers von der Umgebung der Artikel gefolgt ist. Es wird dann ein Nacharbeiten, wie beispielsweise ein Glühen oder Infiltrieren der Artikel mit einem anderen Material, um die Eigenschaften des Artikels zu verbessern, durchgeführt, wie es gewünscht ist, um die Herstellung der Artikel zu vervollständigen.
Die vorliegende Erfindung liefert wichtige Vorteile im selektiven Lasersintern, insbesondere im Verbessern der Effizienz und der Herstellungskapazität von Systemen zum selektiven Lasersintern. Es wird erwartet, dass die Gesamtzeit für den Aufbauzyklus durch die Implementierung dieser Erfindung wesentlich reduziert werden kann. Diese Verbesserung in der Aufbauzykluszeit ist zu geringen Kosten erhältlich, anders als Rechnerressourcen des Rechnersystems. Zieht man die wesentlichen Fortschritte in der Anwendbarkeit moderner Mikroprozessoren und Computersysteme in Betracht, wird daher erwartet, dass adäquate Rechnerressourcen zu Verwendung gemäß dieser Erfindung erhältlich sind.
Während die vorliegende Erfindung gemäß ihrer bevorzugen Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es natürlich in Betracht gezogen worden, dass Modifikationen der und Alternativen zu diesen Ausführungsformen dem Fachmann unter Bezugnahme auf diese Beschreibung und die Zeichnungen offensichtlich sein werden, wobei diese Modifikationen und Alternativen die Vorteile und den Nutzen dieser Erfindung erreichen. Es wird angenommen, dass solche Modifikationen und Alternativen im Rahmen dieser Erfindung enthalten sind, wie sie nachfolgend beansprucht ist.

Claims

1. Ein Verfahren zum Herstellen zumindest eines dreidimensionalen Artikels, die folgenden Schritte aufweisend:
Empfangen einer computerlesbaren Repräsentation des zumindest einen Artikels;
Betreiben eines Computers zum Durchführen einer Sequenz von Operationen für jede einer Mehrzahl von Schichten des zumindest einen Artikels, aufweisend:
Definieren der Position von zumindest einem Querschnitt, der in der Schicht zu bilden ist;
Abschätzen einer Füllabtastzeit für das Rasterabtasten des zumindest einen Querschnitts für jeden einer Mehrzahl von Drehwinkeln;
Auswählen des einen der Mehrzahl der Drehwinkel, entsprechend der niedrigsten, abgeschätzten Füllabtastzeit;
Berechnen der Füllabtastvektoren, entsprechend dem Schnitt des zumindest einen Querschnitts mit Linien in dem Koordinatensystem an einem Winkel relativ zu einer Koordinatenachse, entsprechend dem ausgewählten Drehwinkel, und
Speichern der berechneten Vektoren in einem Computerspeicher;
Verteilen einer Schicht eines Pulvers an einer Zieloberfläche;
Abtasten eines Energiestrahls an ausgewählten Orten der Schicht des Pulvers gemäß den Vektoren, die in dem Computerspeicher gespeichert sind;
Wiederholen der Schritte des Verteilens und des Abtastens für eine Mehrzahl von Schichten des Pulvers, um den Artikel zu bilden.

2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1,
wobei für zumindest eine der Schichten eine Mehrzahl von Querschnitten definiert ist und
wobei die Schritte des Abschätzens, des Auswählens, des Berechnens und des Speicherns für jede der Mehrzahl von Querschnitten wiederholt werden.

3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend:
für den zumindest einen Querschnitt Berechnen der Umrissvektoren, entsprechend den Grenzen des Querschnitts.

4. Das Verfahren gemäß Anspruch 3, weiterhin aufweisend:
Speichern der berechneten Umrissvektoren in dem Computerspeicher zur Verwendung in dem Abtastschritt.

5. Das Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei einer der Mehrzahl der Drehwinkel einem Winkel eines längsten Umrissvektors des Querschnitts relativ zur Koordinatenachse entspricht.

6. Das Verfahren gemäß Anspruch 5, weiterhin aufweisend:
Speichern der berechneten Umrissvektoren in dem Computerspeicher zur Verwendung in dem Abtastschritt.

7. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend:
Speichern in dem Computerspeicher von einem Abstandswert für die Füllabtastung als ein ausgewählter Abstand zwischen angrenzenden Füllabtastvektoren, die in dem Berechnungsschritt berechnet wurden;
Speichern eines Abtastverhältnisses entsprechend einem Bruchteil einer Dichte der Füllabtastvektoren, entsprechend dem ausgewählten Abstand.

8. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Speicherschritt für jede der Mehrzahl der Schichten vor dem Verteilen einer ersten Schicht eines Pulvers auf der Zieloberfläche ausgeführt wird.

9. Eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes, aufweisend:
ein Pulverliefersystem zum Aufbringen aufeinanderfolgender Pulverschichten;
einen Laser zum Erzeugen eines Laserstrahls;
ein Abtastsystem zum steuerbaren Ausrichten des Laserstrahls auf die Zielebene an der Oberfläche einer Pulverschicht, und
einen Computer, der an das Abtastsystem gekoppelt ist und programmiert ist, um eine Mehrzahl von Operationen auszuführen, umfassend:
Definieren der Position von zumindest einem Querschnitt, der in der Schicht zu bilden ist;
Abschätzen einer Füllabtastzeit für das Rasterabtasten des zumindest einen Querschnitts für jeden der Mehrzahl von Drehwinkeln;
Auswählen des einen der Mehrzahl von Drehwinkeln entsprechend der niedrigsten, abgeschätzten Füllabtastzeit;
Berechnen der Füllabtastvektoren, entsprechend dem Schnitt des zumindest einen Querschnitts mit Linien in dem Koordinatensystem an einem Winkel relativ zu einer Koordinatenachse, entsprechend dem ausgewählten Drehwinkel;
Speichern der berechneten Vektoren für die Füllabtastung in einem Computerspeicher, und
Steuern des Abtastsystems, um den Laserstrahl auf die Zieloberfläche gemäß den gespeicherten, berechneten Füllabtastvektoren zu richten.

10. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Mehrzahl der Operationen weiterhin aufweist:
Berechnen der Umrissvektoren, entsprechend den Grenzen des Querschnitts für den zumindest einen Querschnitt.

11. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei der Computer ebenfalls programmiert ist, um das Abtastsystem zu steuern, um den Laserstrahl gemäß der berechneten Umrissvektoren auszurichten.

12. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 9, weiterhin aufweisend:
einen beweglichen Teilkolben zum Unterstützen der aufeinanderfolgenden Pulverschichten, wobei der bewegliche Teilkolben betriebsfähig ist, um sich von dem Abtastsystem zwischen dem Aufbringen der aufeinanderfolgenden Pulverschichten wegzubewegen, so dass die Zielebenen, die durch jede neu aufgebrachte Pulverschicht gebildet wird, in der im Wesentlichen gleichen Entfernung von dem Abtastsystem angeordnet ist.

13. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei einer der Mehrzahl der Drehwinkel einem Winkel eines längsten Umrissvektors des Querschnitts relativ zu der Koordinatenachse entspricht.

14. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 9,
wobei der Computer betrieben wird, um für zumindest eine der Schichten eine Mehrzahl von Querschnitten zu definieren und
wobei die Operationen des Abschätzens, Auswählens, Berechnens und Speicherns durch den Computer für jeden der Mehrzahl der Querschnitte wiederholt werden.

15. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Mehrzahl der Operationen weiterhin aufweist:
Speichern im Computerspeicher von einem Abstandswert für die Fülllabtastungen als ein ausgewählter Abstand zwischen angrenzenden Füllabtastvektoren, die in dem Berechnungsschritt berechnet wurden;
Speichern eines Abtastverhältnisses, entsprechend einem Bruchteil einer Dichte der Füllabtastvektoren, entsprechend dem ausgewählten Abstand.

16. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei der Computer die Speicheroperation für jede der Mehrzahl der Schichten vor dem Verteilen einer ersten Schicht eines Pulvers auf der Zieloberfläche durchführt.