EP3242762A1 - Vorrichtung und generatives schichtbauverfahren zur herstellung eines dreidimensionalen objekts mit mehrzahligen strahlen - Google Patents

Vorrichtung und generatives schichtbauverfahren zur herstellung eines dreidimensionalen objekts mit mehrzahligen strahlen

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EP3242762A1
EP3242762A1 EP15819842.4A EP15819842A EP3242762A1 EP 3242762 A1 EP3242762 A1 EP 3242762A1 EP 15819842 A EP15819842 A EP 15819842A EP 3242762 A1 EP3242762 A1 EP 3242762A1
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EP
European Patent Office
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beams
overlap
subregions
area
areas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15819842.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerd Cantzler
Albert Fruth
Bernd LABRENTZ
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EOS GmbH
Original Assignee
EOS GmbH
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Publication date
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Publication of EP3242762A1 publication Critical patent/EP3242762A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention is directed to an apparatus for producing a three-dimensional object by means of a generative layer construction method. It also relates to a generative layer construction process itself. Generative production processes or generative layer construction processes can be used to produce a large number of different types of objects. Examples include dental crowns, engine blocks or shoes. Here are different materials, such. As plastic powder, metal powder, foundry sand, etc. are used. The basic sequence of such a method and the basic structure of a corresponding device are described, for example, in EP 0 734 842 A1 using the example of a laser sintering method.
  • a laser with associated scanning device is provided, by means of which a solidification of the powder is possible at all points of the construction field.
  • the accuracy with which details of the object can be produced within an object cross-section depends, inter alia, on the diameter of the laser beam used for the powder consolidation.
  • the diameter of the laser beam on the powder layer has a value between a few tens and a few hundred micrometers.
  • the problem arises that the laser beam from the scanner no longer approximately meets perpendicularly to a powder layer to be selectively solidified, but impinges excessively obliquely at the points of the powder layer farthest from the scanning device. This leads to an unintentionally strong increase in the effective area of the laser on the powder layer and thus to a reduction in the level of detail.
  • German patent application DE 43 02 418 AI deals with the problem that the laser beam can not be performed arbitrarily fast over a layer.
  • the patent application firstly describes a stereolithographic process, but also mentions powder as a material.
  • DE 43 02 418 Al it is proposed to provide a plurality of radiation sources, each with an associated deflection device for the laser beam. This allows different areas of a construction field to be irradiated and solidified simultaneously. Either a separate region of the layer is assigned to each laser beam or a region is solidified in such a way that several rays alternately brush adjacent line-shaped regions.
  • WO 2014/199144 A1 deals with the problem that, despite the simultaneous irradiation of a building material layer with a plurality of lasers, time losses occur at different locations.
  • a problem here is that, depending on the shape of an object cross-section, there are deflection devices which remain almost inactive, since there are only a few sites to be solidified in the area of the building material layer assigned to them, while other deflection devices apply the laser radiation to all locations within their area Work area.
  • the solidification time for an object cross section is then determined by the slowest Determined link in the chain, namely that deflection device that has to consolidate the largest area in their work area or requires the longest time for solidification in their workspace.
  • WO 2014/199134 A1 suggests an overlapping of the work areas assigned to the deflecting devices, so that an almost inoperative deflecting device can be used in an overlapping area with the working area of a neighboring deflecting device.
  • the automatic decision as to which positions in an overlap region should be used which laser, in other words, the coordination of the solidification of the material on this directed rays, not always easy.
  • An improvement is sought in particular to the effect that the implementation of the layer construction process is simplified.
  • a device of the type mentioned above has:
  • An entry device for the controlled directing radiation of at least one radiation source on an object cross-section corresponding areas of a coated layer of a building material within the construction field.
  • the entry device is designed and / or controlled in operation so that it can direct a plurality of rays simultaneously to different regions of the applied layer, and so that each of the plurality of rays exclusively to a (particular fixed) subregion of the layer assigned to it of the building material can be directed, wherein the subregion is smaller than the entire construction field and by the total number of subregions the entire construction field is covered.
  • the device for producing a three-dimensional object further comprises a control unit for controlling the insertion device, such that each of the rays, where it impinges on the layer, acts on the building material, in particular so that it is solidified. At least one of the subregions partially overlaps, but not completely, with at least one other of the subregions. An overlap sum of overlap areas formed by such overlaps comprises at least 10% of the total area of the construction field.
  • the control unit (10) is designed to simultaneously direct a plurality of beams onto at least a portion of an overlap area such that the impact areas of the plurality of beams overlap.
  • a certain overlap of subregions is present, so that when solidifying a jet, in the relevant subregion only a few points are solidified, can be used in an adjacent subregions in which many points must be solidified.
  • the impact areas overlap with the simultaneous solidification with several beams, then this brings a speed gain, since the individual beams have to enter less energy and thus can be moved faster over the building material.
  • an at least partially common, ie connected, melt pool of the building material is generated, whereby it can be realized, for example, that the multiple beams can be used synergistically for melting the building material.
  • the device according to the invention makes it possible in a simple manner to automatically coordinate a plurality of beams which are simultaneously directed to a region thereof for solidifying the building material.
  • the shape of the object cross-section to be consolidated need not be taken into consideration, since the impact areas of the beams are merely aligned with one another.
  • the invention is preferably applicable to devices which use electromagnetic radiation of the same wavelength to solidify the building material, it can equally be applied to devices in which solidification is by means of particle beams (for example by means of electrons).
  • the area of the overlap area of the impact areas should be at least 80
  • % more preferably substantially 100%, of the area of one of the landing areas of the plurality of beams.
  • the area in which energy is registered more narrowly bounded, so that the temperature distribution in the construction field can be better controlled.
  • An overlap of exactly 100% can not be achieved, in particular, if the impact areas have a similar size but a different shape. Even when using, for example, two beams of the same wavelength, this problem can occur when the two beams impinge at different obliquely on the building material, as already mentioned at the outset.
  • the total energy introduced by the plurality of beams in the overlap region of the impact points is equal to a pre-determined solidification energy for the build material at a location of the object cross section outside the overlap region. In this way, as homogeneous as possible energy input into the building material is provided, regardless of the number of rays used simultaneously for solidification.
  • control unit is designed so that it directs exactly two beams, namely a first beam and a second beam, at the same time on at least part of an overlap area.
  • the coordination of the beams and in particular the total energy registered in the building material by a plurality of beams simultaneously becomes very simple, in particular if the two beams register the same energy in the overlapping area.
  • the two beams are moved over the part of the overlap area before intersecting their impingement areas with monotonically decreasing distance of the impingement areas one after the other for solidification of the building material until the impingement areas overlap.
  • Such a procedure avoids strong local temperature differences due to the increase in the number of simultaneously operating beams.
  • at first only the first beam is directed onto the part of the overlapping area and contributes at least 100%, preferably substantially 100%, of the hardening energy predetermined in advance into the building material (11).
  • the second beam is additionally directed to the portion of the overlap region, wherein substantially at the beginning of the overlap of the impingement areas of both beams, the solidification energy introduced by the first beam is monotonically reduced and, at the same time, the solidification energy introduced by the second beam is monotonically increased until over - Cutting the impact areas with at least 80%, preferably with substantially 100%), together by the first beam and the second beam together substantially at least 100%, preferably substantially 100%, the predetermined solidification energy in the Construction material can be entered. With such a control of the registered by the rays of energy in the material can be avoided in particular strong temperature differences in a small space.
  • the two beams after intersection of their impingement areas are at least 80%, preferably substantially 100%, monotonically increasing the distance of the impingement areas one after another to solidify the beam Construction material moves over the overlap area until only one of the two beams is directed to the overlap area.
  • Particularly preferred is the procedure that, when the impact areas overlap with at least 80%, preferably with substantially 100%, of the two beams altogether at least 100%, preferably substantially 100%, of the previously determined solidification energy into the construction material be registered and with monotonously increasing distance of the impact areas, the energy introduced by one of the two beams is monotonically reduced and the energy introduced by the other beam is monotonously increased, so that finally only one of the two beams is directed to the part of the overlap area and there at least 100%, preferably substantially 100%), which enters pre-determined solidification energy.
  • At least one of the subregions partially or completely overlaps with more than one other of the subregions.
  • at least one of the subregions partially or completely overlaps with more than one other of the subregions.
  • Subregions an area in which it overlaps simultaneously with at least two other subregions.
  • a multiple partial overlap of at least one partial region with other partial regions is realized, in particular such that even a surface is formed which is formed from at least three, preferably even four, partial regions overlapping one another in the surface.
  • This increases in the area of this area inter alia, the synergy effect of several directable to this area rays that can complement each other even better.
  • all subregions have the same dimensions. This simplifies, for example, the clarity for a user and also for the control of the beams.
  • the subregions may have any shape, preferably at least one subregion, particularly preferably all subregions, is rectangular, in particular square.
  • each of the subregions overlap with the subregions adjacent to it.
  • the overlapping area with an adjacent partial region is the same for all overlapping partial regions.
  • a plurality of the subregions overlap with the subregions adjacent thereto and an extension of the overlapping of the sides in a first direction of the arrangement of the subregions is different from an extension of the overlap of the sides in a transverse, preferably perpendicular to the first direction two - direction.
  • the sides of two adjacent subregions substantially overlap one another along their entire extent in a spatial direction. This in turn simplifies the above-mentioned clarity and controllability.
  • the construction field is rectangular, in particular square, and there are four partial regions which are arranged in the corners of the construction field.
  • a total of at least three subregions preferably four, more preferably at least six and most preferably at least ten subregions, are present.
  • the number of subregions is even and in particular that the subregions are arranged at least in a row of two.
  • the subregions are arranged relative to one another such that at least part of their arrangement substantially or partially describes an open or closed circular or elliptical shape. This may, but does not necessarily mean that the construction field itself describes a (semi-) round or (semi-) elliptical shape at its outer boundaries.
  • angular subregions can also be arranged partially overlapping one another in such a way that together they do not describe a line or row and column arrangement, but rather a (partial) circle or a (partial) ellipse. It can also be provided in general in the context of this specific embodiment that in the middle of such an arrangement no construction field is, but the arrangement defines an open or closed (circular or elliptical) annulus.
  • the overlap total comprises at least 20%, particularly preferably at least 40%, of the total area of the construction field.
  • an excessively large overlap amount means that the construction field can not be chosen arbitrarily large due to the above-described necessity of avoiding excessive angles of the beams.
  • the overlap sum comprises at most 80%, particularly preferably at most 60%, of the total area of the construction field.
  • a generative layer construction method according to the invention for producing a three-dimensional object by means of a device has the following steps:
  • the picking device directing a plurality of beams simultaneously to different regions of the applied layer
  • each of the plurality of jets is directed exclusively to a subregion of the layer of the building material assigned to it, wherein the subregion is smaller than the entire construction field and the entire construction field is covered by the total number of subregions, at least one of the subregions having at least one others of the subregions partially but not completely overlapped and an overlap sum of overlap areas formed by such overlaps comprises at least 10% of the total area of the construction field,
  • the insertion device being controlled in such a way that each of the rays in its impact area, ie where it impinges on the layer, acts on the building material, in particular in such a way that it solidifies,
  • a plurality of beams are simultaneously directed to at least a portion of an overlap area such that the landing areas of the plurality of beams overlap.
  • FIG. 1 shows the schematic structure of an embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 2 shows a plan view of the construction field with subregions swept by laser beams for an exemplary embodiment with four laser beams.
  • FIG. 3 shows a plan view of the construction field with subregions swept by laser beams for an exemplary embodiment with six subregions.
  • FIG. 4 shows a plan view of the construction field with subregions swept by laser beams for an embodiment with ten subregions.
  • FIG. 5 shows a plan view of the construction field with subregions swept by laser beams for an exemplary embodiment with five subregions.
  • 6 shows a plan view of two overlapping partial regions of the construction field to illustrate a solidification according to the invention by a plurality of beams in the overlapping region.
  • FIG. 7 shows a plan view of two overlapping partial regions of the construction field for the purpose of illustrating an alternative solidification according to the invention by a plurality of beams in the overlapping area.
  • FIG. 8 shows a plan view of two overlapping partial regions of the construction field, to illustrate a procedure according to the invention for changing the number of beams used simultaneously for solidifying a region.
  • the present application generally refers to a construction method under the term "generative production method" in which objects are produced from an informal material, in particular a powder, by stratified solidification using radiation energy, in particular as described in more detail in the following examples, laser energy Below, therefore, a “laser” is described by way of example as a radiation source, without restricting the content of this disclosure.
  • the present invention can be implemented not only in connection with laser radiation, but also in connection with other electromagnetic radiation, but in particular also in connection with particle radiation (eg electron beams) can be implemented.
  • the present application is directed to such an original molding method in which an object in the desired shape is produced without the aid of external molds by irradiating a laser with those sites in a building material layer to be solidified into a cross section of the object to be manufactured be changed, wherein the point of action of the laser in the layer is changed by means of a scanner.
  • a method are selective laser melting, selective laser sintering, and stereolithography techniques.
  • solidifying in the present application is understood to mean a process of irradiating a liquid or powdery building material in such a way that the building material is partially or completely melted at these locations by the heat energy introduced by the radiation, so that it is after its Cooling is present as a solid describes.
  • a predetermined solidification energy corresponds to the heat energy to be introduced per unit area for the solidification process. Therefore, if a "pre-determined amount of energy to be entered" is mentioned below, this means that within the surface area to which this statement relates, the heat energy to be introduced per unit area is entered at all points for the solidification process.
  • the term "impact area” refers to the area of the area on the building material surface within which a beam interacts with the building material, that is, absorbs heat.
  • the area in which the consolidation takes place is solidification of the building material.
  • an overlap of impingement areas is then preferably present when the areas assigned to the individual beams in which solidification takes place overlap. If solidification is caused by the jets forming a molten bath in the constituent material layer, respectively, an overlap of jets is preferred when they are associated with the individual jets
  • the term "beam” is not limited to radiation that impinges on a powder layer almost punctiform.
  • the term also includes radiation which, for example, strikes a line or a beam spot, which due to its large extent would no longer be referred to as "punctiform".
  • Punctiform it is important that a ray scans sequentially the subregion assigned to it.
  • the apparatus shown in Fig. 1 comprises a building container 1, in which a support 2 is provided for supporting an object 3 to be produced.
  • the carrier 2 can be moved via a height adjustment device 4 in the vertical direction in the construction container 1.
  • the plane in which applied powdery building material is solidified defines a working plane.
  • the part of the working level which is enclosed by the building container 1 or else a specially delimited area within the part of the working level enclosed by the building container 1 is referred to as building area 5.
  • the extent of the construction field is identical to the horizontal extent of the support.
  • a laser 6 is provided, which generates a laser beam 7, which is focused on deflection devices 8 and 9 on the construction field 5.
  • FIG. 1 shows by way of example two deflection devices (scanners) to which light is supplied from the laser 6.
  • the laser beam 7 generated by the laser 6 is thereby split (not shown in detail) into a laser beam 7a, which is reflected at the deflector 8, and a laser beam 7b, which is reflected at the deflector 9.
  • the deflection devices 8 and 9, which are shown only schematically, can each be a galvanometer mirror pair, which is controlled by a controller 10.
  • the controller 10 accesses data that includes the structure of the object to be produced (a three-dimensional CAD layer model of the object).
  • the data contain precise information about each layer to be consolidated, each layer to be consolidated being associated with a cross-section of the object to be produced.
  • the deflection devices 8 and 9 are controlled in such a way that the laser beams 7a and 7b are directed to those points of the construction field 5 at which solidification in a layer of the applied powdery building material is to be effected by the action of the laser light.
  • a feeding device 11 is shown schematically, can be supplied with the powdered building material for a layer.
  • the building material is then applied in the construction field 5 with a certain layer thickness and smoothed.
  • the carrier 2 is lowered layer by layer, applied a new powder layer and solidified by means of the laser beams 7a and 7b at the respective object corresponding points of the respective layer in the building field.
  • pulverulent build-up material it is possible to use all powders or powder mixtures suitable for a laser sintering process or laser melting process.
  • powders include e.g. Plastic powders such as polyamide or polystyrene, PAEK (polyaryletherketones), elastomers such as PEBA (polyether block amides), metal powders (e.g., stainless steel powder, but also alloys), plastic-coated sand, and ceramic powders.
  • a plurality of deflection devices is provided. The number need not be limited to two deflection devices, as exemplified in FIG. 1. As will be explained below with reference to FIG. 2, each deflection device is assigned a partial region of the construction field 5. This means that the (partial) region into which the laser beam can be deflected by means of a deflection device is limited and comprises only a fixed part of the construction field.
  • Fig. 2 shows an embodiment of the invention, in which four laser beams are present, which can be directed to the construction field.
  • Fig. 2 shows a plan view of the construction field, which is square in this embodiment. Shown schematically are four sub-regions 7a ', 7b', 7c 'and 7d', which are those sub-regions that can be swept by corresponding laser beams 7a, 7b, 7c and 7d. This means that a partial region 7a 'is assigned to the laser beam 7a, a partial region 7b' is assigned to the laser beam 7b, etc. In particular, it can be seen in FIG. 2 that the square partial regions 7a ', 7b', 7c 'and 7d' are partially integral with one another overlap.
  • the partial regions 7a 'and 7b' overlap each other in a horizontal direction in FIG.
  • the arrangement just described of the sub-regions swept by the laser beams in the construction field 5 causes the building material to solidify in the overlapping areas of two subregions both with the laser beam associated with one subregion and with the laser beam associated with the other subregion. Since preferably the individual subregions associated laser beams are directed simultaneously to the construction field, causes the selected arrangement that in the overlapping surfaces, a solidification of the building material can take place faster because there two laser beams can solidify the material at the same time.
  • the areas marked A are reached by only one laser beam.
  • the areas marked B can be reached by two laser beams.
  • the area marked C can be reached by four laser beams.
  • each of the two laser beams can enter half of the energy required for solidification Laser beams are coated so that a track of the one laser beam between each two adjacent tracks of the other laser beam Ray is lying.
  • the solidification takes place in a corresponding manner with four laser beams.
  • FIG. 6 shows a plan view of two overlapping partial regions 30 and 40 of the construction field to illustrate the procedure according to the invention for solidifying the construction material in the overlapping region of two partial regions with a plurality of beams.
  • the two subregions 30 and 40 are each rectangular and extend horizontally between the sides 30a and 30b and 40a and 40b, respectively.
  • the overlapping area extends horizontally between the lines 40a and 30b in FIG. 6.
  • the beams are coordinated with one another in such a way that the impact areas of the beams are on overlap the layer when painting the building material.
  • reference numeral 50 designates an impact area of a first laser beam
  • reference numeral 60 designates the impact area of a second laser beam.
  • the two impact areas are approximately circular.
  • the overlapping area of both impact areas 50 and 60 is designated by the reference numeral 55.
  • a first laser beam is directed onto the impingement region 50 via the deflecting device 8
  • a second laser beam is directed onto the impinging region 60 via the deflecting device 9.
  • the two impact areas are now moved synchronously over the construction field within the overlapping area, wherein preferably the size of the area of the overlapping area 55 does not change.
  • the energy of the two beams deflected by the deflection devices 8 and 9 is correspondingly reduced such that the energy introduced in the overlap region 55 substantially equals the introduced energy at other locations in the applied build-up material layer ,
  • the beam associated with the impact area 50 could provide 50% of the energy to be input, and the beam associated with the impact area 60 could also provide 50% of the energy.
  • the first beam (assigned to region 50) to introduce only 30% of the energy and for the beam associated with region 60 to introduce 70% of the energy.
  • any combination is possible as long as ultimately at least 100% of the energy to be entered in advance is entered in the overlap area 55.
  • the energy to be introduced in advance for solidifying the building material depends on the type of building material, its densification in the application of layers, the working temperature at which the radiation is directed to the building material and even more parameters. When changing the size of the area of the overlapping area, it is preferred that by the individual
  • the simultaneous solidification within the overlapping area can also take place in such a way that adjacent laser tracks to which different laser beams are assigned are simultaneously solidified.
  • the overlapping area of FIG. 7 corresponds to that of FIG. 6.
  • the impact areas 50 and 60 are no longer shown.
  • Fig. 7 shows resulting beam traces 50 'and 60' which are formed by the process of impact regions 50 and 60 over the construction field.
  • the impact areas 50 and 60 would first be moved along the two upper tracks 50 'and 60' in FIG.
  • Fig. 3 shows an embodiment of the invention, in which the rectangular construction field is covered by six subregions, each associated with a laser beam. For the sake of clarity, only the outlines of two subregions are highlighted. However, the position of the subregions is indicated by curly brackets. In the areas designated A, again only one laser beam is active. In the areas designated B, there is an overlap of two subregions with each other, and in the areas denoted C there is an overlap of four subregions. In particular, it can be seen in Fig. 3 that the overlap of partial regions in the horizontal direction of the figure has a different size than the overlap in a vertical direction in the figure. As a result of the arrangement of the partial regions in FIG. 3, more than 50% of the construction field can be exposed with more than one laser beam.
  • Fig. 4 shows an embodiment in which ten partial regions are shown instead of six partial regions.
  • the arrangement of the subregions and also of the individual surfaces A, B and C is corresponding to the arrangement in FIG. 3. It can be seen from FIG. 4 that the invention can be implemented with any number of subregions. Even with eight, twelve, fourteen, etc. subregions, the corresponding division of the construction field would be analogous.
  • Fig. 5 shows a further embodiment with five subregions. Four subregions are arranged as shown in FIG. Only the additional fifth subregion is highlighted and positionally marked with curly braces. In the areas designated A, again only one laser beam is active.
  • the additional fifth partial region means that five laser beams can be active at the same time in the center of the construction field (area D).
  • a corresponding procedure as in FIG. 5 is also with another odd-numbered one Number of laser beams possible.
  • additional subregions may also be placed in the middle in the arrangements of FIG. 3 and FIG. 4.
  • FIG. 8 shows, like FIGS. 6 and 7, a plan view of two overlapping partial regions of the construction field in this example.
  • the impact regions 50 and 60 of two laser beams are again shown in the overlap region of the two subregions between the lines 40a and 30b.
  • An inventive method can, for example, look like the following: i) First, the solidification in the overlapping area takes place only with the first one
  • the laser beam contributes at least 100%, preferably substantially 100%, of the energy which has been predetermined in advance and is to be entered for solidification of the building material.
  • Structural material layer has been directed within the overlap area, the Immediately at the beginning of its movement over the cross-section of the object within the overlap area, 0% of the energy to be entered in advance.
  • the distance between the two landing areas 50 and 60 is gradually reduced. This can be done, for example, such that the impact areas are moved over the construction field at different speeds, and, as shown in FIG. 8, for example, the impact area 50 in the movement follows the impact area 60, but is moved at a higher speed than the impact area 60.
  • the energy introduced by the first laser is reduced in accordance with a monotonically decreasing function. To the same extent, however, the energy introduced by the second laser is increased.
  • the procedure is not limited to the example of FIG. 8.
  • the impact area 60 could just as well move toward the impact area 50, for example when the second laser beam travels after the first laser beam.
  • both beams are synchronized with at least 80% overlap of their impingement areas, preferably substantially complete intersection of their impingement areas, over an object cross-section to be solidified 8, in the overlapping area shown in FIG.
  • the speed of the second beam is reduced, so that the area of the overlap area gradually decreases and finally the second beam runs after the first beam.
  • the energy introduced by the second beam is reduced following a monotonically decreasing function and the energy of the first beam is correspondingly increased.
  • the solidification in the overlapping area is performed only by the first beam, which then at least 100%, preferably substantially 100%, enters a pre-determined set energy to be entered.
  • the procedure described with the aid of FIG. 8 is not limited to two beams used simultaneously for solidification in the overlapping area.
  • the second beam in FIG. 8 when the second beam in FIG. 8 is connected in, it does not necessarily have to enter essentially 0% of the energy to be entered in advance into the material, even if the impact areas do not yet overlap.
  • the added beam could initially input 20% of the pre-determined energy.
  • a delayed cooling of the material after solidification with the first jet would be effected if the second jet travels after the first jet. If the first jet first precedes the second jet, the second jet would preheat the material before solidifying it with the first jet.
  • the energy of the wegzugateden beam before Wegsc might not inevitably reduced to 0%, but could be previously reduced, for example, to only 20%, even if the impact areas no longer overlap.
  • a procedure described with reference to FIG. 8 also permits controlled "encounters" of two or more beams during joint solidification within an overlapping area. It then presents no problem if two or more beams come together very closely during joint solidification or the associated impact areas intersect at times, although the impact areas do not overlap most of the time.
  • the described embodiments of the invention can be modified in many ways:
  • the beams need not all be generated by a single radiation source that interacts with multiple deflectors. It is quite possible to allocate an individual radiation source to all or even only individual ones of the deflection devices or to assign a number of deflection devices, which is smaller than a total number of deflection devices, to a radiation source. In addition, not all radiation sources necessarily have to be the same, although this is preferably the case.
  • the controller 10 must ensure that exposure outside the construction field is prevented. (The theoretically possible by a galvanometer mirror range in which a beam can radiate, so is limited by the controller 10).
  • the invention is also applicable in a case where the construction field and / or the partial regions assigned to the beams are not rectangular.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts. Auf mindestens einem höhenverfahrbaren Träger (2) wird das Objekt (3) aufgebaut. Die horizontale Ausdehnung des/der Träger definiert ein Baufeld (5). Eine Eintragsvorichtung (6, 8, 9) richtet gesteuert Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle auf einem Objektquerschnitt entsprechende Bereiche einer aufgetragenen Schicht. Die Eintragsvorrichtung (6, 8, 9) richtet eine Mehrzahl von Strahlen gleichzeitig auf unterschiedliche Regionen der aufgetragenen Schicht. Jeder der Strahlen wird ausschließlich auf eine ihm zugewiesene Teilregion der Schicht gerichtet, wobei die Teilregion kleiner ist als das gesamte Baufeld (5). Durch die Gesamtzahl der Teilregionen wird das gesamte Baufeld (5) überdeckt. Mittels einer Steuereinheit (10) wird die Eintragsvorrichtung (6, 8, 9) gesteuert. Mindestens eine der Teilregionen überlappt mit mindestens einer anderen der Teilregionen teilweise, aber nicht vollständig. Eine Überlappungssumme von durch derartige Überlappungen gebildeten Überlappungsflächen umfasst mindestens 10% der Gesamtfläche des Baufelds umfasst.

Description

VORRICHTUNG UND GENERATIVES SCHICHTBAUVERFAHREN ZUR HERSTELLUNG
EINES DREIDIMENSIONALEN OBJEKTS MIT MEHRZAHLIGEN STRAHLEN
Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels eines generativen Schichtbauverfahrens. Sie betrifft auch ein generatives Schichtbauverfahren selbst. Generative Fertigungsverfahren bzw. generative Schichtbauverfahren können zur Herstellung einer Vielzahl verschiedenartiger Objekte zum Einsatz kommen. Als Beispiele seien hier Zahnkronen, Motorblöcke oder Schuhe genannt. Hierbei kommen unterschiedliche Materialien, wie z. B. Kunststoffpulver, Metallpulver, Formsand, etc. zum Einsatz. Der grundlegende Ablauf eines solchen Verfahrens und der grundlegende Aufbau einer entsprechenden Vorrich- tung sind beispielsweise in EP 0 734 842 AI am Beispiel eines Lasersinterverfahrens beschrieben.
Bei dem in EP 0 734 842 AI beschriebenen Verfahren ist ein Laser mit zugehöriger Scanvorrichtung vorhanden, mittels derer an allen Stellen des Baufelds eine Verfestigung des Pulvers möglich ist. Die Genauigkeit, mit der Details des Objekts innerhalb eines Objektquerschnitts hergestellt werden können, hängt dabei unter anderem von dem Durchmesser des für die Pulververfestigung verwendeten Laserstrahls ab. Üblicherweise hat der Durchmesser des Laserstrahls auf der Pulverschicht einen Wert zwischen einigen zehn und einigen hundert Mikrometern. Insbesondere bei großen Bauteilen bzw. Baufeldern tritt das Problem auf, dass der Laserstrahl vom Scanner nicht mehr näherungsweise senkrecht auf eine selektiv zu verfestigende Pulverschicht trifft, sondern an den von der Scanvorrichtung am weitesten entfernten Stellen der Pulverschicht übermäßig schräg auftrifft. Dies führt zu einer ungewollt starken Vergrößerung der Wirkfläche des Lasers auf der Pulverschicht und damit zu einer Verringerung der Detailgenauigkeit.
Die US-Patentanmeldung US 2004/0094728 AI begegnet dem eben erwähnten Problem dadurch, dass die Scanvorrichtung auf einen Kreuzschlitten montiert ist, so dass entfernte Stel- len des Baufelds nicht dadurch erreicht werden, dass der Laserstrahl stark abgelenkt wird, sondern dadurch, dass die Scanvorrichtung zusätzlich auf dem Kreuzschlitten über dem Baufeld verfahren wird. Die Montage der Scanvorrichtung auf einem Kreuzschlitten führt jedoch dazu, dass sich die Bauzeit verlängert, da die Scanvorrichtung vor einem Verfestigungsvorgang erst mittels des Kreuzschlittens verfahren werden muss.
Die deutsche Patentanmeldung DE 43 02 418 AI beschäftigt sich mit dem Problem, dass der Laserstrahl nicht beliebig schnell über eine Schicht geführt werden kann. In der Patentanmeldung ist zuvörderst ein stereolithografisches Verfahren beschrieben, jedoch wird auch Pulver als Werkstoff genannt. Gemäß DE 43 02 418 AI wird vorgeschlagen, eine Mehrzahl von Strahlungsquellen mit jeweils einer zugeordneten Ablenkvorrichtung für den Laserstrahl vorzusehen. Damit können unterschiedliche Bereiche eines Baufelds gleichzeitig bestrahlt und verfestigt werden. Entweder wird dabei jedem Laserstrahl ein separater Bereich der Schicht zugewiesen oder aber ein Bereich wird derart verfestigt, dass mehrere Strahlen abwechselnd nebeneinander liegende linienförmige Bereiche bestreichen.
WO 2014/199134 AI widmet sich dem Problem, dass es trotz des gleichzeitigen Bestrahlens einer Aufbaumaterialschicht mit mehreren Lasern an unterschiedlichen Stellen zu Zeitverlusten kommt. Als Problem wird hier gesehen, dass es abhängig von der Gestalt eines Objektquerschnitts Ablenkvorrichtungen gibt, die nahezu untätig bleiben, da es in dem ihnen zugeordne- ten Bereich der Aufbaumaterialschicht nur wenige zu verfestigende Stellen gibt, während andere Ablenkvorrichtungen die Laserstrahlung auf alle Stellen innerhalb ihres Arbeitsbereichs lenken müssen. Die Verfestigungszeit für einen Objektquerschnitt wird dann durch das langsamste Glied in der Kette bestimmt, nämlich diejenige Ablenkvorrichtung, die die größte Fläche in ihrem Arbeitsbereich verfestigen muss bzw. die die längste Zeit für die Verfestigung in ihrem Arbeitsbereich benötigt. Zur Lösung des Problems schlägt WO 2014/199134 AI eine Überlappung der den Ablenkvorrichtungen zugeordneten Arbeitsbereiche vor, so dass eine nahezu un- tätige Ablenkvorrichtung in einem Überlappungsbereich mit dem Arbeitsbereich einer Nachbar-Ablenkvorrichtung eingesetzt werden kann.
Da die Lage des Objektquerschnitts von Schicht zu Schicht variieren kann und darüberhinaus ein Objektquer schnitt eine komplexe Geometrie aufweisen kann, ist die automatische Ent- Scheidung, an welchen Stellen in einem Überlappungsbereich welcher Laser zum Einsatz kommen soll, mit anderen Worten die Koordinierung der zur Verfestigung des Materials auf dieses gerichteten Strahlen, nicht immer einfach.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative und/oder verbesserte Vorrichtung zur Durchführung eines generativen Schichtbauverfahrens und ein zugehöriges generatives Schichtbauverfahren bereitzustellen. Eine Verbesserung wird dabei insbesondere dahingehend angestrebt, dass die Durchführung des Schichtbauverfahrens vereinfacht wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach An- spruch 14. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Dabei können die in den Unteransprüchen und der untenstehenden Beschreibung zur Vorrichtung genannten Weiterbildungen bzw. Ausführungen auch als Weiterbildungen bzw. Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens angesehen werden oder umgekehrt. Erfindungsgemäß weist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art auf:
- mindestens einen höhenverfahrbaren Träger, auf dem das Objekt aufgebaut wird und dessen horizontale Ausdehnung ein Baufeld definiert,
- eine Eintragsvorrichtung zum gesteuerten Richten von Strahlung mindestens einer Strah- lungsquelle auf einem Objektquerschnitt entsprechende Bereiche einer aufgetragenen Schicht eines Aufbaumaterials innerhalb des Baufelds. Dabei ist die Eintragsvorrichtung so ausgebildet und/oder im Betrieb gesteuert, dass sie eine Mehrzahl von Strahlen gleichzeitig auf unterschiedliche Regionen der aufgetragenen Schicht richten kann, und so, dass jeder der Mehrzahl von Strahlen ausschließlich auf eine ihm zugewiesene (insbesondere fixe) Teilregion der Schicht des Aufbaumaterials gerichtet werden kann, wobei die Teilregion kleiner ist als das gesamte Baufeld und durch die Gesamtzahl der Teilregionen das gesamte Baufeld überdeckt wird. Außerdem weist die Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts weiterhin eine Steuereinheit zum Steuern der Eintragsvorrichtung auf, dergestalt, dass jeder der Strahlen dort, wo er auf die Schicht auftrifft, auf das Aufbaumaterial einwirkt, insbesondere so, dass dieses verfestigt wird. Mindestens eine der Teilre- gionen überlappt dabei mit mindestens einer anderen der Teilregionen teilweise, aber nicht vollständig. Eine Überlappungssumme von durch derartige Überlappungen gebildeten Überlappungsflächen umfasst mindestens 10% der Gesamtfläche des Baufelds. Insbesondere ist die Steuereinheit (10) so ausgelegt, dass sie eine Mehrzahl von Strahlen gleichzeitig so auf zumindest einen Teil einer Überlappungsfläche richtet, dass die Auftreffbereiche der Mehrzahl von Strahlen sich überschneiden.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, einen Objektquerschnitt an mehreren Stellen gleichzeitig zu verfestigen, was zu einer Verkürzung der Herstellungszeit für ein Objekt führt:
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein gewisser Überlapp von Teilregionen vorhanden, so dass bei der Verfestigung ein Strahl, in dessen betreffender Teilregion nur wenige Stellen verfestigt werden, in einer benachbarten Teilregionen eingesetzt werden kann, in der viele Stellen verfestigt werden müssen. Wenn sich weiterhin die Auftreffbereiche beim gleichzeiti- gen Verfestigen mit mehreren Strahlen überschneiden, dann bringt dies einen Geschwindigkeitsgewinn, da die Einzelstrahlen weniger Energie eintragen müssen und dadurch schneller über das Aufbaumaterial bewegt werden können. Bevorzugt wird beim Überschneiden der Auftreffbereiche ein mindestens teilweise gemeinsames, d.h. verbundenes Schmelzbad des Aufbaumaterials generiert, wodurch beispielsweise realisiert werden kann, dass die mehreren Strahlen synergetisch zum Aufschmelzen des Aufbaumaterials genutzt werden können. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung auf einfache Weise eine automatische Koordination einer Mehrzahl von Strahlen, die gleichzeitig zur Verfestigung des Aufbaumaterials auf einen Bereich desselben gerichtet werden. Für die Koordination muss nicht die Gestalt des zu verfestigenden Objektquerschnitts in Betracht gezogen werden, da die Auftreff- bereiche der Strahlen lediglich gegeneinander ausgerichtet werden.
Untersuchungen an testweise hergestellten Objekten unterschiedlichster Gestalt haben weiterhin gezeigt, dass eine spürbare Verringerung der Herstellungszeit aufgrund des eben beschriebenen Vorgehens im Mittel dann eintritt, wenn die Überlappungssumme den oben genannten Wert von mindestens 10% der Gesamtfläche des Baufelds umfasst. Die Verringerung der Herstellungszeit ist dabei umso größer, je größer die Überlappungssumme ist, so dass für Letztere bevorzugt ein Wert von mindestens 20%, besonders bevorzugt von mindestens 40% der Gesamtfläche des Baufelds vorteilhaft ist. Als Obergrenze der Überlappungssumme haben sich in Versuchen höchstens 80%, insbesondere höchstens 60% der Gesamtfläche des Baufelds bewährt. Dies steht in Zusammenhang mit der oben beschriebenen Problematik des übermäßig schrägen Energieeintrags durch einen Strahl. Obwohl die Erfindung bevorzugt auf Vorrichtungen anwendbar ist, bei denen zum Verfestigen des Aufbaumaterials elektromagnetische Strahlen gleicher Wellenlänge verwendet werden, kann sie in gleicher Weise in Vorrichtungen angewendet werden, in denen die Verfestigung mittels Teilchenstrahlen (z.B. mittels Elektronen) erfolgt. Bevorzugt sollte die Fläche des Überschneidungsbereichs der Auftreffbereiche zumindest 80
%, weiter bevorzugt im Wesentlichen 100%, der Fläche eines der Auftreffbereiche der Mehrzahl von Strahlen betragen. In diesem Fall wird nicht nur ein Geschwindigkeitsvorteil beim Verfestigen erzielt. Vielmehr ist auch der Bereich, in den Energie eingetragen wird, enger umgrenzt, so dass die Temperaturverteilung im Baufeld besser kontrolliert werden kann. Eine Überschneidung mit genau 100% kann insbesondere dann nicht zu erzielen sein, wenn die Auftreffbereiche zwar eine ähnliche Größe, jedoch eine unterschiedliche Gestalt aufweisen. Selbst bei Verwendung von beispielsweise zwei Strahlen gleicher Wellenlänge kann dieses Problem dann auftreten, wenn die beiden Strahlen unterschiedlich schräg auf das Aufbaumaterial auftreffen, wie es bereits eingangs erwähnt wurde.
Bevorzugt ist die durch die Mehrzahl an Strahlen im Überschneidungsbereich der Auftreff- punkte eingebrachte Gesamtenergie gleich einer im Vorhinein festgelegten Verfestigungsenergie für das Aufbaumaterial an einer Stelle des Objektquerschnitts außerhalb des Überschneidungsbereichs. Auf diese Weise wird für einen möglichst homogenen Energieeintrag in das Aufbaumaterial gesorgt, unabhängig von der Anzahl der gleichzeitig zur Verfestigung eingesetzten Strahlen.
Weiter bevorzugt ist die Steuereinheit so ausgelegt, dass sie genau zwei Strahlen, nämlich einen ersten Strahl und einen zweiten Strahl, gleichzeitig auf zumindest einen Teil einer Über- lappungsfläche richtet. Auf diese Weise wird die Koordinierung der Strahlen und insbesondere der in das Aufbaumaterial durch mehrere Strahlen gleichzeitig eingetragenen Gesamtenergie sehr einfach, insbesondere wenn die beiden Strahlen im Überschneidungsbereich die gleiche Energie eintragen.
Weiter bevorzugt werden die beiden Strahlen vor dem Überschneiden ihrer Auftreffbereiche mit sich monoton verringerndem Abstand der Auftreffbereiche hintereinander zur Verfestigung des Aufbaumaterials solange über den Teil des Überlappungsbereich bewegt werden, bis sich die Auftreffbereiche überschneiden. Mit solch einem Vorgehen werden starke lokale Temperaturunterschiede infolge der Erhöhung der Anzahl der gleichzeitig arbeitenden Strahlen vermieden. Besonders bevorzugt wird zunächst nur der erste Strahl auf den Teil des Überlappungsbereichs gerichtet und trägt mindestens 100%, bevorzugt im Wesentlichen 100%, der im Vor- hinein festgelegten Verfestigungsenergie in das Aufbaumaterial (11) ein. Danach wird der zweite Strahl zusätzlich auf den Teil des Überlappungsbereichs gerichtet, wobei im Wesentlichen mit Beginn der Überschneidung der Auftreffbereiche beider Strahlen die durch den ersten Strahl eingetragene Verfestigungsenergie monoton verringert wird und gleichzeitig die durch den zweiten Strahl eingetragene Verfestigungsenergie monoton erhöht wird, bis beim Über- schneiden der Auftreffbereiche mit mindestens 80%, bevorzugt mit im Wesentlichen 100%), durch den ersten Strahl und den zweiten Strahl gemeinsam im Wesentlichen mindestens 100%, bevorzugt im Wesentlichen 100%, der im Vorhinein festgelegten Verfestigungsenergie in das Aufbaumaterial eingetragen werden. Mit einer derartigen Steuerung der durch die Strahlen in das Material eingetragenen Energie lassen sich in besonderem Maße starke Temperaturunterschiede auf kleinem Raum vermeiden. Weiter bevorzugt werden beim Umschalten von einer gleichzeitigen Bestrahlung mit zwei Strahlen auf eine Bestrahlung mit nur einem Strahl die beiden Strahlen nach dem Überschneiden ihrer Auftreffbereiche mit mindestens 80%, bevorzugt mit im Wesentlichen 100%, mit sich monoton vergrößerndem Abstand der Auftreffbereiche hintereinander zur Verfestigung des Aufbaumaterials solange über den Überlappungsbereich bewegt, bis nur noch einer der beiden Strahlen auf den Überlappungsbereich gerichtet ist. Mit solch einem Vorgehen werden starke lokale Temperaturunterschiede infolge der Verringerung der Anzahl der gleichzeitig arbeitenden Strahlen vermieden. Besonders bevorzugt ist dabei die Vorgehensweise die, dass beim Überschneiden der Auftreffbereiche mit mindestens 80%, bevorzugt mit im Wesentlichen 100%, von beiden Strahlen gemeinsam insgesamt mindestens 100%, bevorzugt im Wesentli- chen 100%, der im Vorhinein festgelegten Verfestigungsenergie in das Aufbaumaterial eingetragen werden und mit sich monoton vergrößerndem Abstand der Auftreffbereiche die durch einen der beiden Strahlen eingebrachte Energie monoton verringert wird und die durch den anderen Strahl eingebrachte Energie monoton vergrößert wird, so dass schließlich nur noch einer der beiden Strahlen auf den Teil des Überlappungsbereichs gerichtet ist und dort mindes- tens 100%, bevorzugt im Wesentlichen 100%), der im Vorhinein festgelegten Verfestigungsenergie einträgt. Wiederum lassen sich so in besonderem Maße starke Temperaturunterschiede auf kleinem Raum vermeiden.
Bevorzugt überlappt mindestens eine der Teilregionen mit mehr als einer anderen der Teilregi- onen teilweise, aber nicht vollständig. Dabei weist besonders bevorzugt mindestens eine der
Teilregionen eine Fläche auf, in der sie gleichzeitig mit mindestens zwei anderen Teilregionen überlappt. Es wird also eine mehrfache teilweise Überlappung mindestens einer Teilregion mit anderen Teilregionen realisiert, insbesondere so, dass sogar eine Fläche entsteht, die aus mindestens drei, bevorzugt gar vier, einander in der Fläche überlappenden Teilregionen gebildet ist. Dadurch erhöht sich im Bereich dieser Fläche unter anderem der Synergieeffekt der mehreren auf diese Fläche richtbaren Strahlen, die einander noch deutlich besser ergänzen können. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung haben alle Teilregionen die gleichen Abmessungen. Dies vereinfacht beispielsweise die Übersichtlichkeit für einen Nutzer und auch für die Steuerung der Strahlen. Prinzipiell können die Teilregionen jedwede Form aufweisen, bevorzugt ist mindestens eine Teilregion, besonders bevorzugt alle Teilregionen, rechteckig, insbesondere quadratisch.
Es zwar grundsätzlich möglich, dass nur manche Teilregionen mit anderen Teilregionen überlappen und andere nicht, doch vor allem im Sinne der verbesserten Synergie wird bevorzugt, dass jede der Teilregionen mit den ihr benachbarten Teilregionen überlappt.
Weiterhin kann es insbesondere zur Verbesserung der oben erwähnten Übersichtlichkeit und Steuerbarkeit vorteilhaft sein, dass für alle überlappenden Teilregionen die Überlappungsfläche mit einer benachbarten Teilregion gleich ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung überlappen mehrere der Teilregionen mit den ihnen benachbarten Teilregionen und eine Erstreckung der Überlappung der Seiten in einer ersten Richtung der Anordnung der Teilregionen ist dabei unterschiedlich zur einer Erstreckung der Überlappung der Seiten in einer quer, bevorzugt senkrecht zur ersten Richtung stehenden zwei- ten Richtung.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Seiten zweier benachbarter Teilregionen entlang ihrer gesamten Erstreckung in einer Raumrichtung miteinander im Wesentlichen überlappen. Dies vereinfacht wiederum die oben erwähnte Übersichtlichkeit und Steuerbarkeit.
Bevorzugt ist das Baufeld rechteckig, insbesondere quadratisch, und es sind vier Teilregionen vorhanden, die in den Ecken des Baufelds angeordnet sind.
Weiter wird bevorzugt, dass insgesamt mindestens drei Teilregionen, bevorzugt vier, besonders bevorzugt mindestens sechs und ganz speziell bevorzugt mindestens zehn Teilregionen, vorhanden sind. Speziell ist es - beispielsweise aufgrund der einfachen geometrischen Anordnung - bevorzugt, dass die Anzahl der Teilregionen geradzahlig ist und dabei insbesondere, dass die Teilregionen mindestens in einer Zweierreihe angeordnet sind. Gemäß einer speziellen Ausführungsform sind die Teilregionen zueinander so angeordnet, dass zumindest ein Teil ihrer Anordnung im Wesentlichen ganz oder teilweise eine offene oder geschlossene Kreis- oder Ellipsenform beschreibt. Dies kann, muss aber nicht, bedeuten, dass das Baufeld selbst an seinen Außenbegrenzungen eine (halb-)runde bzw. (halb-) elliptische Form beschreibt. Alternativ können auch eckige Teilregionen so miteinander teilweise überlappend zueinander angeordnet werden, dass sie gemeinsam keine Linie bzw. Reihen- und Spaltenanordnung beschreiben, sondern eben einen (Teil-)Kreis bzw. eine (Teil-)Ellipse. Dabei kann allgemein im Rahmen dieser speziellen Ausführungsform auch vorgesehen sein, dass in der Mitte einer solchen Anordnung kein Baufeld liegt, sondern die Anordnung einen offenen oder geschlossenen (kreisrunden oder elliptischen) Kreisring definiert.
Insbesondere aus Gründen der Erhöhung der Synergie, d.h. des besseren Zusammenwirkens, der einzelnen Strahlen miteinander ist es bevorzugt, dass die Überlappungssumme mindestens 20%, besonders bevorzugt mindestens 40%, der Gesamtfläche des Baufelds umfasst. Andersherum bedeutet eine allzu große Überlappungssumme, dass das Baufeld aufgrund der oben beschriebenen Notwendigkeit, übergroße Winkel der Strahlen zu vermeiden, nicht beliebig groß gewählt werden kann. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, dass die Überlappungssumme höchstens 80%, besonders bevorzugt höchstens 60%, der Gesamtfläche des Baufelds umfasst.
Ein erfindungsgemäßes generatives Schichtbauverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels einer Vorrichtung weist die folgenden Schritte auf:
Aufbauen des Objekts auf mindestens einem höhenverfahrbaren Träger, dessen horizontale Ausdehnung ein Baufeld (5) definiert,
gesteuertes Richten von Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle durch eine Eintragsvorrichtung auf einem Objektquerschnitt entsprechende Bereiche einer aufgetragenen Schicht eines Aufbaumaterials innerhalb des Baufelds, wobei die Eintragsvorrichtung eine Mehrzahl von Strahlen gleichzeitig auf unterschiedliche Regionen der aufgetragenen Schicht richtet,
und jeder der Mehrzahl von Strahlen ausschließlich auf eine ihm zugewiesene Teilregion der Schicht des Aufbaumaterials gerichtet wird, wobei die Teilregion kleiner ist als das gesam- te Baufeld und durch die Gesamtzahl der Teilregionen das gesamte Baufeld überdeckt wird, wobei mindestens eine der Teilregionen mit mindestens einer anderen der Teilregionen teilweise, aber nicht vollständig überlappt und eine Überlappungssumme von durch derartige Überlappungen gebildeten Überlappungsflächen mindestens 10% der Gesamtfläche des Baufelds umfasst,
wobei die Eintragsvorrichtung dergestalt gesteuert wird, dass jeder der Strahlen in seinem Auftreffbereich, also dort, wo er auf die Schicht auftrifft, auf das Aufbaumaterial einwirkt, insbesondere so, dass dieses verfestigt wird,
wobei eine Mehrzahl von Strahlen gleichzeitig so auf zumindest einen Teil einer Über- lappungsfläche gerichtet wird, dass die Auftreffbereiche der Mehrzahl von Strahlen sich über- schneiden.
Mit dem erfindungsgemäßen generativen Schichtbauverfahren lassen sich die weiter oben im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen beschriebenen generativen Schichtbauvorrichtungen in allen Variationen beschriebenen Vorteile erzielen, insbesondere wenn dieses Verfahren auf einer dieser Vorrichtungen ausgeführt wird.
Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf das Baufeld mit von Laserstrahlen überstrichenen Teilregionen für ein Ausfuhrungsbeispiel mit vier Laserstrahlen.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf das Baufeld mit von Laserstrahlen überstrichenen Teilregionen für ein Ausführungsbeispiel mit sechs Teilregionen.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf das Baufeld mit von Laserstrahlen überstrichenen Teilregionen für ein Ausführungsbeispiel mit zehn Teilregionen. Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf das Baufeld mit von Laserstrahlen überstrichenen Teilregionen für ein Ausführungsbeispiel mit fünf Teilregionen. Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf zwei sich überlappende Teilregionen des Baufelds zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Verfestigung durch mehrere Strahlen im Überlappungsbereich.
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf zwei sich überlappende Teilregionen des Baufelds zur Veran- schaulichung einer alternativen erfindungsgemäßen Verfestigung durch mehrere Strahlen im Überlappungsbereich.
Fig. 8 zeigt eine Draufsicht auf zwei sich überlappende Teilregionen des Baufelds zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Vorgehens beim Ändern der Anzahl der gleichzeitig zur Verfestigung eines Bereichs eingesetzten Strahlen.
Allgemein versteht die vorliegende Anmeldung unter dem Begriff„generatives Fertigungsverfahren" ein Bauverfahren, bei dem aus einem formlosen Material, insbesondere einem Pulver, durch schichtweise Verfestigung Objekte hergestellt werden. Hierzu wird Strahlungsenergie verwendet, insbesondere wie in den folgenden Beispielen näher ausgeführt, Laserenergie. Im Folgenden wird daher ein„Laser" beispielhaft als Strahlungsquelle beschrieben, ohne die Offenbarung hierdurch inhaltlich einzuschränken. Die vorliegende Erfindung ist nicht nur im Zusammenhang mit Laserstrahlung umsetzbar, sondern auch im Zusammenhang mit anderen elektromagnetischen Strahlungen, insbesondere aber auch im Zusammenhang mit Teilchen- Strahlung (z.B. Elektronenstrahlen) umsetzbar. Insbesondere ist die vorliegende Anmeldung auf ein derartiges Urformverfahren gerichtet, bei dem ein Objekt in der gewünschten Gestalt ohne Zuhilfenahme von externen Formen dadurch hergestellt wird, dass diejenigen Stellen in einer Baumaterialschicht, die zu einem Querschnitt des herzustellenden Objekts verfestigt werden sollen, mit einem Laser bestrahlt werden, wobei der Einwirkungspunkt des Lasers in der Schicht mittels eines Scanners verändert wird. Beispiele für solch ein Verfahren sind das selektive Laserschmelzen, das selektive Lasersintern sowie Stereolithographieverfahren. Der Begriff "Verfestigen" wird in der vorliegenden Anmeldung so verstanden, dass er einen Vorgang des Bestrahlens eines flüssigen oder pulverförmigen Aufbaumaterials derart, dass das Aufbaumaterial an diesen Stellen durch die durch die Strahlung eingebrachte Wärmeenergie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen wird, so dass es nach seiner Abkühlung als Festkör- per vorliegt, beschreibt. Eine im Vorhinein festgelegte Verfestigungsenergie entspricht dabei der für den Verfestigungsvorgang einzubringenden Wärmeenergie pro Flächeneinheit. Wenn daher nachfolgend von einer "im Vorhinein festgelegten einzutragenden Energiemenge" die Rede ist, dann ist damit gemeint, dass innerhalb des Flächenbereichs auf den sich diese Aussage bezieht, an allen Stellen die für den Verfestigungsvorgang einzubringende Wärmeenergie pro Flächeneinheit eingetragen wird.
In der vorliegenden Anmeldung bezeichnet der Begriff "Auftreffbereich" die Fläche des Bereichs auf der Aufbaumaterialoberfläche, innerhalb derer ein Strahl mit dem Aufbaumaterial wechselwirkt, also Wärme einträgt. Bevorzugt wird als Auftreffber eich jener Bereich angese- hen, in dem durch die Wechselwirkung eine Verfestigung des Aufbaumaterials stattfindet. Bevorzugt liegt dann für die vorliegende Erfindung eine Überschneidung von Auftreffbereichen dann vor, wenn sich die den einzelnen Strahlen zugeordneten Bereiche, in denen eine Verfestigung stattfindet, überschneiden. Falls eine Verfestigung dadurch bewirkt wird, dass die Strahlen jeweils in der Aufbaumaterialschicht ein Schmelzbad erzeugen, liegt eine Überschneidung von Strahlen bevorzugt dann vor, wenn sich die den einzelnen Strahlen zugeordneten
Schmelzbäder zu einem gemeinsamen Schmelzbad verbinden.
Es soll weiterhin betont werden, dass in der vorliegenden Anmeldung der Begriff "Strahl" nicht auf Strahlung beschränkt ist, die nahezu punktförmig auf eine Pulverschicht auftrifft. Der Be- griff umfasst daneben auch Strahlung, die z.B. linienförmig oder aber mit einem Strahlfleck auftrifft, der aufgrund seiner großen Ausdehnung nicht mehr als "punktförmig" bezeichnet werden würde. Wichtig ist dabei insbesondere, dass ein Strahl sequentiell die ihm zugewiesene Teilregion abtastet. Nachfolgend wird eine Beschreibung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gegeben, wobei als Beispiel für das (hier laserbasierte) generative Schichtbauverfahren ein Lasersinterverfahren gewählt wurde. Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung weist einen Baubehälter 1 auf, in dem ein Träger 2 zum Tragen eines herzustellenden Objekts 3 vorgesehen ist. Der Träger 2 ist über eine Höheneinstelleinrichtung 4 in vertikaler Richtung in dem Baubehälter 1 verfahrbar. Die Ebene, in der aufgetragenes pulverförmiges Aufbaumaterial verfestigt wird, definiert eine Arbeitsebene. Der Teil der Arbeitsebene, der von dem Baubehälter 1 umschlossen wird, oder aber ein eigens abgegrenzter Bereich innerhalb des vom Baubehälter 1 umschlossenen Teils der Arbeitsebene wird als Baufeld 5 bezeichnet. In der Regel ist die Ausdehnung des Baufeldes identisch zu der horizontalen Ausdehnung des Trägers. Zum Verfestigen des pulverförmigen Materials in dem Baufeld 5 ist ein Laser 6 vorgesehen, der einen Laserstrahl 7 erzeugt, welcher über Ablenkeinrichtungen 8 und 9 auf das Baufeld 5 fokussiert wird. Es können im Rahmen der Erfindung auch mehrere Laser und/oder eine andere Mehrzahl von Ablenkeinrichtungen vorgesehen sein.
In der Figur 1 sind beispielhaft zwei Ablenkeinrichtungen (Scanner) gezeigt, denen Licht von dem Laser 6 zugeführt wird. Der von dem Laser 6 erzeugte Laserstrahl 7 wird dabei aufgespalten (nicht im Detail dargestellt) in einen Laserstrahl 7a, der an der Ablenkeinrichtung 8 reflektiert wird, und einen Laserstrahl 7b, der an der Ablenkeinrichtung 9 reflektiert wird. Bei den lediglich schematisch dargestellten Ablenkeinrichtungen 8 und 9 kann es sich jeweils um ein Galvanometerspiegelpaar handeln, das von einer Steuerung 10 angesteuert wird. Die Steuerung 10 greift dabei auf Daten zu, die die Struktur des herzustellenden Objekts (ein dreidimensionales CAD-Schichtmodell des Objekts) beinhalten. Insbesondere enthalten die Daten genaue Informationen über jede zu verfestigende Schicht, wobei jede zu verfestigende Schicht einem Querschnitt des herzustellenden Objekts zugeordnet ist. In Abhängigkeit von den Daten werden die Ablenkeinrichtungen 8 und 9 so angesteuert, dass die Laserstrahlen 7a und 7b auf jene Stellen des Baufelds 5 gelenkt werden, an denen mittels Einwirkung des Laserlichts eine Verfestigung in einer Schicht des aufgetragenen pulverförmigen Aufbaumaterials bewerkstelligt werden soll.
In Fig. 1 ist schematisch eine Zuführvorrichtung 11 dargestellt, mit der pulverförmiges Auf- baumaterial für eine Schicht zugeführt werden kann. Mittels eines Beschichters 12 wird das Aufbaumaterial dann in dem Baufeld 5 mit einer gewissen Schichtdicke aufgebracht und geglättet. Im Betrieb wird der Träger 2 Schicht für Schicht abgesenkt, eine neue Pulverschicht aufgetragen und mittels der Laserstrahlen 7a und 7b an den dem jeweiligen Objekt entsprechenden Stellen der jeweiligen Schicht in dem Baufeld verfestigt.
Der grundlegende Aufbau einer Laserschmelzvorrichtung ist identisch zu dem eben beschriebenen.
Als pulverförmiges Aufbaumaterial können alle für ein Lasersinterverfahren oder Laser- schmelzverfahren geeigneten Pulver bzw. Pulvermischungen verwendet werden. Solche Pulver umfassen z.B. Kunststoffpulver wie Polyamid oder Polystyrol, PAEK (Polyaryletherketone), Elastomere, wie PEBA (Polyetherblockamide), Metallpulver (z.B. Edelstahlpulver, aber auch Legierungen), kunststoffbeschichteten Sand und Keramikpulver. Erfindungsgemäß ist eine Mehrzahl von Ablenkeinrichtungen vorgesehen. Die Anzahl muss sich nicht auf zwei Ablenkeinrichtungen, wie in Fig. 1 beispielhaft dargestellt, beschränken. Wie anhand von Fig. 2 nachfolgend erläutert wird, ist jeder Ablenkeinrichtung eine Teilregion des Baufelds 5 zugeordnet. Dies bedeutet, die (Teil)region, in die mittels einer Ablenkeinrichtung der Laserstrahl gelenkt werden kann, ist begrenzt und umfasst lediglich einen fixen Teil des Baufelds.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem vier Laserstrahlen vorhanden sind, die auf das Baufeld gelenkt werden können. Insbesondere zeigt Fig. 2 eine Draufsicht auf das Baufeld, welches in diesem Ausführungsbeispiel quadratisch ist. Es sind schematisch vier Teil- regionen 7a', 7b', 7c' und 7d' gezeigt, bei welchen es sich um jene Teilregionen handelt, die von entsprechenden Laserstrahlen 7a, 7b, 7c und 7d überstrichen werden können. Dies heißt, dem Laserstrahl 7a ist eine Teilregion 7a' zugeordnet, dem Laserstrahl 7b ist eine Teilregion 7b' zugeordnet, usw. Insbesondere erkennt man in Fig. 2, dass die quadratischen Teilregionen 7a', 7b', 7c' und 7d' miteinander partiell überlappen. So überlappen die Teilregionen 7a' und 7b' in einer horizontalen Richtung in Fig. 2 miteinander. Gleiches gilt für die Teilregionen 7c' und 7d'. Weiterhin überlappen die Teilregionen 7a' und 7c' in einer vertikalen Richtung in Fig. 2 miteinander. Gleiches gilt für die Teilregionen 7b' und 7d'.
Durch die eben geschilderte Anordnung der von den Laserstrahlen überstrichenen Teilregionen in dem Baufeld 5 wird bewirkt, dass in den Überlappungsflächen von zwei Teilregionen eine Verfestigung des Baumaterials sowohl mit dem der einen Teilregion zugeordneten Laserstrahl als auch mit dem der anderen Teilregion zugeordneten Laserstrahl stattfinden kann. Da vorzugsweise die den einzelnen Teilregionen zugeordneten Laserstrahlen gleichzeitig auf das Baufeld gelenkt werden, wird durch die gewählte Anordnung bewirkt, dass in den Überlappungsflächen eine Verfestigung des Aufbaumaterials schneller vonstatten gehen kann, da dort zwei Laserstrahlen gleichzeitig das Material verfestigen können.
In Fig. 2 sind verschiedene Flächen des Baufelds mit Großbuchstaben A, B und C gekennzeichnet. Damit soll gekennzeichnet werden, von wie vielen Laserstrahlen eine entsprechende Fläche erreicht werden kann:
Die mit A gekennzeichneten Flächen werden von lediglich einem Laserstrahl erreicht. Die mit B gekennzeichneten Flächen können von zwei Laserstrahlen erreicht werden. Die mit C gekennzeichnete Fläche kann von vier Laserstrahlen erreicht werden.
Wenn ein Querschnitt eines großen Objekts im Baufeld 5 verfestigt wird, so wird tendenziell der zu verfestigende Flächenanteil in der Mitte des Baufeldes 5 größer sein als in den Ecken des Baufeldes 5. Durch die in Fig. 2 gewählte Anordnung der den Laserstrahlen zugeordneten Teilregionen wird daher bewirkt, dass gerade im Zentrum des Baufeldes 5 schneller verfestigt werden kann als in den Ecken. Dabei wird natürlich nicht lokal im Zentrum des Baufelds 5 mehr Energie an einer bestimmten Stelle der Pulverschicht beim Verfestigungsvorgang eingebracht. Vielmehr können sich im Zentrum des Baufelds 5 mehrere Laserstrahlen„die Arbeit teilen". In den mit B gekennzeichneten Flächen kann beispielsweise an einem Punkt jeder der beiden Laserstrahlen die Hälfte der zur Verfestigung notwendigen Energie eintragen. Alternativ kann eine Fläche B so mit parallelen Spuren der Laserstrahlen überzogen werden, dass eine Spur des einen Laserstrahls jeweils zwischen zwei benachbarten Spuren des anderen Laser- Strahls liegt. In der Fläche C erfolgt die Verfestigung in entsprechender Weise mit vier Laserstrahlen.
Es erfolgt also die Verfestigung innerhalb einer Schicht gleichzeitig mit mehreren Laserstrah- len. Obwohl sich der Querschnitt eines Objekts an den unterschiedlichsten Stellen innerhalb des Baufelds befinden kann, wird mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen dennoch bewirkt, dass die Zeit zur Verfestigung eines Querschnitts verringert werden kann. Durch das Überlappen der den einzelnen Laserstrahlen zugeordneten Teilregionen im Innenbereich des Baufelds kann dort die Verfestigung schneller stattfinden, wo tendenziell das Aufbaumaterial auf einer größeren Fläche zu verfestigen ist. Gleichzeitig liegt keine Redundanz von Laserablenkvorrichtungen vor, sondern die vorhandene Anzahl von Laserablenkvorrichtungen wird effektiv genutzt.
Da, wie bereits in der Einleitung ausgeführt wurde, es bei größeren herzustellenden Objekten aus Gründen einer höheren Detailgenauigkeit ohnehin vorteilhaft ist, einen Laserstrahl zur Verfestigung nur in einer Teilregion des Baufelds einwirken zu lassen, wird so nicht nur eine besonders kurze Bauzeit, sondern auch eine hohe Detailgenauigkeit erreicht.
Da in den Überlappungsflächen der Laserstrahlen dort, wo das Pulver verfestigt wird, nicht mehr Energie eingetragen werden darf als in jenen Flächen, in denen nur ein Laserstrahl aktiv ist, muss die Mehrzahl der Laserstrahlen in den Überlappungsflächen koordiniert werden. Dies kann beispielsweise durch die Steuerung 10 geschehen, die die einzelnen Ablenkvorrichtungen ansteuert. Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf zwei sich überlappende Teilregionen 30 und 40 des Baufelds zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Vorgehens beim Verfestigen des Aufbaumaterials im Überlappungsbereich zweier Teilregionen mit mehreren Strahlen. Im Einzelnen sind die beiden Teilregionen 30 und 40 jeweils rechteckig und erstrecken sich horizontal zwischen den Seiten 30a und 30b bzw. 40a und 40b. Damit erstreckt sich der Überlappungsbereich hori- zontal zwischen den Linien 40a und 30b in Fig. 6. Erfindungsgemäß werden beim gleichzeitigen Einsatz mehrerer Laserstrahlen zur Verfestigung von Aufbaumaterial im Überlappungsbereich die Strahlen so miteinander koordiniert, dass sich die Auftreffbereiche der Strahlen auf die Schicht beim Überstreichen des Aufbaumaterials überschneiden. In Fig. 6 ist dies am Beispiel von zwei Strahlen dargestellt. Hierbei bezeichnet das Bezugszeichen 50 einen Auftreffbe- reich eines ersten Laserstrahls und das Bezugszeichen 60 den Auftreffbereich eines zweiten Laserstrahls. Lediglich beispielhaft sind die beiden Auftreffbereiche annähernd kreisförmig. Der Überschneidungsbereich beider Auftreffbereiche 50 und 60 ist mit dem Bezugszeichen 55 versehen. In dem erfindungsgemäßen Beispiel wird ein erster Laserstrahl über die Ablenkeinrichtung 8 auf den Auftreffbereich 50 gelenkt und ein zweiter Laserstrahl über die Ablenkeinrichtung 9 auf den Auftreffbereich 60 gelenkt. Zur Verfestigung des Aufbaumaterials werden nun die beiden Auftreffbereiche synchron über das Baufeld innerhalb des Überlappungsbe- reichs gefahren, wobei bevorzugt die Größe der Fläche des Überschneidungsbereichs 55 sich nicht ändert. Um die im Überschneidungsbereich 55 eingetragene Energie zu begrenzen, wird die Energie der von den Ablenkvorrichtungen 8 und 9 abgelenkten beiden Strahlen entsprechend so verringert, dass die im Überschneidungsbereich 55 eingebrachte Energie im Wesentlichen gleich der eingebrachten Energie an anderen Stellen in der aufgetragenen Aufbaumateri- alschicht entspricht. Es könnte also der dem Auftreffbereich 50 zugeordnete Strahl 50% der einzutragenden Energie liefern und der dem Auftreffbereich 60 zugeordnete Strahl ebenfalls 50% der Energie liefern. Genauso gut wäre es aber auch möglich, dass beispielsweise der erste Strahl (dem Bereich 50 zugeordnet) lediglich 30% der Energie einträgt und der dem Bereich 60 zugeordnete Strahl 70% der Energie einträgt. Natürlich sind beliebige Kombinationen möglich, solange letztendlich im Überlappungsbereich 55 mindestens 100% der im Vorhinein festgelegten einzutragenden Energie eingetragen werden. Die im Vorhinein festgelegte einzutragende Energie zur Verfestigung des Aufbaumaterials hängt dabei von der Art des Aufbaumaterials, von dessen Verdichtung beim Schichtauftrag, von der Arbeitstemperatur, bei der die Strahlung auf das Aufbaumaterial gerichtet wird und noch von weiteren Parametern ab. Bevorzugt wird bei einer Änderung der Größe der Fläche des Überlappungsbereichs die durch die einzelnen
Strahlen eingetragene Energie so angepasst, dass im Überschneidungsbereich mindestens 100% der im Vorhinein festgelegten Verfestigungsenergie eingetragen werden. Um Schwierigkeiten zu vermeiden, die sich ergeben, wenn die beiden Auftreffbereiche nicht vollständig überlappen, wird bevorzugt eine (näherungsweise, d.h. im Wesentlichen) vollständige Über- lappung der beiden Auftreffbereiche 50 und 60 angestrebt. Obwohl in Fig. 6 nur zwei Auftreffbereiche 50 und 60 veranschaulicht sind, ist das erfindungsgemäße Vorgehen natürlich auch bei Vorhandensein von mehr als zwei Auftreffbereichen (mehr als zwei zur Verfestigung eingesetzten Strahlen) möglich.
Alternativ zu dem in Fig. 6 gezeigten Vorgehen, kann auch, wie in Fig. 7 dargestellt, die gleichzeitige Verfestigung innerhalb des Überlappungsbereichs dergestalt erfolgen, dass nebeneinander liegende Laserspuren, denen unterschiedliche Laserstrahlen zugeordnet sind, gleichzeitig verfestigt werden. Der Überlappungsbereich der Fig. 7 entspricht jenem der Fig. 6. In Fig. 7 sind aber nicht mehr die Auftreffbereiche 50 und 60 gezeigt. Vielmehr zeigt Fig. 7 sich ergebende Strahlspuren 50' und 60', welche durch das Verfahren der Auftreffbereiche 50 und 60 über das Baufeld entstehen. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 würden also zur Verfestigung des Aufbaumaterials in den Spuren 50' und 60' die Auftreffbereiche 50 und 60 zunächst entlang der beiden oberen Spuren 50' und 60' in Fig. 7 bewegt (beispielsweise beginnend an der Grenze 40a des Überlappungsbereichs und endend an der Grenze 30b des Überlappungsbereichs). Hieraufhin würden dann in den beiden unteren Spuren 50' und 60' die beiden Auftreffbereiche 50 und 60 wiederum gleichzeitig beispielsweise von rechts (beginnend an der Linie 30b) nach links bis zur Linie 40a bewegt. Zwischen den Spuren 50' und 60' ist jeweils ein in der Fig. 7 nicht gezeigter Überschneidungsbereich, resultierend aus einer Überschneidung der beiden Auftreffbereiche 50 und 60 in vertikaler Richtung, vorhanden. Ist dieser Überschneidungsbereich klein, so muss die in den beiden nebeneinander liegenden Spuren 50' und 60' jeweils eingetragene Energie nicht an diesen Sachverhalt angepasst werden. Sofern jedoch eine deutliche Überschneidung der Spuren 50' und 60' vorhanden ist, kann ggf. die in den einzelnen Spuren 50' und 60' eingetragene Energie etwas reduziert werden.
Durch das erfindungsgemäße Vorgehen ist es auf einfachere Weise möglich, eine Mehrzahl von Strahlen, mit denen gleichzeitig innerhalb eines Bereiches Material verfestigt wird, aufeinander abzustimmen. Durch die Ankoppelung der Strahlen aneinander, unabhängig von der Gestalt des zu verfestigenden Querschnittsbereichs innerhalb eines Überlappungsbereichs zwischen Teilregionen, ist eine automatische Koordination der Strahlen in einfacher Weise möglich. Die Gestalt des zu verfestigenden Querschnitts muss für die Koordination der Strahlen überhaupt nicht berücksichtigt werden. Es reicht beispielsweise, wenn einer der Strahlen als Führungsstrahl auserkoren wird und die anderen Strahlen lediglich so an diesem Führungs- strahl ausgerichtet werden, dass eine zumindest teilweise Überschneidung der Auftreffbereiche der Strahlen vorliegt.
Ferner bleibt noch zu bemerken, dass sich ein erfindungsgemäßer Erfolg bereits dann einstellt, wenn nur ein Teil des Überlappungsbereichs auf die erfindungsgemäße Weise verfestigt wird.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem das rechteckige Baufeld von sechs Teilregionen überdeckt ist, die jeweils einem Laserstrahl zugeordnet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind lediglich die Umrisse von zwei Teilregionen hervorgehoben. Allerdings ist durch geschweifte Klammern die Lage der Teilregionen angedeutet. In den mit A bezeichneten Flächen ist wiederum lediglich ein Laserstrahl aktiv. In den mit B bezeichneten Flächen ist ein Überlapp von zwei Teilregionen miteinander vorhanden und in den mit C bezeichneten Flächen ist ein Überlapp von vier Teilregionen vorhanden. Insbesondere erkennt man in Fig. 3, dass der Überlapp von Teilregionen in der Horizontalrichtung der Figur eine andere Größe hat als der Überlapp in einer vertikalen Richtung in der Figur. Durch die Anordnung der Teilregionen in Fig. 3 können dabei mehr als 50% des Baufeldes mit mehr als einem Laserstrahl belichtet werden.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der anstelle von sechs Teilregionen zehn Teilregionen dargestellt sind. Die Anordnung der Teilregionen und ebenso der einzelnen Flächen A, B und C ist entsprechend der Anordnung in Fig. 3. Anhand von Fig. 4 erkennt man, dass die Erfindung mit einer beliebigen Anzahl von Teilregionen realisiert werden kann. Auch bei acht, zwölf, vierzehn, etc. Teilregionen wäre die entsprechende Einteilung des Baufelds analog. Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform mit fünf Teilregionen. Vier Teilregionen sind dabei wie in Figur 2 angeordnet. Nur die zusätzliche fünfte Teilregion ist hervorgehoben dargestellt und lagemäßig mit geschweiften Klammern gekennzeichnet. In den mit A bezeichneten Flächen ist wiederum lediglich ein Laserstrahl aktiv. In den mit B bezeichneten Flächen ist ein Überlapp von zwei Teilregionen miteinander vorhanden und in den mit C bezeichneten Flä- chen ist ein Überlapp von vier Teilregionen vorhanden. Die zusätzliche fünfte Teilregion führt dazu, dass im Zentrum des Baufelds (Fläche D) fünf Laserstrahlen gleichzeitig aktiv sein können. Ein entsprechendes Vorgehen wie in Figur 5 ist auch mit einer anderen ungeradzahligen Anzahl von Laserstrahlen möglich. Beispielsweise können in gleicher Weise wie in Figur 5 auch in den Anordnungen von Figur 3 und von Figur 4 noch zusätzliche Teilregionen in die Mitte gesetzt werden. Eine Weiterentwicklung der Erfindung optimiert das Vorgehen, wenn die Anzahl der Laserstrahlen, welche in einem Bereich gleichzeitig zur Verfestigung eingesetzt werden, geändert wird. Insbesondere wenn sich Auftreffbereiche von Strahlen nur zeitweise überschneiden, ist es wichtig, die durch die einzelnen Strahlen eingebrachte Energie zu steuern, um sicherzustellen, dass einerseits genügend Energie zur Verfestigung des Aufbaumaterials eingetragen wird und andererseits eine im Vorhinein festgelegte einzutragende Energiemenge nicht übermäßig überschritten wird, bevorzugt genau die im Vorhinein festgelegte einzutragende Energiemenge eingetragen wird. Desweiteren spielt die örtliche Verteilung der Auftreffbereiche auf das Aufbaumaterial auch eine Rolle im Hinblick auf mögliche während der Verfestigung auftretende Spannungen und Verzugserscheinungen im herzustellenden Objekt. Durch die örtliche Vertei- lung der Auftreffbereiche der Strahlen wird die Temperaturverteilung innerhalb des zu verfestigenden Objektquerschnitts stark beeinflusst. Hohe Temperaturdifferenzen führen dabei naturgemäß zu Spannungen im Material.
Um abrupte Änderungen der Temperaturverteilung innerhalb der Aufbaumaterialschicht zu vermeiden, wird erfindungsgemäß wie in Fig. 8 beispielhaft dargestellt, vorgegangen. Fig. 8 zeigt dabei wie die Figuren 6 und 7 eine Draufsicht auf in diesem Beispiel zwei sich überlappende Teilregionen des Baufelds. Insbesondere sind im Überlappungsbereich der beiden Teilregionen zwischen den Linien 40a und 30b wiederum die Auftreffbereiche 50 und 60 zweier Laserstrahlen dargestellt. Ein erfindungsgemäßes Vorgehen kann beispielsweise folgenderma- ßen aussehen: i) Zunächst erfolgt die Verfestigung im Überlappungsbereich lediglich mit dem ersten
Laserstrahl, dem der Auftreffbereich 50 zugeordnet ist. Dabei trägt der Laserstrahl mindestens 100%, bevorzugt im Wesentlichen 100%, der im Vorhinein festgelegten, für die Verfestigung des Aufbaumaterials einzutragenden Energie in dieses ein.
ii) Nachdem der zweite Laserstrahl, dem der Auftreffbereich 60 zugeordnet ist, auf die
Aufbaumaterialschicht innerhalb des Überlappungsbereichs gerichtet wurde, trägt die- ser unmittelbar zu Beginn seiner Bewegung über den Objektquerschnitt innerhalb des Überlappungsbereichs 0% der im Vorhinein festgelegten einzutragenden Energie ein. Mit fortschreitender Zeit wird der Abstand zwischen den zwei Auftreffbereichen 50 und 60 allmählich verringert. Dies kann beispielsweise so geschehen, dass die Auf- treffbereiche mit unterschiedlicher Geschwindigkeit über das Baufeld bewegt werden, und, wie in Fig. 8 dargestellt, beispielsweise der Auftreffbereich 50 in der Bewegung dem Auftreffbereich 60 folgt, jedoch mit höherer Geschwindigkeit bewegt wird als der Auftreffbereich 60. Im Wesentlichen mit beginnender Überschneidung der Auf- treffbereiche 50 und 60 wird die durch den ersten Laser eingetragene Energie entspre- chend einer monoton abnehmenden Funktion verringert. In gleichem Maße wird jedoch die durch den zweiten Laser eingetragene Energie erhöht. Somit gibt es einen Zeitpunkt, ab dem eine bevorzugt mindestens 80%ige, noch bevorzugter 100%ige Überschneidung beider Auftreffbereiche vorliegt und die Summe der durch den ersten Laser und den zweiten Laserstrahl eingetragenen Energien wiederum mindestens 100%, bevorzugt im Wesentlichen 100%, der im Vorhinein festgelegten einzutragenden Energie ergibt.
Natürlich ist das Vorgehen nicht auf das Beispiel von Fig. 8 beschränkt. In gleicher Weise könnte sich ebenso gut der Auftreffbereich 60 zu dem Auftreffbereich 50 hin bewegen, bei- spielsweise wenn der zweite Laserstrahl dem ersten Laserstrahl nachläuft.
Analog zu dem in Fig. 8 beschriebenen Vorgehen kann auch vorgegangen werden, wenn von der Bestrahlung mit mehreren Laserstrahlen gleichzeitig umgeschaltet wird auf die Bestrahlung mit lediglich einem Laserstrahl. In diesem Falle wird einfach in umgekehrter Weise vorgegan- gen, beispielsweise wie folgt: i) Zunächst werden beide Strahlen synchron mit mindestens 80%>iger Überschneidung ihrer Auftreffbereiche, bevorzugt im Wesentlichen vollständiger Überschneidung ihrer Auf- treffbereiche, über einen zu verfestigenden Objektquerschnitt innerhalb des in Fig. 8 ge- zeigten Überlappungsbereichs bewegt.
ii) Sodann wird beispielsweise die Geschwindigkeit des zweiten Strahls verringert, so dass die Fläche des Überschneidungsbereichs sich allmählich verringert und schließlich der zweite Strahl dem ersten Strahl hinterherläuft. Zur Veranschaulichung muss man sich einfach die in Fig. 8 gezeigten Pfeile als von oben nach unten zeigend denken. Gleichzeitig mit dem sich vergrößernden Abstand zwischen den Auftreffbereichen 50 und 60 wird die durch den zweiten Strahl eingetragene Energie einer monoton abnehmenden Funktion folgend verringert und die Energie des ersten Strahls in entsprechender Weise erhöht, iii) Schließlich, wenn die beiden Auftreffbereiche sich im Wesentlichen nicht mehr überschneiden, wird die Verfestigung im Überlappungsbereich nur mehr durch den ersten Strahl durchgeführt, der dann mindestens 100%, bevorzugt im Wesentlichen 100%, einer im Vorhinein festgelegten einzutragenden Energie einträgt.
Wiederum kann natürlich auch statt einer Verlangsamung des zweiten Strahls eine Beschleunigung des ersten Strahls stattfinden oder aber statt einer Verlangsamung des zweiten Strahls eine Verlangsamung des ersten Strahls relativ zu dem zweiten Strahl stattfinden. In letzterem Fall liegt am Ende die Situation vor, dass nur mehr der zweite Strahl zur Verfestigung des Aufbaumaterials Energie in den Überlappungsbereich einträgt.
Das unter Zuhilfenahme der Fig. 8 beschriebene Vorgehen ist nicht auf zwei zur Verfestigung im Überlappungsbereich gleichzeitig eingesetzte Strahlen beschränkt. Desweiteren muss beim Hinzuschalten des zweiten Strahls in Fig. 8 dieser nicht zwangsläufig anfanglich im Wesentli- chen 0% der im Vorhinein festgelegten einzutragenden Energie in das Material eintragen, selbst wenn sich die Auftreffbereiche noch nicht überschneiden. Beispielsweise könnte der hinzugeschaltete Strahl anfänglich 20% der im Vorhinein festgelegten Energie eintragen. In diesem Falle würde eine verzögerte Abkühlung des Materials nach Verfestigung mit dem ersten Strahl bewirkt, falls der zweite Strahl dem ersten Strahl nachläuft. Falls der erste Strahl zunächst dem zweiten Strahl voranläuft, würde der zweite Strahl das Material vor Verfestigung desselben mit dem ersten Strahl vorwärmen. Analog muss die Energie des wegzuschaltenden Strahls vor der Wegschaltung nicht zwangsläufig bis auf 0% verringert werden, sondern könnte vorher beispielsweise auch auf lediglich 20% verringert werden, selbst wenn sich die Auftreffbereiche nicht mehr überschneiden.
Desweiteren kann mittels des anhand von Fig. 8 beschriebenen Hinzu- und Wegschaltens von Strahlen auch einfach eine Umschaltung von einem auf den anderen Strahl bei der Belichtung bewerkstelligt werden. Verfestigt beispielsweise zunächst nur der erste Strahl im Überlappungsbereich, so kann durch das im Zusammenhang mit Fig. 8 beschriebene Vorgehen auf eine Verfestigung alleine mit dem zweiten Strahl umgeschaltet werden. Durch das beschriebene Vorgehen wir sichergestellt, dass es während des Umschaltens nicht zu Temperaturschwan- kungen bzw. -Inhomogenitäten im Aufbaumaterial kommt und somit mechanische Fehler oder Dimensionierungsfehler in Teilen des herzustellenden Objekts vermieden werden.
Ferner ermöglicht ein anhand von Fig. 8 beschriebenes Vorgehen auch kontrollierte "Begegnungen" von zwei oder mehr Strahlen beim gemeinsamen Verfestigen innerhalb eines Über- lappungsbereichs. Es stellt dann kein Problem dar, wenn zwei oder mehr Strahlen beim gemeinsamen Verfestigen sich sehr nahe kommen bzw. die zugehörigen Auftreffbereiche sich zeitweise überschneiden, obwohl die Auftreffbereiche sich den größten Teil der Zeit über nicht überschneiden. Die beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind in vielfältiger Weise abwandelbar:
Die Strahlen müssen nicht alle mittels einer einzigen Strahlenquelle, die mit mehreren Ablenkvorrichtungen wechselwirkt, erzeugt werden. Es ist durchaus möglich, allen oder aber auch nur einzelnen der Ablenkvorrichtungen eine individuelle Strahlenquelle zuzuordnen oder aber eine Anzahl von Ablenkvorrichtungen, die geringer als eine Gesamtzahl der Ablenkvorrichtungen ist, einer Strahlenquelle zuzuordnen. Zudem müssen auch nicht zwangsläufig alle Strahlenquellen gleich sein, obwohl dies bevorzugt der Fall ist.
Obwohl in den Ausführungsbeispielen lediglich quadratische Teilregionen gezeigt sind, ist es durchaus auch vorstellbar, rechteckige Teilregionen vorzusehen. Die Abmessungen einer Teilregion können dabei auf einfache Weise durch die Steuerung 10 festgelegt werden.
Auch wenn in den Ausführungsbeispielen stets alle benachbarten Teilregionen miteinander überlappen, bringt die Erfindung bereits Vorteile, wenn nur eine Teilmenge der Teilregionen miteinander überlappt. Weiterhin sind in den Ausführungsbeispielen alle Teilregionen so angeordnet, dass ihre Seiten zueinander parallel sind. Dies muss aber nicht so sein. Es wäre beispielsweise bei dem Beispiel von Figur 5 auch möglich, dass das mittige Quadrat (die fünfte Teilregion) um eine Achse, die durch die Zeichenebene senkrecht hindurch geht, gedreht ist.
Obwohl in allen Ausführungsbeispielen die Teilregionen so gezeigt sind, dass sie an den Grenzen des Baufeldes enden, ist die Erfindung natürlich auch dann ausführbar, wenn ein Strahl allein aufgrund des optischen Aufbaus auch außerhalb des Baufeldes wirksam werden könnte. Die Steuerung 10 muss in solch einem Fall dafür sorgen, dass eine Belichtung außerhalb des Baufeldes verhindert wird. (Der durch einen Galvanometerspiegel theoretisch mögliche Bereich, in den ein Strahl strahlen kann, wird also durch die Steuerung 10 eingegrenzt).
Schließlich ist die Erfindung auch in einem Falle anwendbar, in dem das Baufeld und/oder die den Strahlen zugewiesenen Teilregionen nicht rechteckig sind.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels eines generativen Schichtbauverfahrens mit:
mindestens einem höhenverfahrbaren Träger (2), auf dem das Objekt (3) aufgebaut wird und dessen horizontale Ausdehnung ein Baufeld (5) definiert,
einer Eintragsvorrichtung (6, 8, 9) zum gesteuerten Richten von Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle auf einem Objektquerschnitt entsprechende Bereiche einer aufgetragenen Schicht eines Aufbaumaterials innerhalb des Baufelds (5),
wobei die Eintragsvorrichtung (6, 8, 9) so ausgebildet und/oder im Betrieb gesteuert ist, dass sie eine Mehrzahl von Strahlen gleichzeitig auf unterschiedliche Regionen der aufgetragenen Schicht richten kann,
wobei jeder der Mehrzahl von Strahlen ausschließlich auf eine ihm zugewiesene Teilregion der Schicht des Aufbaumaterials gerichtet werden kann, wobei die Teilregion kleiner ist als das gesamte Baufeld (5) und durch die Gesamtzahl der Teilregionen das gesamte Baufeld (5) überdeckt wird,
wobei mindestens eine der Teilregionen mit mindestens einer anderen der Teilregionen teilweise, aber nicht vollständig überlappt und eine Überlappungssumme von durch derartige Überlappungen gebildeten Überlappungsflächen mindestens 10% der Gesamtfläche des Baufelds umfasst, und
die Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts weiterhin aufweist: eine Steuereinheit (10) zum Steuern der Eintragsvorrichtung (6, 8, 9) dergestalt, dass jeder der Strahlen in seinem Auftreffbereich, also dort, wo er auf die Schicht auftrifft, auf das Aufbaumaterial (11) einwirkt, insbesondere so, dass dieses verfestigt wird,
wobei die Steuereinheit (10) so ausgelegt ist, dass sie eine Mehrzahl von Strahlen gleichzeitig so auf zumindest einen Teil einer Überlappungsfläche richtet, dass die Auftreffbereiche der Mehrzahl von Strahlen sich überschneiden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der
es sich bei den Strahlen um elektromagnetische Strahlen gleicher Wellenlänge handelt.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der
die Fläche des Überschneidungsbereichs zumindest 80%, bevorzugt im Wesentlichen 100% der Summe der Fläche des Auftreffbereichs eines der Mehrzahl von Strahlen beträgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der
die durch die Mehrzahl an Strahlen im Überschneidungsbereich der Auftreffpunkte eingebrachte Gesamtenergie mindestens gleich einer im Vorhinein festgelegten Verfestigungsenergie für das Aufbaumaterial (1 1) an einer Stelle des Objektquerschnitts außerhalb des Überschneidungsbereichs ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der
die Steuereinheit (10) so ausgelegt ist, dass sie genau zwei Strahlen, nämlich einen ersten Strahl und einen zweiten Strahl, gleichzeitig auf zumindest einen Teil einer Überlappungsfläche richtet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der
die beiden Strahlen im Überschneidungsbereich die gleiche Energie eintragen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der
die beiden Strahlen vor dem Überschneiden ihrer Auftreffbereiche mit sich monoton verringerndem Abstand der Auftreffbereiche hintereinander zur Verfestigung des Aufbaumaterials (11) solange über den Teil des Überlappungsbereich bewegt werden, bis sich die Auftreff- bereiche überschneiden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der
zunächst nur der erste Strahl auf den Teil des Überlappungsbereichs gerichtet wird und mindestens 100%, bevorzugt im Wesentlichen 100%, der im Vorhinein festgelegten Verfestigungsenergie in das Aufbaumaterial (11) einträgt und danach der zweite Strahl zusätzlich auf den Teil des Überlappungsbereichs gerichtet wird,
wobei im Wesentlichen mit Beginn der Überschneidung der Auftreffbereiche beider Strahlen die durch den ersten Strahl eingetragene Verfestigungsenergie monoton verringert wird und gleichzeitig die durch den zweiten Strahl eingetragene Verfestigungsenergie monoton erhöht wird, bis beim Überschneiden der Auftreffbereiche mit mindestens 80%, bevorzugt mit im Wesentlichen 100%, durch den ersten Strahl und den zweiten Strahl gemeinsam mindestens 100%, bevorzugt im Wesentlichen 100%, der im Vorhinein festgelegten Verfestigungsenergie in das Aufbaumaterial eingetragen werden.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der
die beiden Strahlen nach dem Überschneiden ihrer Auftreffbereiche mit mindestens 80%>, bevorzugt mit im Wesentlichen 100%), mit sich monoton vergrößerndem Abstand der Auftreffbereiche hintereinander zur Verfestigung des Aufbaumaterials (1 1) solange über den Überlappungsbereich bewegt werden, bis nur noch einer der beiden Strahlen auf den Überlappungsbereich gerichtet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der
beim Überschneiden der Auftreffbereiche mit mindestens 80%>, bevorzugt mit im Wesentlichen 100%), von beiden Strahlen gemeinsam insgesamt mindestens 100%, bevorzugt im Wesentlichen 100%>, der im Vorhinein festgelegten Verfestigungsenergie in das Aufbaumaterial (1 1) eingetragen werden und
mit sich monoton vergrößerndem Abstand der Auftreffbereiche die durch einen der beiden Strahlen eingebrachte Energie monoton verringert wird und die durch den anderen
Strahl eingebrachte Energie monoton vergrößert wird, so dass schließlich nur noch einer der beiden Strahlen auf den Teil des Überlappungsbereichs gerichtet ist und dort mindestens 100%>, bevorzugt im Wesentlichen 100%), der im Vorhinein festgelegten Verfestigungsenergie einträgt.
1 1. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der
mindestens eine der Teilregionen eine Fläche aufweist, in der sie gleichzeitig mit mindestens zwei anderen Teilregionen überlappt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , bei der mehrere der Teilregionen mit den ihnen benachbarten Teilregionen überlappen und eine Erstreckung der Überlappung der Seiten in einer ersten Richtung der Anordnung der Teilregionen unterschiedlich zu einer Er- Streckung der Überlappung der Seiten in einer quer, bevorzugt senkrecht, zur ersten Richtung stehenden zweiten Richtung ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Teilregionen zueinander so angeordnet sind, dass zumindest ein Teil ihrer Anordnung im Wesentlichen ganz oder teilweise eine offene oder geschlossene Kreis- oder Ellipsenform beschreibt.
14. Generatives Schichtbauverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels einer Vorrichtung mit folgenden Schritten:
Aufbau des Objekts (3) auf mindestens einem höhenverfahrbaren Träger (2), dessen horizontale Ausdehnung ein Baufeld (5) definiert,
gesteuertes Richten von Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle durch eine Eintragsvorrichtung (6, 8, 9) auf einem Objektquerschnitt entsprechende Bereiche einer aufgetragenen Schicht eines Aufbaumaterials innerhalb des Baufelds (5),
wobei die Eintragsvorrichtung (6, 8, 9) eine Mehrzahl von Strahlen gleichzeitig auf unterschiedliche Regionen der aufgetragenen Schicht richtet,
und jeder der Mehrzahl von Strahlen ausschließlich auf eine ihm zugewiesene Teilregion der Schicht des Aufbaumaterials gerichtet wird, wobei die Teilregion kleiner ist als das gesamte Baufeld (5) und durch die Gesamtzahl der Teilregionen das gesamte Baufeld (5) überdeckt wird,
wobei mindestens eine der Teilregionen mit mindestens einer anderen der Teilregionen teilweise, aber nicht vollständig überlappt und eine Überlappungssumme von durch derartige Überlappungen gebildeten Überlappungsflächen mindestens 10% der Gesamtfläche des Baufelds umfasst,
wobei die Eintragsvorrichtung (6, 8, 9) dergestalt gesteuert wird, dass jeder der Strahlen in seinem Auftreffbereich, also dort, wo er auf die Schicht auftrifft, auf das Aufbaumaterial (1 1) einwirkt, insbesondere so, dass dieses verfestigt wird,
wobei eine Mehrzahl von Strahlen gleichzeitig so auf zumindest einen Teil einer Überlappungsfläche gerichtet wird, dass die Auftreffbereiche der Mehrzahl von Strahlen sich über- schneiden
15. Generatives Schichtbauverfahren nach Anspruch 14, wobei das generative Schichtbauverfahren auf einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchgeführt wird.
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