EP4192641A1 - Verfahren zum schichtweisen herstellen eines objekts - Google Patents

Verfahren zum schichtweisen herstellen eines objekts

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Publication number
EP4192641A1
EP4192641A1 EP21805948.3A EP21805948A EP4192641A1 EP 4192641 A1 EP4192641 A1 EP 4192641A1 EP 21805948 A EP21805948 A EP 21805948A EP 4192641 A1 EP4192641 A1 EP 4192641A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
powder
offset
groups
exposure vectors
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21805948.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Heinrichsdorff
Darya KASTSIAN
Daniel Reznik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP4192641A1 publication Critical patent/EP4192641A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B22F10/366—Scanning parameters, e.g. hatch distance or scanning strategy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B29C64/393—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an object layer by layer using a powder-based 3D printing method.
  • the process can be used in powder-based 3D printing processes, in particular as an optimized procedure, as part of a selective laser melting process (Selective Laser Melting, or SLM for short) or a selective electron beam melting process (electron-beam melting, or EBM for short).
  • SLM Selective Laser Melting
  • EBM electro-beam melting
  • the object is achieved by a method for producing an object in layers using a powder-based 3D printing method by selectively solidifying layers of powder in a powder bed using a selective laser melting or selective electron beam melting process. At least two consecutive shifts are combined to form a group. For each of the groups, the procedure includes the following steps:
  • the distance between the exposure vectors is selected such that webs created by the solidification have an overlap, in particular an averaged overlap, of at most 20%, preferably at most 10%, in particular at most 5%.
  • the distance between the vectors can be set with high accuracy on the scanner.
  • the overlap is determined in relation to the web width.
  • the middle overlap is the overlap that occurs on average in one or more layers with a constant distance between the exposure vectors.
  • the web width results from the material used, the focus width of the energy beam used (e.g. laser beam) at the point of irradiation in the powder bed and corresponding other parameters, such as the irradiated power. These parameters are known for common system-material pairings.
  • the web width can still be determined by tests for the material powder used and corresponding parameter variations of the respective system used can be determined.
  • micrographs can be created and from this an average web width and an average distance between the solidified webs can be determined.
  • the distance is selected such that the webs created by the solidification have an average overlap of 10% to -10%, in particular 5% to -5%.
  • the overlap can be achieved by adjusting the spacing of the exposure vectors on the scanner (on the energy beam controller).
  • a negative overlap corresponds to a distance between the tracks corresponding to a proportion of the track width.
  • the tracks are arranged on average in abutment with one another.
  • there is no overlap only very little positive or negative overlap. This can mean that individual strips may not be fully welded together. Accordingly, the next layer within the group has the importance of achieving a final weld.
  • the offset corresponds at most to 50%, in particular 50%, of a width of webs created by the solidification. If the misalignment corresponds to 50% on average, the tracks of the second layer arrange themselves between the tracks of the first layer and can thus achieve a direct consolidation of the group. This increases the strength of the resulting group.
  • the angle is selected in such a way that the orientation of one of the following groups corresponds to the original group again at the earliest after ten further groups have solidified. The aim here is to ensure that the alignment over as many layers as possible does not correspond to the alignment of the first group again, since this improves the effect of reduced overheating. Furthermore, the mechanical stability and in particular the isotropy of the mechanical properties of the object is improved if at least 5 groups are manufactured with mutually different angular orientations.
  • the angle is at least 30°. In this way it can be ensured that the areas at which the energy beam repeatedly enters or exits with regard to the surface to be manufactured differ sufficiently from group to group, so that a tendency to overheat at individual points is further reduced.
  • the angle is at most 150°.
  • the angle is preferably at most 130°.
  • the angle is chosen to be different from 90° or multiples thereof. This ensures that the orientation does not correspond to the original orientation again after only a few groups or a few layers. This ensures a high anisotropy of the resulting object and is also advantageous with regard to a uniform heat input.
  • the paths created by the solidification penetrate at least the previous one Layer.
  • the resulting webs preferably penetrate the preceding three layers in particular.
  • the depth of the tracks ie the depth of penetration into the underlying material or the underlying layers, includes underlying layers in addition to the current layer. It has been found that the webs generally comprise at least two layers but no more than five layers, with the layer thickness in the solidified state being between 20-60 ⁇ m and the previously unsolidified, scraped bulk thickness of the powder being 40 to 120 ⁇ m.
  • the depth of the tracks thus corresponds to a multiple of a layer thickness.
  • the layers positioned by the offset interlock and the structure improves.
  • At least one of the groups comprises at least one third layer.
  • the second layer is arranged by a first offset with respect to the first layer and the third layer by a second offset with respect to the second layer.
  • the offsets can have the same value.
  • FIG. 1 schematically shows first exposure vectors in a powder bed with a first layer
  • Powder bed that already has first and second lanes of solidified material
  • the first exposure vectors VN result in paths 110, 120, 130 that have already been solidified having formed.
  • the exposure vectors VN are arranged parallel to one another and are provided by an energy beam, e.g. a laser or an electron beam.
  • the exposure vectors contain the speed, the power and the beam width of the energy beam.
  • the existing tracks 110, 120, 130 are only representative of a very large number of welding tracks that arise as part of an additive manufacturing process. As a rule, a number of significantly more than three tracks is required to produce one layer of an object. For the sake of clarity, only a small number are selected below in order to be able to show the relationships between the individual tracks 110, 120, 130 in a comprehensible manner.
  • FIG. 2 shows the webs 110, 120, 130 of solidified material of the first layer n from FIG. 1 in cross section.
  • the webs 110, 120, 130 of solidified material in the first layer n have a width w and a spacing h, also called the hatch spacing.
  • the distance h is measured starting from the exposure vectors or from the center point of the solidified webs 110, 120, 130 resulting from the exposure.
  • FIG. 3 schematically shows second exposure vectors Vn+1 in a powder bed 100, which already has first and second tracks 110, 120, 130, 210, 220 of solidified material.
  • the first tracks 110, 120, 130 were created by exposing the first layer n
  • the second tracks 210, 220 were created analogously by exposing the second layer n+1 with the second exposure vectors Vn+1.
  • the second layer n+1 is also made up of significantly more tracks in accordance with the geometry of the object to be manufactured.
  • the simplification of the present example serves to better illustrate the principle.
  • the second exposure vectors Vn+1 are arranged parallel to and offset by an offset from the first exposure vectors, which are not shown here.
  • FIG. 4 shows webs 110, 120, 130, 210, 220 of solidified material in a first and a second layer n, n+1 in cross section, with an offset x1 being drawn in.
  • the offset xl is defined from central axis to central axis of the webs, in the present case the central axis of web 110 to the central axis of web 210 and the central axis of web 120 to the central axis of web 220.
  • the central axis is also the location at which the exposure vectors Vn ,
  • first layer n and the second layer n+1 are combined in a first group G1. Accordingly, the webs 110, 120, 130, 210, 220 are arranged parallel to one another within the first group Gl. According to the invention, a second group G2, which is not yet shown here, would have a different orientation compared to the first group. This leads to a further improvement in the temperature distribution while avoiding overheating.
  • FIG. 5 shows webs 110, 120, 130, 210, 220, 230, 310, 320, 330 of consolidated material in a first, second and third layer n, n+1, n+2 in cross section. Furthermore a first offset xl and a second offset x2 are drawn, with the first offset xl representing the offset of the exposure vectors of the first layer n to the second layer n+1 and analogously the second offset x2 representing the offset of the exposure vectors of the second layer n+ 1 to the third layer n+2. Accordingly, the offsets also correspond to the offset of the webs 110, 120,
  • the first, second and third layers n, n+1, n+2 are in turn grouped into a group G1 and accordingly have the same alignment.
  • FIG. 6 schematically shows an angle between two groups G1 and G2.
  • successive groups G1, G2 are rotated relative to one another. That is, the exposure vectors Vn of the first group G1 are at an angle to the exposure vectors Vn+1 of the second group G2. Since the exposure vectors and the resulting solidified paths within the groups are parallel to one another, the angle for the exposure vectors in one group applies to the exposure vectors of the following group. It has been shown that 67 degrees is a good compromise between infrequent repetition of the angles and even temperature distribution across the groups.
  • FIG. 7 shows a first track 110 and a second track 120 with their exposure vectors V110, V120.
  • the webs 110, 120 each have a width w and a distance h from one another. Furthermore, the webs 110, 120 overlap because of
  • the invention relates to a method for producing an object in layers using a powder-based 3D printing method by selectively solidifying layers (n, n+1, n+2) of a powder in a powder bed (100).
  • a powder-based 3D printing method by selectively solidifying layers (n, n+1, n+2) of a powder in a powder bed (100).
  • at least two consecutive layers are combined to form a group (Gl, G2).
  • the method also includes the following steps for each of the groups (Gl, G2): - providing a first layer (s) of the powder,

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines Objekts mit einem pulverbasierten 3D-Druckverfahren durch selektives Verfestigen von Schichten (n, n+1,n+2) eines Pulvers in einem Pulverbett (100) mittels eines selektiven Laserschmelz- oder selektiven Elektronen- strahlschmelz-Prozesses. Um lokalen Überhitzungen bei selektiven, pulverbasierten 3D-Druckverfahren, vorzubeugen werden jeweils zumindest zwei aufeinanderfolgende Schichten (n, n+1,n+2) zu einer Gruppe (G1, G2) zusammengefasst. Das Verfahren umfasst weiterhin für jede der Gruppen (G1, G2) die folgenden Schritte: - Bereitstellen einer ersten Schicht (n) des Pulvers, - Verfestigen zumindest eines Teils der ersten Schicht (n) mit ersten Belichtungsvektoren (Vn), die zueinander parallel und in einem definierbaren Abstand (h) zueinander angeordnet sind, - Bereitstellen einer zweiten Schicht (n+1) Pulver, - Verfestigen zumindest eines Teils der zweiten Schicht (n+1) mit zweiten Belichtungsvektoren (Vn+1), die um einen Versatz (x1, x2) parallel bezüglich der ersten Belichtungsvektoren (Vn) angeordnet sind, 25 wobei die Belichtungsvektoren (Vn, Vn+1, Vn+2) von aufeinanderfolgenden Gruppen (G1, G2) um einen Winkel (α) zueinander rotiert sind.

Description

Beschreibung
Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines Objekts
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schichtweisen Her stellen eines Objekts mit einem pulverbasierten 3D- Druckverfahren .
Das Verfahren kann bei pulverbasierten 3D Druckverfahren, insbesondere als eine optimierte Verfahrensweise, im Rahmen eines selektiven Laserschmelz-Prozesses (Selective Laser Mel- ting, kurz: SLM) oder eines selektiven Elektronenstrahl schmelz-Prozesses (electron-beam melting, kurz: EBM) zum Ein satz kommen.
Es hat sich gezeigt, dass bisher favorisierte Verfahrenswei sen viele lokale Überhitzungen erzeugen können. Diese Über hitzungen können größere Metallperlen erzeugen, die den wei teren Beschichtungsvorgang mit Pulver erheblich stören. Die Qualität der realisierten Bauteile wird so deutlich vermin dert oder es kann sogar zum Abbruch des Bauprozesses kommen.
Es ist Aufgabe der Erfindung lokale Überhitzungen bei selek tiven, pulverbasierten 3D-Druckverfahren, insbesondere Schmelzverfahren zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines Objekts mit einem pulverbasierten 3D- Druckverfahren durch selektives Verfestigen von Schichten ei nes Pulvers in einem Pulverbett mittels eines selektiven La serschmelz- oder selektiven Elektronenstrahlschmelz- Prozesses. Jeweils zumindest zwei aufeinanderfolgende Schich ten werden dabei zu einer Gruppe zusammengefasst. Für jede der Gruppen umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
- Bereitstellen einer ersten Schicht des Pulvers, - Verfestigen zumindest eines Teils der ersten Schicht mit ersten Belichtungsvektoren, die zueinander parallel und in einem definierbaren Abstand zueinander angeordnet sind,
- Bereitstellen einer zweiten Schicht Pulver,
- Verfestigen zumindest eines Teils der zweiten Schicht mit zweiten Belichtungsvektoren, die um einen Versatz parallel bezüglich der ersten Belichtungsvektoren angeordnet sind. Die Belichtungsvektoren von aufeinanderfolgenden Gruppen sind um einen Winkel zueinander rotiert.
In anderen Worten werden zumindest zwei aufeinanderfolgende Schichten in einer Gruppe aufgebaut, wobei innerhalb dieser Gruppe die Vektoren zwar parallel aber zueinander versetzt angeordnet sind. Ist nun die Gruppe fertiggestellt, so wird die darauffolgende Gruppe um einen Winkel rotiert. Es hat sich herausgestellt, dass durch die Kombination von einzelnen Gruppen, in denen ein Versatz vorgesehen ist, und der Rotati on zwischen den Gruppen, eine erhebliche Verbesserung der Neigung zu einer Überhitzung erreicht werden kann. Die mecha nischen Eigenschaften des Objekts konnten ebenfalls verbes sert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Abstand zwischen den Belichtungsvektoren so gewählt, dass durch das Verfesti gen entstehende Bahnen einen Überlapp, insbesondere einen ge mittelten Überlapp, von höchstens 20%, vorzugsweise von höchstens 10%, insbesondere von höchstens 5% aufweisen. Der Abstand zwischen den Vektoren ist dabei mit hoher Genauigkeit am Scanner einstellbar. Der Überlapp wird jeweils bzgl. der Bahnbreite bestimmt. Der mittlere Überlapp ist dabei der Überlapp, der sich im Mittel in ein oder mehreren Schichten bei konstantem Abstand zwischen den Belichtungsvektoren ein stellt. Die Bahnbreite ergibt sich aus dem verwendeten Mate rial, der Fokus-Breite des verwendeten Energiestrahls (bspw. Laserstrahls) am Einstrahlort im Pulverbett sowie entspre chender weiterer Parameter, wie der eingestrahlten Leistung. Diese Parameter sind für gängige Anlagen-Werkstoff-Paarungen bekannt. Die Bahnbreite kann weiterhin durch Versuche für das verwendete Materialpulver und entsprechender Parametervaria tionen der jeweilig zum Einsatz kommenden Anlage ermittelt werden. Hier können beispielsweise Schliffbilder erstellt werden und daraus eine mittlere Bahnbreite und ein mittlerer Abstand zwischen den verfestigten Bahnen ermittelt werden.
Es hat sich herausgestellt, dass ein verhältnismäßig geringer Überlapp, der für sich genommen zu einer zu geringen Festig keit der verfestigten Schichten führen würde, in Verbindung mit den weiteren Schichten, die einen Versatz aufweisen, zu einer hohen Festigkeit bei einer gleichzeitig vorteilhaften Verringerung der Neigung zu Überhitzung führt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Abstand so gewählt, dass die durch das Verfestigen entstehenden Bahnen einen mittleren Überlapp von 10% bis -10%, insbesondere 5% bis -5%, aufweisen. Der Überlapp kann dabei durch Einstellen des Ab stands der Belichtungsvektoren am Scanner (an der Steuerung des Energiestrahls) erreicht werden. Ein negativer Überlapp entspricht dabei einem Abstand zwischen den Bahnen entspre chend eines Anteils der Bahnbreite. In anderen Worten sind die Bahnen durchschnittlich auf Stoß zueinander angeordnet. Somit ist in dieser Ausführungsform kein Überlapp, nur ein sehr geringer positiver oder negativer Überlapp vorhanden. Dies kann dazu führen, dass einzelne Bahnen unter Umständen nicht vollständig miteinander verschweißt sind. Dementspre chend kommt der darauffolgenden Schichte innerhalb der Gruppe die Bedeutung zu, eine endgültige Verschweißung zu erreichen.
In einer weiteren Ausführungsform entspricht der Versatz höchstens 50%, insbesondere 50% einer Breite von durch das Verfestigen entstehenden Bahnen. Wenn der Versatz im Mittel 50 % entspricht, so ordnen sich die Bahnen der zweiten Schicht zwischen den Bahnen der ersten Schicht an und können so eine direkte Verfestigung der Gruppe erreichen. Dies er höht die Festigkeit der entstehenden Gruppe. In einer weiteren Ausführungsform ist der Winkel so gewählt, dass die Ausrichtung einer der folgenden Gruppen frühestens nach der Verfestigung von zehn weiteren Gruppen wieder der ursprünglichen Gruppe entspricht. Hier gilt es zu erreichen, dass die Ausrichtung über möglichst viele Schichten nicht wieder der Ausrichtung der ersten Gruppe entspricht, da so der Effekt der verminderten Überhitzung verbessert wird. Wei terhin wird die mechanische Stabilität und insbesondere die Isotropie der mechanischen Eigenschaften des Objekts verbes sert, wenn zumindest 5 Gruppen mit voneinander verschiedener Winkel-Ausrichtung gefertigt werden.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt der Winkel mindes tens 30°. So kann sichergestellt werden, dass die Gebiete, an denen der Energiestrahl bzgl. der zur fertigenden Fläche im mer wieder Eintritt bzw. Austritt, sich von Gruppe zu Gruppe hinreichend unterscheiden, sodass eine Neigung zur Überhit zung an einzelnen Stellen weiter vermindert wird.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt der Winkel höchs tens 150°. Bevorzugt beträgt der Winkel höchstens 130°. Dies führt ergänzend oder alternativ zur vorigen Ausführungsform dazu, dass die Gebiete, an denen der Energiestrahl bzgl. der zur fertigenden Fläche immer wieder Eintritt bzw. Austritt, sich von Gruppe zu Gruppe hinreichend unterscheiden. Die Ge biete liegen dabei entsprechend dem Winkel weit auseinander, sodass hier keine Überhitzung auftritt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Winkel verschieden von 90° oder Vielfachen davon gewählt. Dies stellt sicher, dass die Ausrichtung nicht bereits nach wenigen Gruppen bzw. wenigen Schichten wieder der ursprünglichen Ausrichtung ent spricht. Dies stellt eine hohe Anisotropie des entstehenden Objekts sicher und ist weiterhin vorteilhaft bzgl. eines gleichmäßigen Wärmeeintrags.
In einer weiteren Ausführungsform durchdringen die durch das Verfestigen entstehenden Bahnen zumindest die vorhergehende Schicht. Bevorzugt durchdringen die entstehenden Bahnen ins besondere die vorhergehenden drei Schichten. In anderen Wor ten umfasst die Tiefe der Bahnen, also die Eindringtiefe in das darunterliegende Material bzw. die darunterliegenden Schichten, neben der aktuellen Schicht auch darunterliegende Schichten. Es hat sich herausgestellt, dass die Bahnen im Re gelfall mindestens zwei Schichten umfasst höchstens aber fünf Schichten, wobei die Schichtdicke im verfestigten Zustand zwischen 20-60pm und die vorhergehende unverfestigte, gerak- telte Schüttdicke des Pulvers 40 bis 120pm entsprechen kann. Die Tiefe der Bahnen entspricht also einem Vielfachen einer Schichtdicke. So greifen die durch den Versatz positionierten Schichten ineinander und eine Verbesserung des Gefüges tritt ein.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst zumindest eine der Gruppen zumindest eine dritte Schicht. Die zweite Schicht ist dabei um einen ersten Versatz bezüglich der ersten Schicht angeordnet und die dritte Schicht um einen zweiten Versatz bezüglich der zweiten Schicht. Die Versätze können dabei den gleichen Wert aufweisen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Es zeigen:
FIG 1 schematisch erste Belichtungsvektoren in einem Pul verbett mit einer ersten Schicht,
FIG 2 Bahnen von verfestigtem Material einer ersten
Schicht im Querschnitt,
FIG 3 schematisch zweite Belichtungsvektoren in einem
Pulverbett, das bereits erste und zweite Bahnen verfestigtes Material aufweist,
FIG 4 Bahnen von verfestigtem Material in einer ersten und einer zweiten Schicht im Querschnitt,
FIG 5 Bahnen von verfestigtem Material in einer ersten, zweiten und dritten Schicht im Querschnitt, FIG 6 schematisch einen Winkel zwischen zwei Schichten und
FIG 7 einen Abstand zwischen zwei Belichtungsvektoren und einen Überlapp.
FIG 1 zeigt schematisch erste Belichtungsvektoren Vn in einem Pulverbett 100 mit einer ersten Schicht n. Die ersten Belich tungsvektoren VN führen dazu, dass sich bereits verfestigte Bahnen 110, 120, 130 gebildet haben. Die Belichtungsvektoren VN sind dabei parallel zueinander angeordnet und werden durch einen Energiestrahl, z.B. einen Laser oder ein Elektronen strahl bereitgestellt. Die Belichtungsvektoren beinhalten da bei die Geschwindigkeit, die Leistung und die Strahlbreite des Energiestrahls. Die bestehenden Bahnen 110, 120, 130 sind dabei nur stellvertretend für eine sehr große Anzahl von Schweißbahnen, die im Rahmen eines additiven Fertigungspro zesses entstehen. In der Regel wird eine Anzahl von deutlich größer drei Bahnen zur Fertigung einer Schicht eines Objekts benötigt. Der Übersichtlichkeit halber sind im Folgenden nur eine geringe Anzahl gewählt um die Beziehungen zwischen den einzelnen Bahnen 110, 120, 130 nachvollziehbar darstellen zu können.
FIG 2 zeigt die Bahnen 110, 120, 130 von verfestigtem Materi al der ersten Schicht n aus FIG 1 im Querschnitt. Die Bahnen 110, 120, 130 von verfestigtem Material in der ersten Schicht n dabei eine Breite w auf sowie eine Abstand h auf, auch Hatch-Abstand genannt. Der Abstand h wird ausgehend von den Belichtungsvektoren bzw. vom Mittelpunkt der durch das Be lichten entstehenden verfestigten Bahnen 110, 120, 130 gemes sen. Im vorliegenden Beispiel weisen die drei Bahnen 110,
120, 130 eine Abstand h auf, der so gewählt ist, dass er der Breite w der Bahnen 110, 120, 130 entspricht. D. h. die Bah nen 110, 120, 130 berühren sich am äußeren Ende. Ein Überlapp existiert im vorliegenden Beispiel in FIG 2 nicht oder nur im Umfang der Toleranz des jeweilig zum Einsatz kommenden Pro- zesses. FIG 3 zeigt schematisch zweite Belichtungsvektoren Vn+1 in einem Pulverbett 100, das bereits erste und zweite Bahnen 110, 120, 130, 210, 220 verfestigtes Material aufweist. Die ersten Bahnen 110, 120, 130 sind dabei durch Belichtung der ersten Schicht n entstanden, die zweiten Bahnen 210, 220 sind analog durch Belichtung der zweiten Schicht n+1 mit den zwei ten Belichtungsvektoren Vn+1 entstanden. Auch hier sind in der zweiten Schicht n+1 lediglich zwei Bahnen 210, 220 darge stellt, in Realität ist auch die zweite Schicht n+1 gemäß der zu fertigenden Geometrie des Objekts aus deutlich mehr Bahnen aufgebaut. Die Vereinfachung des vorliegenden Beispiels dient der verbesserten Darstellung des Prinzips.
Die zweiten Belichtungsvektoren Vn+1 sind dabei parallel und um einen Versatz verschoben zu den hier nicht dargestellten ersten Belichtungsvektoren angeordnet.
FIG 4 zeigt dazu Bahnen 110, 120, 130, 210, 220 von verfes tigtem Material in einer ersten und einer zweiten Schicht n, n+1 im Querschnitt, wobei ein Versatz xl eingezeichnet ist. Der Versatz xl wird dabei von Mittelachse zu Mittelachse der Bahnen festgelegt, im vorliegenden Fall die Mittelachse der Bahn 110 zur Mittelachse der Bahn 210 sowie der Mittelachse der Bahn 120 zur Mittelachse der Bahn 220. Die Mittelachse ist dabei auch der Ort an dem die Belichtungsvektoren Vn,
Vn+1 auftreffen. Weiterhin ist zu sehen, dass die erste Schicht n und die zweite Schicht n+1 in einer ersten Gruppe Gl zusammengefasst sind. Dementsprechend sind die Bahnen 110, 120, 130, 210, 220 innerhalb der ersten Gruppe Gl parallel zueinander angeordnet. Eine hier noch nicht gezeigte zweite Gruppe G2 würde erfindungsgemäß eine gegenüber der ersten Gruppe geänderte Ausrichtung aufweisen. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der Temperaturverteilung unter Vermei dung von Überhitzungen.
FIG 5 zeigt Bahnen 110, 120, 130, 210, 220, 230, 310, 320, 330 von verfestigtem Material in einer ersten, zweiten und dritten Schicht n, n+1, n+2 im Querschnitt. Weiterhin einge- zeichnet sind ein erster Versatz xl sowie ein zweiter Versatz x2, wobei der erste Versatz xl den Versatz der Belichtungs vektoren der ersten Schicht n zur zweiten Schicht n+1 dar stellt und analog der zweite Versatz x2 den Versatz der Be lichtungsvektoren der zweiten Schicht n+1 zur dritten Schicht n+2 darstellt. Dementsprechend entsprechen die Versätze auch dem Versatz der tatsächlich verfestigten Bahnen 110, 120,
130, 210, 220, 230, 310, 320, 330 zueinander. Die erste, zweite und dritte Schicht n, n+1, n+2 sind dabei wiederum in eine Gruppe Gl gruppiert und weisen dementsprechend dieselbe Ausrichtung auf.
FIG 6 zeigt schematisch einen Winkel zwischen zwei Gruppen Gl und G2. Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass aufei nanderfolgende Gruppen Gl, G2 zueinander rotiert sind. D.h. die Belichtungsvektoren Vn der ersten Gruppe Gl stehen im Winkel zu den Belichtungsvektoren Vn+1 der zweiten Gruppe G2. Da die Belichtungsvektoren und die sich daraus ergebenden verfestigten Bahnen innerhalb der Gruppen zueinander parallel sind, gilt der der Winkel für die Belichtungsvektoren in ei ner Gruppe bzgl. den Belichtungsvektoren der darauffolgenden Gruppe. Es hat sich gezeigt, dass 67 Grad ein guter Kompro miss aus seltenen Wiederholungen der Winkel und gleichmäßiger Temperaturverteilung über die Gruppen hinweg ist.
FIG 7 zeigt eine erste Bahn 110 und eine zweite Bahn 120 mit ihren Belichtungsvektoren V110, V120. Die Bahnen 110, 120 weisen jeweils eine Breite w sowie einen Abstand h zueinander auf. Weiterhin überlappen sich die Bahnen 110, 120, weil der
Abstand h kleiner gewählt ist als die Breite w der Bahnen 110, 120. Der Bereich, in dem sich die Bahnen 110, 120 über lappen ist als Überlapp w' gekennzeichnet. Der Überlapp ist kann dabei je nach verwendetem Prozess und dessen Bahngenau igkeit etwas variieren. Der Überlapp kann dabei im Durch schnitt +/- 0% betragen, die Bahnen sind also durchschnitt lich auf Stoß angeordnet. Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines Objekts mit einem pulverba sierten 3D-Druckverfahren durch selektives Verfestigen von Schichten (n, n+l,n+2) eines Pulvers in einem Pulverbett (100). Um lokalen Überhitzungen bei selektiven, pulverbasier ten 3D-Druckverfahren, vorzubeugen werden jeweils zumindest zwei aufeinanderfolgende Schichten (n, n+l,n+2) zu einer Gruppe (Gl, G2) zusammengefasst. Das Verfahren umfasst wei terhin für jede der Gruppen (Gl, G2) die folgenden Schritte: - Bereitstellen einer ersten Schicht (n) des Pulvers,
- Verfestigen zumindest eines Teils der ersten Schicht (n) mit ersten Belichtungsvektoren (Vn), die zueinander parallel und in einem definierbaren Abstand (h) zueinander angeordnet sind, - Bereitstellen einer zweiten Schicht (n+1) Pulver,
- Verfestigen zumindest eines Teils der zweiten Schicht (n+1) mit zweiten Belichtungsvektoren (Vn+1), die um einen Versatz (xl, x2) parallel bezüglich der ersten Belichtungsvektoren (Vn) angeordnet sind, wobei die Belichtungsvektoren (Vn, Vn+1, Vn+2) von aufeinan derfolgenden Gruppen (Gl, G2) um einen Winkel () zueinander rotiert sind.
BezugsZeichen
100 Pulverbett n, n+l,n+2 Schichten VI, V2, V3 Belichtungs ektoren h Abstand der Belichtungsvektoren
110, 120, 130 Bahnen von verfestigtem Material in ei ner ersten Schicht
210, 220, 230 Bahnen von verfestigtem Material in ei ner zweiten Schicht 310, 320, 330 Bahnen von verfestigtem Material in ei ner dritten Schicht w Breite der Bahnen w ' Überlapp der Bahnen d Tiefe der Bahnen Gl erste Gruppe von Schichten G2 zweite Gruppe von Schichten xl erster Versatz x2 zweiter Versatz Winkel zwischen den Gruppen

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines Objekts mit einem pulverbasierten 3D-Druckverfahren durch selektives Ver festigen von Schichten (n, n+l,n+2) eines Pulvers in einem Pulverbett (100) mittels eines selektiven Laserschmelz- oder selektiven Elektronenstrahlschmelz-Prozesses, wobei jeweils zumindest zwei aufeinanderfolgende Schichten (n, n+l,n+2)
Teil einer Gruppe (Gl, G2) sind, umfassend die Schritte für jede der Gruppen (Gl, G2):
- Bereitstellen einer ersten Schicht (n) des Pulvers,
- Verfestigen zumindest eines Teils der ersten Schicht (n) mit ersten Belichtungsvektoren (Vn), die zueinander parallel und in einem definierbaren Abstand (h) zueinander angeordnet sind,
- Bereitstellen einer zweiten Schicht (n+1) Pulver,
- Verfestigen zumindest eines Teils der zweiten Schicht (n+1) mit zweiten Belichtungsvektoren (Vn+1), die um einen Versatz
(xl, x2) parallel bezüglich der ersten Belichtungsvektoren (Vn) angeordnet sind, wobei die Belichtungsvektoren (Vn, Vn+1, Vn+2) von aufeinan derfolgenden Gruppen (Gl, G2) um einen Winkel () zueinander rotiert sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Abstand (h) so ge wählt ist, dass durch das Verfestigen entstehende Bahnen (110,...,330) einen mittleren Überlapp (w') von höchstens 20%, vorzugsweise von höchstens 10% aufweisen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Abstand (h) so gewählt ist, dass die durch das Verfestigen entstehenden Bahnen (Pn, Pn+l,Pn+2) einen mittleren Überlapp (w') von 10% bis -10% aufweisen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Versatz (xl, x2) höchstens 50% einer Breite (w) der durch das Verfestigen entstehenden Bahnen (110, 330) entspricht.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkel (ex) so gewählt ist, dass die Ausrichtung einer der folgenden Gruppen (Gl, G2) frühestens nach der Verfestigung von 10 Gruppen (Gl, G2) wieder der ursprünglichen Gruppe ent spricht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkel (ex) mindestens 30°, insbesondere mindestens 50° beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkel (ex) höchstens 150°, insbesondere höchstens 130° beträgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkel (ex) verschieden von 90° oder einem Vielfachen von 90° gewählt ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die durch das Verfestigen entstehenden Bahnen (110, 330) zu mindest die vorhergehende Schicht (n, n+1, n+2) durchdringt, insbesondere die vorhergehenden drei Schichten.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der Gruppen (Gl, G2) zumindest eine dritte Schicht (n+2) umfasst, wobei die zweite Schicht (n+1) um ei nen ersten Versatz (xl) bezüglich der ersten Schicht (n) und die dritte Schicht (n+2) um einen zweiten Versatz (x2) bezüg lich der zweiten Schicht (n+1) versetzt angeordnet ist.
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