EP4225524A1 - Lokal selektive bestrahlung eines arbeitsbereichs mit einer von einer kreisform abweichende strahlform - Google Patents

Lokal selektive bestrahlung eines arbeitsbereichs mit einer von einer kreisform abweichende strahlform

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EP4225524A1
EP4225524A1 EP21782989.4A EP21782989A EP4225524A1 EP 4225524 A1 EP4225524 A1 EP 4225524A1 EP 21782989 A EP21782989 A EP 21782989A EP 4225524 A1 EP4225524 A1 EP 4225524A1
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EP
European Patent Office
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vector
irradiation
energy beam
work area
planning device
Prior art date
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Pending
Application number
EP21782989.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wilhelm Meiners
Sarah LEUCK
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.)
Trumpf Laser und Systemtechnik Se
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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Filing date
Publication date
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Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Publication of EP4225524A1 publication Critical patent/EP4225524A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a planning device and a method for planning a locally selective irradiation of a work area with an energy beam
  • an energy beam is typically selectively displaced to predetermined irradiation positions of a work area in order to locally solidify powder material arranged in the work area.
  • this is repeated layer by layer in powder material layers arranged one after the other in the working area, in order finally to obtain a three-dimensional component made of solidified powder material.
  • the locally selective irradiation of the work area is planned in advance and/or ad hoc during manufacture, but typically before the actual irradiation of a layer of powder material.
  • a planning device is provided for this purpose, which carries out this planning. It has been found that under certain conditions it can be advantageous, at least for certain areas of the component to be produced, to use a beam shape that deviates from a circular shape for the energy beam on the work area, for example to increase a build-up rate. However, this means that the corresponding beam shape, which is no longer rotationally symmetrical with respect to rotation at any desired angle, must be aligned relative to a displacement direction of the energy beam.
  • conventional Planning facilities and procedures for planning the locally selective irradiation of the work area are not set up for this.
  • the object of the invention is to provide a planning device and a method for planning a locally selective irradiation of a work area with an energy beam, a computer program product for carrying out such a method, a manufacturing device with such a planning device, and a method for additively manufacturing a component from a powder material to create, wherein the disadvantages mentioned are at least reduced, preferably avoided.
  • the object is achieved in particular by creating a planning device for planning a locally selective irradiation of a work area with an energy beam in order to use the energy beam to produce a component from a powder material arranged in the work area, the planning device being set up to use a plurality of irradiation vectors for irradiating a layer of powder material arranged in the working area with the energy beam, the planning device being set up to determine a vector orientation in a coordinate system on the working area for at least one irradiation vector of the plurality of irradiation vectors, and the planning device being set up to for the at least one radiation vector, a beam alignment for a beam shape that deviates from a circular shape of the energy beam on the work area relative to the vector alignment of the at least one radiation source to specify gs vectors.
  • the fact that the planning device is set up to receive the plurality of irradiation vectors includes, in particular, that the planning device has an interface or another suitable configuration in order to receive the irradiation vectors—preferably to be transmitted or received electronically, in particular in the form of a file or other machine-readable data, in particular wirelessly or with a cable.
  • the planning device also includes the planning device being set up to create or generate, in particular to calculate, the irradiation vectors.
  • a computer program to run on the planning device itself, by means of which the irradiation vectors can be calculated or generated in some other way.
  • the radiation vectors can be entered into the planning device by a user, be it manually, by voice input, by gestures, or in some other suitable manner.
  • the fact that the planning device is set up to receive the radiation vectors therefore means in particular that the radiation vectors can be made available or made accessible to the planning device in any way, this including that the radiation vectors can be generated in the planning device itself.
  • the planning device is set up to determine the vector alignment for the at least one radiation vector.
  • a beam shape of the energy beam on the work area is understood to mean, in particular, an intensity distribution of the energy beam on the work area, in particular on the powder material layer.
  • a jet shape deviating from the circular shape is preferably in particular a jet shape which has a first width along a first direction which is greater than a second width which the jet shape has along a second direction, the second direction being perpendicular to the first direction.
  • the beam shape deviating from the circular shape is therefore in particular an elongated beam shape.
  • the elongated beam shape is preferably aligned with the first width along the direction of displacement of the energy beam, ie along the vector alignment.
  • the beam shape, which deviates from the circular shape has the shape of an ellipse.
  • the elliptical beam shape is preferably aligned with its large semi-axis along the vector alignment.
  • the planning device is set up in particular to define the beam alignment relative to the vector alignment for the at least one irradiation vector.
  • the beam alignment is given in particular by an angle that the beam shape encloses with a specific axis of the coordinate system on the work area.
  • beam orientation used in the following describes an orientation of a beam shape that is not symmetrical along the beam alignment along the direction defined by the beam alignment, i.e. the fact whether the beam shape is "forward” or "backward". - is oriented - in particular with a view to a displacement direction of the beam shape.
  • the fact that the planning device is set up to specify, in particular to define, the beam alignment for the at least one irradiation vector means in particular that the planning device is set up to generate a control variable, in particular an angle, for the at least one radiation vector for controlling an optical device, wherein the beam shape of the energy beam can be aligned on the work area by means of the optical device.
  • the planning device is set up to determine a vector orientation for each irradiation vector of the plurality of irradiation vectors. This is advantageous in particular when all the radiation vectors are assigned a beam shape that deviates from the circular shape, or when the beam shape that deviates from the circular shape is permanently specified for all the radiation vectors.
  • the planning device it is also possible for the planning device to be set up to determine the vector orientation for a number of the irradiation vectors, the number being smaller than the majority of the irradiation vectors.
  • the planning device it is possible for the planning device to be set up to determine the vector orientation only for those irradiation vectors that are also assigned a beam shape that deviates from the circular shape. In this way, it is advantageously possible in particular to save computing power and possibly also memory space, since there is no need to determine the vector orientation for those irradiation vectors to which a circular beam shape is assigned.
  • the planning device is preferably designed in particular as a build processor, in particular external to a manufacturing device, or as a control device, in particular as an internal control device, of a manufacturing device for additively manufacturing a component from a powder material.
  • a build processor is to be understood in particular a device that generates a data set or a file with data that can be passed to a control device of a manufacturing facility, so that the Manufacturing facility can additively manufacture a component from a powder material based on the data.
  • the planning device is designed as a build processor, it generates the irradiation vectors itself in a preferred embodiment.
  • the planning device is designed as a control device of a manufacturing facility, it preferably receives the irradiation vectors from a build processor, in particular as a data set and/or in the form of a File.
  • the planning device can also be provided partly in the build processor and partly in the control device of the manufacturing device.
  • steps of the method according to the invention for planning the locally selective irradiation described in connection with the planning device or one or more embodiments of this method can be carried out in the build processor, in the control device, or partly in the build processor and partly in the control device will.
  • the planning device is preferably selected from a group consisting of a computer, in particular a personal computer (PC), a mobile computing device, for example a tablet or smartphone, a plug-in card or control card, and an FPGA board.
  • the planning device is an RTC6 control card from SCANLAB GmbH, in particular in the version currently available on the date determining the seniority of the present property right.
  • the planning device can also be implemented as a service provider, ie in particular a server, or as a plurality of interconnected computing devices, in particular as a network or part of a network, in particular as a cloud or part of a cloud.
  • Additive or generative manufacturing or production of a component is understood to mean in particular a layered construction of a component from powder material - powder material layer for powder material layer - in particular a powder bed-based method for producing a component in a powder bed, in particular a manufacturing method that is selected from a group consisting selective laser sintering, selective plastic laser sintering, laser metal fusion (LMF), direct metal laser melting (DMLM), direct metal laser sintering (DMLS), Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), Laser Engineered Net Shaping (LENS), and - in particular selective - Electron Beam Melting (EBM).
  • An energy beam is generally understood to mean directed radiation that can transport energy. This can generally involve particle radiation or wave radiation. In particular, the energy beam propagates through the physical space along a propagation direction and thereby transports energy along its propagation direction. In particular, it is possible by means of the energy beam to deposit energy locally in the work area.
  • the energy beam is an electron beam or an optical working beam.
  • An optical working beam is to be understood in particular as directed electromagnetic radiation, continuous or pulsed, which is suitable in terms of its wavelength or a wavelength range for the additive or generative manufacturing of a component from powder material, in particular for sintering or melting the powder material.
  • an optical working beam means a laser beam that can be generated continuously, pulsed or modulated.
  • the optical working beam preferably has a wavelength or a wavelength range in the visible electromagnetic spectrum or in the infrared electromagnetic spectrum, or in the overlap region between the infrared range and the visible range of the electromagnetic spectrum.
  • a working area is understood to mean in particular an area, in particular a plane or surface, in which the powder material layer is arranged and which is locally irradiated with the energy beam in order to locally solidify the powder material.
  • the powder material is sequentially arranged in layers in the work area and is locally irradiated with the energy beam in order to produce a component—layer by layer.
  • an energy beam is applied locally to the work area means in particular that the energy beam is not applied to the entire work area globally - neither instantaneously nor sequentially - but rather that the work area is covered in places, in particular at individual, connected or separate locations, with the Energy beam is applied, wherein the energy beam is shifted in particular by means of the scanner device within the work area.
  • the fact that the energy beam is applied selectively to the work area means in particular that the energy beam is applied to the work area at selected, predetermined points or locations or in selected, predetermined areas.
  • the working area is in particular a layer of powder material or a preferably contiguous area Powder material layer, which / which can be reached by the energy beam using the scanner device, that is, it includes in particular those points, locations or areas of the powder material layer that can be acted upon by the energy beam.
  • An irradiation vector is understood to mean, in particular, a specific section in the work area along which a continuous, in particular linear displacement of the energy beam is carried out, with the section having a specific length, specific direction of displacement, possibly at least in some areas a specific curvature or a specific one, from a straight line deviating path, and having a specific orientation of displacement.
  • the irradiance vector thus preferably includes direction or orientation as its vector orientation, length as its vector length, and orientation - i.e. along the "forward" or "backward” orientation - of displacement as its vector orientation.
  • the fact that the displacement takes place continuously means in particular that it takes place without dropping or interrupting the energy beam, in particular without a jump.
  • the fact that the irradiation takes place linearly means in particular that it takes place along a straight line.
  • Such an irradiation vector is preferably represented at least—preferably precisely—by specifying a starting point and an end point in the coordinate system spanned over the working area.
  • the planning device is set up in particular to determine, in particular to calculate, from the starting point and the end point of a radiation vector its vector orientation and preferably also at least one other variable selected from its vector length and its vector orientation.
  • a radiation vector has a curvature at least in regions or approximates a curved path by piecewise stringing together of linear sections, it is possible for the radiation vector to be described by at least one further path parameter, for example a plurality of intermediate points between the starting point and the end point.
  • a radiation vector to be defined by a plurality of connected partial vectors.
  • the vector orientation is in particular an angle which the irradiation vector encloses—at least locally—with a specific axis of the coordinate system.
  • the vector orientation includes the—at least local—direction of displacement of the energy beam along the irradiation vector, or to put it another way Ask which of the points defining the radiation vector is the starting point and which is the ending point for the displacement.
  • the planning device is set up to specify a beam shape of the energy beam for each radiation vector of the plurality of radiation vectors, in particular to assign a beam shape to each radiation vector of the plurality of radiation vectors. It is fundamentally possible that the same beam shape is assigned to each irradiation vector. However, it is also possible to assign different beam shapes to different irradiation vectors, which can be advantageous in particular for increasing the flexibility of production. In addition, it is possible in this way to select optimum production parameters, in particular depending on specific local conditions.
  • the planning device is preferably set up to specify, in particular assign, either a circular beam shape or a beam shape that deviates from the circular shape of the energy beam for each radiation vector of the plurality of radiation vectors.
  • the planning device is set up to specify, in particular to allocate, an energy input parameter of the energy beam for each irradiation vector of the plurality of irradiation vectors.
  • the at least one energy input parameter is preferably selected from a group consisting of a beam power and a displacement speed of the energy beam on the work area, in particular within a radiation vector from its starting point to its end point. This proves to be particularly advantageous when the same beam shape is assigned to each irradiation vector. It is then possible, in particular, to take different local conditions into account by selecting different energy input parameters in each case.
  • the planning device is set up to determine the vector orientation of at least one radiation vector of the plurality of radiation vectors.
  • the planning device is preferably also set up to specify a beam orientation for the at least one irradiation vector—relative to the vector orientation—for the beam shape assigned to the at least one irradiation vector.
  • a beam shape can also be used that is not symmetrical in the direction of the vector alignment, so that the orientation of the beam shape relative to the vector orientation must be specified in order to determine the position of the beam shape, especially with regard to the direction of displacement of the Energy beam, definitely to set. It is thus possible to use beam shapes that are not symmetrical along the vector alignment. This can further increase the flexibility of production.
  • the planning device is preferably set up to determine the vector orientation for that irradiation vector or those irradiation vectors for which the vector orientation is also determined. These are in particular those irradiation vectors for which a beam shape deviating from the circular shape is also used. In a preferred embodiment, it is possible for the planning device to be set up to determine a vector orientation only for those irradiation vectors for which a beam shape that is not symmetrical in the direction of the vector orientation is also used.
  • the planning device is set up to assign a different beam shape to at least two radiation vectors of the plurality of radiation vectors depending on at least one vector parameter, with the at least one vector parameter preferably being selected from a group consisting of of: a location of the exposure vector on the work area, an assignment of the exposure vector to a particular vector group, and a vector length of the exposure vector.
  • the planning device is set up to assign a different energy input parameter depending on the at least one vector parameter to at least two irradiation vectors of the plurality of irradiation vectors.
  • the location of the irradiation vector on the work area is used as the vector parameter, this allows local conditions to be taken into account when selecting the beam shape or the energy input parameter.
  • the assignment of the irradiation vector to a specific vector group as a vector parameter makes it possible to advantageously take into account local production conditions or conditions of the component being produced, in particular also conditions of the three-dimensional geometry of the component being produced.
  • Taking the vector length into account as a vector parameter is advantageous, since a beam shape that deviates from the circular shape can be disadvantageous in the case of comparatively short radiation vectors, especially if an elongated length of the beam shape is approximately the same as the vector length of the radiation vector.
  • the procedure is particularly suitable for an embodiment of the planning device as a control device of a production device or an implementation of the planning device in such a control device.
  • the assignment of a radiation vector to a specific vector group means in particular whether the radiation vector is assigned as a contour vector to a component contour, whether the radiation vector is assigned to a filigree component structure, or whether the radiation vector is assigned to a support structure for the component to be manufactured, a volume area or "in skin ' area, an overhang area or 'down skin' area, or a top layer area or 'up skin' area of the layer of powder material.
  • Different production conditions arise in the corresponding areas, which can advantageously be taken into account accordingly through a suitable selection of the beam shape and/or the energy input parameter. For example, for certain critical structures, for example for certain support structures, a reduced spatial and temporal input of energy is required in order to avoid local overheating, for example.
  • a circular beam shape can be advantageous compared to a beam shape that deviates from the circular shape.
  • the planning device is particularly preferably set up to identify corresponding component areas, in particular critical component areas, to assign the irradiation vectors to the corresponding vector groups, and to select a suitable beam shape and/or a suitable energy input parameter for each of the irradiation vectors.
  • An overhang area is in particular an area within a powder material layer below which, ie in underlying powder material layers, there is non-solidified powder material. Such an overhang is also referred to as "down skin”.
  • a top layer region is in particular a region within a powder material layer above which, ie in overlying powder material layers, there is non-solidified powder material. Such a top layer area is also referred to as "up skin”. This term also refers to the uppermost layer of powder material, which still comprises solidified powder material, ie a roof surface or uppermost surface of the component.
  • a volume area is in particular an area within a powder material layer which is surrounded on all sides in the finished component by solidified powder material, in particular within the powder material layer but also above and below the powder material layer just processed. Such an area is also referred to as an “in skin” area.
  • the planning device is set up to define a plurality of irradiation areas on the work area and to assign the radiation vectors to the irradiation areas, with the planning device being set up to specify a beam shape of the energy beam for each irradiation area of the plurality of irradiation areas , and to define a division of the irradiation areas depending on a vector length of the irradiation vectors in the irradiation areas.
  • This procedure is particularly suitable when the planning device is designed as a build processor. It is then possible, for example, to generate or specify strip-shaped irradiation areas, with each irradiation area being assigned a specific beam shape.
  • the beam shape is then to be changed as a function of the vector length, this is possible in a particularly simple manner if a new irradiation area is defined from a certain limit vector length, in particular towards shorter irradiation vectors, or an existing irradiation area is divided into a first area with longer irradiation vectors and a second area with shorter irradiation vectors.
  • the irradiation areas can, for example, also be smaller rectangular or square areas, for example in the manner of chessboard fields.
  • the planning device is set up to define a plurality of irradiation areas in the work area and to assign the radiation vectors to the irradiation areas means in particular that the planning device can be set up to assign existing radiation vectors to different irradiation areas. Alternatively or additionally, the planning device can be set up to generate new irradiation vectors in different irradiation areas.
  • An irradiation area is in particular sequentially covered with a large number of irradiation vectors.
  • a strip-shaped irradiation area is preferably sequentially swept over with a multiplicity of irradiation vectors aligned in the width direction of the irradiation area, offset from one another in the longitudinal direction of the irradiation area or arranged next to one another.
  • adjacent irradiation vectors can be aligned in particular parallel or antiparallel to one another.
  • the planning device is set up to calculate at least one contour distance of the at least one for at least one irradiation vector of the plurality of irradiation vectors radiation vector to a contour line of a component contour of a component layer to be produced on the powder material layer in the working area as a function of at least one distance parameter, the at least one distance parameter being selected from a group consisting of: the beam shape assigned to the at least one irradiation vector, and a contour angle that the at least one irradiation vector encloses with the contour line.
  • the planning device is preferably set up to specify the at least one contour distance as a function of the two distance parameters of the aforementioned group.
  • the planning device is preferably set up in such a way that an operator can parameterize the at least one contour distance or specify conditions for specifying the at least one contour distance, for example in the form of a table or a characteristic map.
  • a component contour is understood here as a boundary line or border line of a component layer or of a region of the component layer.
  • a component layer is understood here to mean a layer of the resulting component that is still to be produced or has already been produced in the powder material layer arranged there in the work area, i.e. in particular - after the end of the irradiation of the powder material layer - those areas of the same in which the powder material solidifies by the energy beam, in particular sintered or fused.
  • the component is successively built up component layer by component layer from the layers of powder material arranged one on top of the other.
  • the at least one contour distance is preferably a distance that a center point or focus of the beam shape has at least to the contour line.
  • the contour distance can be given from an intensity maximum of the beam shape.
  • the contour distance can be given by a predetermined border or level line, which runs, for example, at a predetermined percentage of the maximum intensity. In principle, a large number of definitions for the contour distance are possible, which, however, have the same physical meaning as a result.
  • the contour distance determines in particular where the at least one irradiation vector has to start or end in relation to the contour line. The contour distance thus depends in particular on the expansion of the jet shape.
  • the contour distance is advantageously selected as a function of the specific beam shape, it being selected in particular as a function of a deviation of the beam shape from the circular shape. If the beam shape deviates from the circular shape, a suitable one is hanging Selection of the contour distance depends in particular on the contour angle that the at least one irradiation vector and thus also the beam shape itself encloses with the contour line. It is possible for two contour distances to be determined for an irradiation vector, in particular a first contour distance along the vector orientation and a second contour distance perpendicular to the vector orientation. Since the beam shape is preferably elongated along the vector orientation, the first contour distance is preferably chosen to be larger than the second contour distance. If, however, the beam shape is not symmetrical along the vector alignment, different contour distances are preferably selected depending on the beam shape—possibly in particular more than two contour distances—whereby values of the different contour distances can then also depend in particular on the beam orientation.
  • the planning device is set up to carry out the determination of the vector alignment and the specification of the beam alignment for each component layer of a plurality of the component layers to be produced one after the other in the work area.
  • the vector alignment and thus in particular at the same time also the beam alignment, varies from component layer to component layer.
  • the irradiation vectors or irradiation areas it is possible for the irradiation vectors or irradiation areas to be rotated by a predetermined angle with the irradiation vectors from component layer to component layer.
  • the planning device is then set up in particular to rotate the beam alignment accordingly.
  • the planning device is set up to specify a number of displacements of the energy beam along a contour line of a component contour of a component layer to be produced on the powder material layer in the working area as a function of at least one contour travel parameter, the at least one contour travel parameter is selected from a group consisting of: the beam shape assigned to at least one irradiation vector adjoining the contour line, and a contour angle which the at least one irradiation vector adjoining the contour line encloses with the contour line.
  • the planning device is set up to specify the number of displacements of the energy beam along the contour line as a function of the two contour travel parameters of the aforementioned group.
  • a shift in the energy beam, also known as contouring along a contour line is carried out in particular in order to smooth the contour, which is less precisely defined due to the discrete irradiation vectors ending in the area of the contour line compared to inner component areas, and to eliminate any unevenness and/or porosities that have arisen there.
  • the contour line is better or less well defined.
  • a larger number or a smaller number of contour travels are then required in order to obtain a high-quality component contour.
  • the number of contour runs is selected to be larger when the contour distance is larger, and the number of contour runs is selected to be smaller when the contour distance is smaller.
  • no additional contour travels are carried out in addition to a number of contour travels that are provided anyway, while in the case of a contour distance that is greater than or equal to the predetermined limit contour distance , additional contour runs can be carried out.
  • no additional contour runs are preferably carried out in the area of a circular jet shape, while additional contour runs are carried out in areas where the jet shape deviates from the circular shape.
  • the planning device is set up to assign each energy beam of a plurality of energy beams a specific beam shape—in particular fixed—and to assign one energy beam of the plurality of energy beams with a matching beam shape to the irradiation vectors.
  • a specific beam shape in particular fixed
  • assign one energy beam of the plurality of energy beams with a matching beam shape to the irradiation vectors.
  • different beam shapes can be realized very easily, especially in a so-called multi-laser machine.
  • adjustable and/or controllable optical devices can even be dispensed with entirely.
  • the beam shape is preferably switched by suitably controlling a suitable optical device or a corresponding optical element or—in a particularly simple embodiment—moving it in or out into a beam path of the energy beam as required.
  • the object is also achieved by creating a method for planning a locally selective irradiation of a work area with an energy beam in order to use the energy beam to produce a component from a powder material arranged in the work area, wherein for at least one irradiation vector of a plurality of irradiation vectors for irradiation a powder material layer arranged in the working area with the energy beam, a vector orientation in a coordinate system on the working area is determined, and wherein for the at least one irradiation vector a beam orientation for a beam shape of the energy beam deviating from a circular shape on the working area relative to the vector Alignment of the at least one radiation vector is specified.
  • the advantages that have already been explained in connection with the planning device are realized in particular.
  • the method preferably comprises at least one method step, preferably a plurality of method steps, which have been described explicitly or implicitly in connection with the planning device, in particular in the form of preferred configurations or devices of the planning device.
  • the planning or at least partial steps of the planning of the locally selective irradiation it is possible for the planning or at least partial steps of the planning of the locally selective irradiation to be carried out at the start of production, in particular before a first layer of powder material is irradiated with the energy beam.
  • the planning or at least partial steps of the planning it is preferably possible for the planning or at least partial steps of the planning to be carried out layer by layer during the irradiation of a layer of powder material with the energy beam for the subsequent layer of powder material.
  • the planning or at least partial steps of the planning in particular the specification of the beam alignment or the determination of the vector alignment and the specification of the beam alignment, in real time during the irradiation of a powder material layer for the powder material layer just irradiated is carried out.
  • the object is also achieved by creating a manufacturing device for the additive manufacturing of components from a powder material.
  • the manufacturing device has a beam generating device that is set up to generate an energy beam.
  • the manufacturing device has a scanner device that is set up to locally selectively irradiating a work area with the energy beam in order to use the energy beam to produce a component from the powder material arranged in the work area.
  • the manufacturing device has an optics device that is set up to shape and align the energy beam.
  • the manufacturing device has a control device that is operatively connected to the scanner device and set up to control the scanner device. The control device is also operatively connected to the optics device in order to control the controllable optics device.
  • the control device has a planning device according to the invention or a planning device according to one or more of the exemplary embodiments described above, or is designed as a planning device according to the invention or as a planning device according to one or more of the exemplary embodiments described above.
  • a planning device according to the invention or a planning device according to one or more of the exemplary embodiments described above or is designed as a planning device according to the invention or as a planning device according to one or more of the exemplary embodiments described above.
  • the beam generating device is preferably designed as a laser.
  • the energy beam is thus advantageously generated as an intensive beam of coherent electromagnetic radiation, in particular coherent light.
  • irradiation preferably means exposure.
  • the beam generating device is designed as an electron beam gun. The energy beam is thus advantageously generated as an electron beam.
  • the scanner device preferably has at least one scanner, in particular a galvanometer scanner, piezo scanner, polygon scanner, MEMS scanner, capacitor plates, and/or a working head or processing head that can be displaced relative to the work area.
  • the scanner devices proposed here are particularly suitable for shifting the energy beam within the working area between a plurality of irradiation positions.
  • a working head or processing head that can be displaced relative to the work area is understood here in particular to mean an integrated component of the production facility which has at least one radiation outlet for at least one energy beam, the integrated component, i.e. the working head, as a whole along at least one displacement direction, preferably along two mutually perpendicular directions of displacement, is displaceable relative to the work area.
  • a working head can be designed in particular in a portal design or guided by a robot.
  • the working head can be designed as a robot hand of a robot.
  • the control device is preferably selected from a group consisting of a computer, in particular a personal computer (PC), a plug-in card or control card, and an FPGA board.
  • the control device is an RTC6 control card from SCANLAB GmbH, in particular in the version currently available on the date determining the seniority of the present property right.
  • the production facility is preferably set up for selective laser sintering. Alternatively or additionally, the production facility is set up for selective laser melting. Alternatively, the manufacturing facility is preferably set up for selective electron beam melting. These configurations of the production facility have proven to be particularly advantageous.
  • the optics device is preferably set up to increase a first width of the energy beam along a predeterminable direction, in particular along the vector orientation, relative to a second width of the energy beam perpendicular to the predeterminable direction.
  • the optics device is designed as an astigmatic optics or has an astigmatic optics, for example at least one cylindrical lens, preferably two cylindrical lenses.
  • the optics device is designed as a non-astigmatic optics or has a non-astigmatic optics. In a particularly preferred manner, such a non-astigmatic optic has at least one anamorphic prism, preferably two anamorphic prisms.
  • the optics device also has an—in particular controllable—actuating device that is set up to align the beam shape of the energy beam, with the actuation device being set up in particular to rotate at least one optical element of the optics device.
  • the adjusting device is designed as a rotary table, in particular as a controllable rotary table, or the like.
  • the optics device can also have at least one controllable deflector element, which is set up to generate a quasi-stationary intensity distribution in the local beam-forming area by dynamic scanning of a local beam-forming area and in this way to locally form the energy beam and the thus generated align quasi-stationary beam shape.
  • the optical device can be designed as an acousto-optical deflector or as a diffractive optical element.
  • the object is also achieved by creating a computer program product which has machine-readable instructions, on the basis of which a method according to the invention for planning or a method according to one or more of the embodiments described above is carried out on a computing device, in particular a planning device or a control device, if the computer program product runs on the computing device.
  • a computing device in particular a planning device or a control device, if the computer program product runs on the computing device.
  • the object is also achieved by creating a method for additively manufacturing a component from a powder material using a manufacturing device according to the invention or a manufacturing device according to one or more of the exemplary embodiments described above, wherein a working area is locally selectively irradiated with the energy beam in order to energy beam to produce the component from the powder material arranged in the working area, with a layer of powder material arranged in the working area being exposed to the energy beam in the form of a plurality of irradiation vectors, with a beam shape of the energy beam deviating from a circular shape being applied to the working area for at least one irradiation vector of the plurality of Irradiation vectors is aligned relative to a vector alignment of the at least one irradiation vector in a coordinate system on the work area.
  • the advantages that were explained above in connection with the planning device, the method for planning, the manufacturing device and the computer program product are realized in particular.
  • the beam orientation only needs to be adjusted once before irradiating each one powder material layer. This can be carried out, for example, by suitable rotation of the optics device or an optical element of the optics device.
  • a layer of powder material has different irradiation vectors with different Associated with vector alignments, it also requires a change in the beam alignment, in particular a suitable rotation of the optics device or the corresponding optical element, within or during the irradiation of the affected powder material layer.
  • a laser is preferably used as the beam generating device.
  • an electron beam gun is preferably used.
  • the component is preferably manufactured by means of selective laser sintering and/or selective laser melting.
  • the component is manufactured by means of - in particular selective - electron beam melting.
  • a metallic or ceramic powder can preferably be used as the powder material.
  • a different beam shape is used for at least two radiation vectors of the plurality of radiation vectors depending on at least one vector parameter, with the at least one vector parameter preferably being selected from a group consisting of: a location the exposure vector on the work area, an assignment of the exposure vector to a specific vector group, and a vector length of the exposure vector.
  • a different energy input parameter is used depending on at least one vector parameter, with the at least one vector parameter preferably being selected from a group consisting of: a location of the exposure vector on the work area, an assignment of the exposure vector to a specific vector group, and a vector length of the exposure vector.
  • the energy beam is displaced several times along a contour line of a component contour of a component layer to be produced on the powder material layer in the working area, with a number of displacements of the energy beam along the contour line being selected as a function of at least one contour travel parameter , wherein the at least one contour travel parameter is selected from a group consisting of: the beam shape associated with at least one irradiation vector adjoining the contour line, and a contour angle which the at least one irradiation vector adjoining the contour line encloses with the contour line.
  • the number of displacements of the energy beam along the contour line is preferably selected as a function of both contour travel parameters of the previously defined group.
  • the method preferably comprises at least one method step, preferably a plurality of method steps, which have been described explicitly or implicitly in connection with the planning device, in particular in the form of preferred configurations or devices of the planning device, in connection with the method for planning, or in connection with the production device .
  • the invention also includes a computer program product which has machine-readable instructions, on the basis of which a method according to the invention for additively manufacturing a component or a method according to one or more of the embodiments described above is carried out on a computing device, in particular a control device of a manufacturing device, if the computer program product the computing device is running.
  • a computing device in particular a control device of a manufacturing device, if the computer program product the computing device is running.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a manufacturing device for the additive manufacturing of components from a powder material with an exemplary embodiment of a planning device;
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a first embodiment of a method for planning a locally selective irradiation of a work area
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a second embodiment of such a method.
  • 1 shows an exemplary embodiment of a manufacturing device 1 for the additive manufacturing of a component 3 from a powder material.
  • the manufacturing device 1 has a beam generating device 5 which is set up to generate an energy beam 7 .
  • the beam generating device 5 is preferably designed as a laser or has a laser, and the energy beam 7 is preferably a laser beam accordingly.
  • the energy beam 7 can in particular also be an electron beam.
  • the beam generating device 5 is designed as an electron beam gun.
  • the production device 1 also has a scanner device 9 which is set up to locally and selectively irradiate a work area 11 with the energy beam 7 in order to use the energy beam 7 to produce the component 3 from the powder material arranged in the work area 11 .
  • the scanner device 9 preferably has a controllable scanner 12 for the energy beam 7, for example a galvo scanner.
  • the production device 1 also has a control device 13 which is operatively connected to the scanner device 9 and set up to control the scanner device 9 , in particular to move the energy beam 7 within the work area 11 .
  • the control device 13 is designed here as a planning device 15 .
  • the control device 13 it is possible for the control device 13 to have a planning device 15 .
  • the planning device 15 it is also possible for the planning device 15 to be provided separately from the production device 1, for example as a build processor or as a cloud application.
  • the planning device 15 is set up to plan the locally selective irradiation of the work area 11 with the energy beam 7 .
  • the production device 1 also has an optical device 17 .
  • the optical device 17 has an optical system 19, in particular an astigmatic optical system, preferably with at least one cylindrical lens, or a non-astigmatic optical system, preferably with at least one anamorphic prism.
  • the optics device 17 is set up in particular by the optics 19 in order to shape the energy beam 7 and align it along a parameterizable direction, in particular along a direction of displacement of the energy beam 7 shown here by an arrow P within the working area 11 .
  • the optics device 17 can also have at least one controllable deflector element, which is set up to dynamically scan a local beam shape area to generate a quasi-stationary intensity distribution in the local beam shape area and in this way to shape the energy beam locally and to align the generated quasi-stationary beam shape.
  • the optics device 17 can be designed as an acousto-optical deflector or as a diffractive optical element.
  • the optics device 17 is set up in particular to increase a first width B1 of the energy beam 7 along the displacement direction illustrated by the arrow P relative to a second width B2 of the energy beam 7 perpendicular to the displacement direction, in particular to generate an elliptical energy beam 7.
  • the control device 13 is operatively connected to the optics device 17 in order to control the controllable optical device 17 , in particular a controllable actuating device 16 .
  • the adjusting device 16 is set up in particular to rotate the energy beam 7 about its optical axis or beam axis.
  • the planning device 15 is set up to obtain a plurality of irradiation vectors 21 (see FIGS. 2 and 3) for irradiating a layer of powder material arranged in the working area 11 with the energy beam 7 .
  • the planning device 15 determines a vector orientation in a coordinate system on the work area 11 for at least one irradiation vector 21 of the plurality of irradiation vectors 21, and it gives a beam orientation for the at least one irradiation vector 21 of the plurality of irradiation vectors 21 for a shape that deviates from a circular shape Beam shape of the energy beam 7 on the work area 11 relative to the vector orientation of the at least one irradiation vector 21.
  • the planning device 15 preferably specifies a beam shape of the energy beam 7 and/or an energy input parameter of the energy beam 7, in particular a beam power and/or a displacement speed, for each irradiation vector 21.
  • the planning device 15 determines a vector orientation and specifies a beam orientation for the associated beam shape relative to the vector orientation.
  • the planning device 15 preferably assigns a different beam shape and/or a different energy input parameter to at least two irradiation vectors 21 depending on at least one vector parameter.
  • the at least one vector parameter can be a location of the radiation vector 21 on the work area 11 .
  • the vector parameter can be an assignment of the irradiation vector 21 to a specific vector group.
  • the vector parameter can be a vector length of the irradiation vector 21 .
  • the planning device 15 preferably carries out the determination of the vector alignment and the specification of the beam alignment for each component layer of a plurality of component layers to be produced one after the other in the work area 11 .
  • the planning device 15 preferably assigns a specific beam shape to each energy beam 7 . It then assigns one energy beam 7 of the plurality of energy beams 7 with a matching beam shape to the radiation vectors 21 so that the radiation vectors 21 are each processed with that energy beam 7 that has the appropriate beam shape assigned to the respective radiation vector 21 .
  • the manufacturing device 1 preferably carries out a method for manufacturing the component 3 according to the plan created by the planning device 15 .
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a first embodiment of a method for planning a locally selective irradiation of the work area 11.
  • Two contour lines 22 of a component contour 24 are shown here, namely a first contour line 22.1 and a second contour line 22.2, as well as a radiation vector 21, to which a beam shape 18 deviating from the circular shape is assigned.
  • Two contour distances are specified for the irradiation vectors 21, namely a first contour distance a from the first contour line 22.1, and a second contour distance b from the second contour line 22.2.
  • the contour distances a, b are selected as a function of the beam shape 18 and a contour angle that the irradiation vector 21 has in relation to the respective contour line 22 .
  • the first contour spacing a for the first contour line 22.1 running parallel to the radiation vector 21 is selected to be smaller than the second contour spacing b for the second contour line 22.2 running perpendicular to the radiation vector 21.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a second embodiment of the method for planning a locally selective irradiation of the work area 11.
  • the planning device 15 preferably defines a plurality of irradiation areas 23 on the work area 11 and assigns the irradiation vectors 21 to the irradiation areas 23 .
  • the planning device 15 specifies a beam shape 18 of the energy beam 7 for each irradiation area 23 and defines a division of the irradiation areas 23 depending on a vector length of the irradiation vectors 21 in the irradiation areas 23 .
  • a first irradiation area 23.1 and a second irradiation area 23.2 are shown here, with an area limit 25 between the irradiation areas 23 being selected on the basis of a predetermined limit vector length.
  • the first irradiation area 23.1 comprises longer irradiation vectors 21, while the second irradiation area 23.2 comprises shorter irradiation vectors 21.
  • An elongated beam shape 18 deviating from the circular shape is assigned to the first irradiation area 23.1, and a circular beam shape 18 is assigned to the second irradiation area 23.2.
  • the energy beam 7 is preferably displaced several times along the contour lines 22 .
  • a number of displacements of the energy beam 7 along the contour lines 22 is preferably selected as a function of at least one contour travel parameter.
  • the number of shifts is preferably selected as a function of the beam shape 18 of the radiation vectors 21 adjoining the respective contour line 22 .
  • the number of displacements is selected as a function of the contour angle that the adjacent irradiation vectors 21 enclose with the respective contour line 22 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Planungseinrichtung (15) zur Planung einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs (11) mit einem Energiestrahl (7), um mittels des Energiestrahls (7) ein Bauteil (3) aus einem in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterial herzustellen, wobei die Planungseinrichtung (15) eingerichtet ist, um eine Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren (21) zur Bestrahlung einer in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterialschicht mit dem Energiestrahl (7) zu erhalten, wobei die Planungseinrichtung (15) eingerichtet ist, um für mindestens einen Bestrahlungsvektor (21) der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren (21) eine Vektor-Ausrichtung in einem Koordinatensystem auf dem Arbeitsbereich (11) zu bestimmen, und wobei die Planungseinrichtung (15) eingerichtet ist, um für den mindestens einen Bestrahlungsvektor (21) eine Strahl-Ausrichtung für eine von einer Kreisform abweichende Strahlform (18) des Energiestrahls (7) auf dem Arbeitsbereich (11) relativ zu der Vektor-Ausrichtung des mindestens einen Bestrahlungsvektors (21) vorzugeben.

Description

LOKAL SELEKTIVE BESTRAHLUNG EINES ARBEITSBEREICHS MIT EINER VON EINER KREISFORM ABWEICHENDE STRAHLFORM
Die Erfindung betrifft eine Planungseinrichtung und ein Verfahren zur Planung einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs mit einem Energiestrahl, ein
Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Verfahrens, eine
Fertigungseinrichtung mit einer solchen Planungseinrichtung, und ein Verfahren zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial.
Beim additiven Herstellen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial wird typischerweise ein Energiestrahl selektiv an vorbestimmte Bestrahlungspositionen eines Arbeitsbereichs verlagert, um in dem Arbeitsbereich angeordnetes Pulvermaterial lokal zu verfestigen. Dies wird insbesondere schichtweise in aufeinanderfolgend in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterialschichten wiederholt, um schließlich ein dreidimensionales Bauteil aus verfestigtem Pulvermaterial zu erhalten.
Die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs wird im Voraus und/oder ad hoc während der Fertigung, aber typischerweise vor der tatsächlichen Bestrahlung einer Pulvermaterialschicht geplant. Hierfür ist eine Planungseinrichtung vorgesehen, welche diese Planung durchführt. Es hat sich herausgestellt, dass es unter bestimmten Bedingungen zumindest für bestimmte Bereiche des herzustellenden Bauteils vorteilhaft sein kann, eine von einer Kreisform abweichende Strahlform für den Energiestrahl auf dem Arbeitsbereich zu verwenden, beispielsweise um eine Aufbaurate zu steigern. Dies bedingt aber, dass die entsprechende, nicht mehr gegenüber Drehung mit beliebigem Winkel rotationssymmetrische Strahlform relativ zu einer Verlagerungsrichtung des Energiestrahls ausgerichtet werden muss. Herkömmliche Planungseinrichtungen und Verfahren zur Planung der lokal selektiven Bestrahlung des Arbeitsbereichs sind hierfür nicht eingerichtet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Planungseinrichtung und ein Verfahren zur Planung einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs mit einem Energiestrahl, ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Verfahrens, eine Fertigungseinrichtung mit einer solchen Planungseinrichtung, und ein Verfahren zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest vermindert, vorzugsweise vermieden sind.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Planungseinrichtung zur Planung einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs mit einem Energiestrahl, um mittels des Energiestrahls ein Bauteil aus einem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial herzustellen, geschaffen wird, wobei die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um eine Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren zur Bestrahlung einer in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterialschicht mit dem Energiestrahl zu erhalten, wobei die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um für mindestens einen Bestrahlungsvektor der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren eine Vektor-Ausrichtung in einem Koordinatensystem auf dem Arbeitsbereich zu bestimmen, und wobei die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um für den mindestens einen Bestrahlungsvektor eine Strahl-Ausrichtung für eine von einer Kreisform abweichende Strahlform des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich relativ zu der Vektor- Ausrichtung des mindestens einen Bestrahlungsvektors vorzugeben. Auf diese Weise wird es möglich, zumindest bereichsweise eine von einer Kreisform abweichende Strahlform für den Energiestrahl einzusetzen, sodass die damit verbundenen Vorteile, insbesondere eine gesteigerte Aufbaurate, erzielt werden können. Zudem können ein stabilerer Prozess und/oder eine verbesserte Bauteilqualität, insbesondere eine bessere Oberflächenqualität, ein geringerer Verzug, sowie eine Vermeidung oder Reduzierung von Rissen, erreicht werden.
Dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um die Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren zu erhalten, schließt insbesondere ein, dass die Planungseinrichtung eine Schnittstelle oder eine anderweitig geeignete Ausgestaltung aufweist, um die Bestrahlungsvektoren - vorzugsweise elektronisch, insbesondere in Form einer Datei oder anderer maschinenlesbarer Daten, insbesondere kabellos oder kabelgebunden - übermittelt zu bekommen oder zu empfangen. Es schließt aber auch ein, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um die Bestrahlungsvektoren zu erstellen oder zu generieren, insbesondere zu berechnen. Insbesondere ist es möglich, dass auf der Planungseinrichtung selbst ein Computerprogramm laufen kann, mittels welchem die Bestrahlungsvektoren berechnet oder anderweitig erzeugt werden können. Auch ist es möglich, dass die Bestrahlungsvektoren von einem Benutzer in die Planungseinrichtung eingegeben werden, sei es manuell, durch Spracheingabe, durch Gesten, oder in anderer geeigneter Weise. Dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um die Bestrahlungsvektoren zu erhalten bedeutet demnach insbesondere, dass die Bestrahlungsvektoren in irgendeiner Weise der Planungseinrichtung zur Verfügung gestellt oder zugänglich gemacht werden können, wobei dies einschließt, dass die Bestrahlungsvektoren in der Planungseinrichtung selbst generiert werden können.
Insbesondere ist die Planungseinrichtung eingerichtet, um für den mindestens einen Bestrahlungsvektor die Vektor- Ausrichtung zu ermitteln.
Unter einer Strahlform des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich wird insbesondere eine Intensitätsverteilung des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich, insbesondere auf der Pulvermateri al schi cht, verstanden .
Eine von der Kreisform abweichende Strahlform ist bevorzugt insbesondere eine Strahlform, die entlang einer ersten Richtung eine erste Breite aufweist, die größer ist als eine zweite Breite, welche die Strahlform entlang einer zweiten Richtung aufweist, wobei die zweite Richtung senkrecht auf der ersten Richtung steht. Die von der Kreisform abweichende Strahlform ist also insbesondere eine langgestreckte oder elongierte Strahlform. Die elongierte Strahlform wird vorzugsweise mit der ersten Breite entlang der Verlagerungsrichtung des Energiestrahls, also entlang der Vektor-Ausrichtung, ausgerichtet. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung hat die von der Kreisform abweichende Strahlform die Form einer Ellipse. Die elliptische Strahlform wird dabei bevorzugt mit ihrer großen Halbachse entlang der Vektor- Ausrichtung ausgerichtet.
Die Planungseinrichtung ist insbesondere eingerichtet, um für den mindestens einen Bestrahlungsvektor die Strahl-Ausrichtung relativ zu der Vektor-Ausrichtung festzulegen. Die Strahl -Ausrichtung ist insbesondere gegeben durch einen Winkel, den die Strahlform mit einer bestimmten Achse des Koordinatensystems auf dem Arbeitsbereich einschließt. Demgegenüber bezeichnet der im Folgenden noch verwendete Begriff „Strahl-Orientierung“ eine Orientierung einer entlang der Strahl-Ausrichtung nicht symmetrischen Strahlform entlang der durch die Strahl-Ausrichtung definierten Richtung, mithin also quasi den Umstand, ob die Strahlform „vorwärts“ oder „rückwärts“ - insbesondere mit Blick auf eine Verlagerungsrichtung der Strahlform - orientiert ist.
Dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um für den mindestens einen Bestrahlungsvektor die Strahl-Ausrichtung vorzugeben, insbesondere festzulegen, bedeutet insbesondere, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um für den wenigstens einen Bestrahlungsvektor eine Ansteuergröße, insbesondere einen Winkel, zur Ansteuerung einer Optikeinrichtung zu erzeugen, wobei mittels der Optikeinrichtung die Strahlform des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich ausgerichtet werden kann.
Es ist möglich, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um für jeden Bestrahlungsvektor der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren eine Vektor-Ausrichtung zu bestimmen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn allen Bestrahlungsvektoren eine von der Kreisform abweichende Strahlform zugeordnet wird, oder wenn die von der Kreisform abweichende Strahlform für alle Bestrahlungsvektoren fest vorgegeben ist. Es ist aber auch möglich, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um für eine Anzahl der Bestrahlungsvektoren die Vektor- Ausrichtung zu bestimmen, wobei die Anzahl kleiner ist als die Mehrzahl der Bestrahlungsvektoren. Insbesondere ist es möglich, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um nur für diejenigen Bestrahlungsvektoren die Vektor- Ausrichtung zu bestimmen, denen auch eine von der Kreisform abweichende Strahlform zugeordnet ist. Auf diese Weise kann vorteilhaft insbesondere Rechenleistung und gegebenenfalls auch Speicherplatz eingespart werden, da es für solche Bestrahlungsvektoren, denen eine kreisförmige Strahlform zugeordnet ist, keiner Bestimmung der Vektor-Ausrichtung bedarf.
Die Planungseinrichtung ist bevorzugt insbesondere als Build-Prozessor, insbesondere extern zu einer Fertigungseinrichtung, oder als Steuereinrichtung, insbesondere als interne Steuereinrichtung, einer Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial ausgebildet. Unter einem Build-Prozessor ist dabei insbesondere eine Einrichtung zu verstehen, die einen Datensatz oder eine Datei mit Daten erzeugt, die an eine Steuereinrichtung einer Fertigungseinrichtung übergeben werden können, sodass die Fertigungseinrichtung anhand der Daten ein Bauteil additiv aus einem Pulvermaterial fertigen kann. Insbesondere wenn die Planungseinrichtung als Build-Prozessor ausgebildet ist, generiert sie die Bestrahlungsvektoren in bevorzugter Ausgestaltung selbst. Ist die Planungseinrichtung dagegen als Steuereinrichtung einer Fertigungseinrichtung ausgebildet, empfängt sie bevorzugt die Bestrahlungsvektoren von einem Build-Prozessor, insbesondere als Datensatz und/oder in Form einer Datei. Die Planungseinrichtung kann aber auch zum Teil in dem Build-Prozessor und zum Teil in der Steuereinrichtung der Fertigungseinrichtung vorgesehen sein. Insbesondere können in Zusammenhang mit der Planungseinrichtung beschriebene Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Planen der lokal selektiven Bestrahlung oder einer oder mehrerer Ausführungsformen dieses Verfahrens in dem Build-Prozessor, in der Steuereinrichtung, oder zum Teil in dem Build-Prozessor und zum Teil in der Steuereinrichtung durchgeführt werden.
Insbesondere ist die Planungseinrichtung vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Computer, insbesondere einem Personal Computer (PC), einer mobilen Recheneinrichtung, beispielsweise einem Tablet oder Smartphone, einer Einschubkarte oder Ansteuerkarte, und einem FPGA-Board. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Planungseinrichtung eine RTC6- Ansteuerkarte der SCANLAB GmbH, insbesondere in der an dem den Zeitrang des vorliegenden Schutzrechts bestimmenden Tag aktuell erhältlichen Ausgestaltung. Die Planungseinrichtung kann aber auch als Dienstgeber, das heißt insbesondere Server, oder als Mehrzahl miteinander vernetzter Recheneinrichtungen, insbesondere als Netzwerk oder Teil eines Netzwerks, insbesondere als Cloud oder Teil einer Cloud, implementiert sein.
Unter einem additiven oder generativen Fertigen oder Herstellen eines Bauteils wird insbesondere ein schichtweises Aufbauen eines Bauteils aus Pulvermaterial - Pulvermaterialschicht für Pulvermaterialschicht - verstanden, insbesondere ein Pulverbettbasiertes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in einem Pulverbett, insbesondere ein Fertigungsverfahren, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem selektiven Lasersintem, einem selektiven Kunststoff-Lasersintem, einem Laser-Metall-Fusionieren (Laser Metal Fusion - LMF), einem direkten Metall-Laser-Schmelzen (Direct Metal Laser Melting - DMLM), einem direkten Metall-Lasersintem (DMLS), einem Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), einem Laser Engineered Net Shaping (LENS), und einem - insbesondere selektiven - Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting - EBM). Unter einem Energiestrahl wird allgemein gerichtete Strahlung verstanden, die Energie transportieren kann. Hierbei kann es sich allgemein um Teilchenstrahlung oder Wellenstrahlung handeln. Insbesondere propagiert der Energiestrahl entlang einer Propagationsrichtung durch den physikalischen Raum und transportiert dabei Energie entlang seiner Propagationsrichtung. Insbesondere ist es mittels des Energiestrahls möglich, Energie lokal in dem Arbeitsbereich zu deponieren.
Der Energiestrahl ist in bevorzugter Ausgestaltung ein Elektronenstrahl oder optischer Arbeitsstrahl. Unter einem optischen Arbeitsstrahl ist insbesondere gerichtete elektromagnetische Strahlung, kontinuierlich oder gepulst, zu verstehen, die im Hinblick auf ihre Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich geeignet ist zum additiven oder generativen Fertigen eines Bauteils aus Pulvermaterial, insbesondere zum Sintern oder Schmelzen des Pulvermaterials. Insbesondere wird unter einem optischen Arbeitsstrahl ein Laserstrahl verstanden, der kontinuierlich, gepulst oder moduliert erzeugt sein kann. Der optische Arbeitsstrahl weist bevorzugt eine Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum oder im infraroten elektromagnetischen Spektrum, oder im Überlappungsbereich zwischen dem infraroten Bereich und dem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums auf.
Unter einem Arbeitsbereich wird insbesondere ein Bereich, insbesondere eine Ebene oder Fläche, verstanden, in der die Pulvermaterialschicht angeordnet ist, und der lokal mit dem Energiestrahl bestrahlt wird, um das Pulvermaterial lokal zu verfestigen. Insbesondere wird das Pulvermaterial in dem Arbeitsbereich sequentiell schichtweise angeordnet und mit dem Energiestrahl lokal bestrahlt, um - Schicht für Schicht - ein Bauteil herzustellen.
Dass der Arbeitsbereich lokal mit einem Energiestrahl beaufschlagt wird, bedeutet insbesondere, dass nicht der gesamte Arbeitsbereich global - weder instantan noch sequenziell - mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, sondern dass der Arbeitsbereich vielmehr stellenweise, insbesondere an einzelnen, zusammenhängenden oder voneinander getrennten Stellen, mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, wobei der Energiestrahl insbesondere mittels der Scannereinrichtung innerhalb des Arbeitsbereichs verlagert wird. Dass der Arbeitsbereich selektiv mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, bedeutet insbesondere, dass der Arbeitsbereich an ausgewählten, vorbestimmten Stellen oder Orten oder in ausgewählten, vorbestimmten Bereichen mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird. Der Arbeitsbereich ist insbesondere eine Pulvermaterialschicht oder ein vorzugsweise zusammenhängendes Gebiet einer Pulvermaterialschicht, welche/welches mithilfe der Scannereinrichtung durch den Energiestrahl erreichbar ist, das heißt er umfasst insbesondere solche Stellen, Orte oder Bereiche der Pulvermaterialschicht, die mit dem Energiestrahl beaufschlagt werden können.
Unter einem Bestrahlungsvektor wird insbesondere ein bestimmter Streckenabschnitt in dem Arbeitsbereich verstanden, entlang dem eine kontinuierliche, insbesondere lineare Verlagerung des Energie Strahls durchgeführt wird, wobei der Streckenabschnitt eine bestimmte Länge, bestimmte Verlagerungsrichtung, gegebenenfalls zumindest bereichsweise eine bestimmte Krümmung oder einen bestimmten, von einer Geraden abweichenden Pfad, und eine bestimmte Orientierung der Verlagerung aufweist. Der Bestrahlungsvektor schließt also bevorzugt die Richtung oder Ausrichtung als seine Vektor- Ausrichtung, die Länge als seine Vektorlänge und die Orientierung - das heißt entlang der Ausrichtung „vorwärts“ oder „rückwärts“ - der Verlagerung als seine Vektor-Orientierung ein.
Dass die Verlagerung kontinuierlich erfolgt, bedeutet insbesondere, dass sie ohne Absetzen oder Unterbrechen des Energiestrahls, insbesondere ohne Sprung erfolgt. Dass die Bestrahlung linear erfolgt, bedeutet insbesondere, dass sie entlang einer Geraden erfolgt.
Ein solcher Bestrahlungsvektor wird vorzugsweise dargestellt mindestens - vorzugsweise genau - durch die Angabe eines Startpunktes und eines Endpunkts in dem über dem Arbeitsbereich aufgespannten Koordinatensystem. Die Planungseinrichtung ist insbesondere eingerichtet, um aus dem Startpunkt und dem Endpunkt eines Bestrahlungsvektors dessen Vektor-Ausrichtung, sowie vorzugsweise auch mindestens eine weitere Größe, ausgewählt aus dessen Vektorlänge und dessen Vektor-Orientierung, zu bestimmen, insbesondere zu berechnen. Insbesondere wenn ein Bestrahlungsvektor zumindest bereichsweise eine Krümmung aufweist oder einen gekrümmten Pfad durch stückweises Aneinanderreihen linearer Abschnitte annähert, ist es möglich, dass der Bestrahlungsvektor durch mindestens einen weiteren Pfadparameter beschrieben wird, beispielsweise eine Mehrzahl von Zwischenpunkten zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt. Es ist insbesondere auch möglich, dass ein Bestrahlungsvektor durch eine Mehrzahl zusammenhängender Teilvektoren definiert ist.
Die Vektor-Ausrichtung ist insbesondere ein Winkel, den der Bestrahlungsvektor - zumindest lokal - mit einer bestimmten Achse des Koordinatensystems einschließt. Die Vektor- Orientierung umfasst - wie bereits ausgeführt - die - zumindest lokale - Richtung der Verlagerung des Energiestrahls entlang des Bestrahlungsvektors, oder anders formuliert die Frage, welcher der den Bestrahlungsvektor definierenden Punkte der Startpunkt und welcher der Endpunkt für die Verlagerung ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um für jeden Bestrahlungsvektor der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren eine Strahlform des Energiestrahls vorzugeben, insbesondere jedem Bestrahlungsvektor der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren eine Strahlform zuzuweisen. Dabei ist es grundsätzlich möglich, dass jedem Bestrahlungsvektor dieselbe Strahlform zugewiesen wird. Es ist aber auch möglich, verschiedenen Bestrahlungsvektoren verschiedene Strahlformen zuzuweisen, was insbesondere zur Erhöhung der Flexibilität der Fertigung vorteilhaft sein kann. Außerdem wird es so möglich, insbesondere abhängig von bestimmten lokalen Bedingungen optimale Fertigungsparameter zu wählen. Insbesondere ist die Planungseinrichtung bevorzugt eingerichtet, um für jeden Bestrahlungsvektor der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren entweder eine kreisförmige Strahlform oder eine von der Kreisform abweichende Strahlform des Energiestrahls vorzugeben, insbesondere zuzuweisen.
Alternativ oder zusätzlich ist die Planungseinrichtung eingerichtet, um für jeden Bestrahlungsvektor der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren einen Energieeintragsparameter des Energiestrahls vorzugeben, insbesondere zuzuweisen. Der wenigstens eine Energieeintragsparameter ist bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einer Strahlleistung und einer Verlagerungsgeschwindigkeit des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich, insbesondere innerhalb eines Bestrahlungsvektors von dessen Startpunkt zu dessen Endpunkt. Dies erweist sich insbesondere als vorteilhaft, wenn jedem Bestrahlungsvektor dieselbe Strahlform zugeordnet ist. Es ist dann insbesondere möglich, verschiedene lokale Bedingungen über jeweils verschiedene Wahl des Energieeintragsparameters zu berücksichtigen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um für mindestens einen Bestrahlungsvektor der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren dessen Vektor-Orientierung zu ermitteln. Die Planungseinrichtung ist bevorzugt weiter eingerichtet, um für den mindestens einen Bestrahlungsvektor eine Strahl- Orientierung für die dem mindestens einen Bestrahlungsvektor zugeordnete Strahlform - relativ zu der Vektor-Orientierung - vorzugeben. Auf diese Weise kann auch eine Strahlform verwendet werden, die in Richtung der Vektor- Ausrichtung nicht symmetrisch ist, sodass es einer Angabe der Orientierung der Strahlform relativ zu der Vektor-Orientierung bedarf, um die Lage der Strahlform, insbesondere mit Blick auf die Verlagerungsrichtung des Energiestrahls, eindeutig festzulegen. Es wird so möglich, auch Strahlformen zu verwenden, die entlang der Vektor- Ausrichtung nicht symmetrisch sind. Damit kann die Flexibilität der Fertigung weiter gesteigert werden.
Die Planungseinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um die Vektor-Orientierung für denjenigen Bestrahlungsvektor oder diejenigen Bestrahlungsvektoren zu ermitteln, für den/die auch die Vektor- Ausrichtung bestimmt wird. Dies sind insbesondere diejenigen Bestrahlungsvektoren, für die auch eine von der Kreisform abweichende Strahlform verwendet wird. Es ist in bevorzugter Ausgestaltung möglich, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um nur für diejenigen Bestrahlungsvektoren eine Vektor-Orientierung zu ermitteln, für welche auch eine Strahlform verwendet wird, die in Richtung der Vektor- Ausrichtung nicht symmetrisch ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um mindestens zwei Bestrahlungsvektoren der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren jeweils eine verschiedene Strahlform abhängig von mindestens einem Vektor-Parameter zuzuweisen, wobei der mindestens eine Vektor-Parameter vorzugsweise ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem Ort des Bestrahlungsvektors auf dem Arbeitsbereich, einer Zuordnung des Bestrahlungsvektors zu einer bestimmten Vektorgruppe, und einer Vektorlänge des Bestrahlungsvektors.
Alternativ oder zusätzlich ist die Planungseinrichtung eingerichtet, um mindestens zwei Bestrahlungsvektoren der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren jeweils einen verschiedenen Energieeintragsparameter abhängig von dem mindestens einen Vektor-Parameter zuzuweisen.
Wird als der Vektor-Parameter der Ort des Bestrahlungsvektors auf dem Arbeitsbereich verwendet, ermöglicht dies ein Berücksichtigung lokaler Bedingungen bei der Wahl der Strahlform oder des Energieeintragsparameters. Die Berücksichtigung der Zuordnung des Bestrahlungsvektors zu einer bestimmten Vektorgruppe als Vektor-Parameter ermöglicht es, in vorteilhafter Weise lokale Fertigungsbedingungen oder Bedingungen des entstehenden Bauteils, insbesondere auch Bedingungen der dreidimensionalen Geometrie des entstehenden Bauteils, zu berücksichtigen. Eine Berücksichtigung der Vektorlänge als Vektor-Parameter ist vorteilhaft, da insbesondere eine von der Kreisform abweichende Strahlform bei vergleichsweise kurzen Bestrahlungsvektoren nachteilig sein kann, insbesondere wenn eine elongierte Länge der Strahlform ungefähr gleich groß wie die Vektorlänge des Bestrahlungsvektors wird. Es erweist sich dann insbesondere als vorteilhaft, entsprechend vergleichsweise kurzen Bestrahlungsvektoren eine kreisförmige Strahlform zuzuordnen. Die beschriebene Vorgehensweise eignet sich in besonderer Weise für eine Ausgestaltung der Planungseinrichtung als Steuereinrichtung einer Fertigungseinrichtung oder eine Implementierung der Planungseinrichtung in einer solchen Steuereinrichtung.
Unter der Zuordnung eines Bestrahlungsvektors zu einer bestimmten Vektorgruppe wird insbesondere verstanden, ob der Bestrahlungsvektor als Konturvektor einer Bauteilkontur zugeordnet ist, ob der Bestrahlungsvektor einer filigranen Bauteil Struktur zugeordnet ist, oder ob der Bestrahlungsvektor einer Stützstruktur für das herzustellende Bauteil, einem Volumenbereich oder „in skin“ -Bereich, einem Überhangbereich oder „down skin“ -Bereich, oder einem Deckschichtbereich oder „up skin“-Bereich der Pulvermaterialschicht zugeordnet ist. In den entsprechenden Bereichen ergeben sich jeweils unterschiedliche Fertigungsbedingungen, die vorteilhaft entsprechend durch geeignete Wahl der Strahlform und/oder des Energieeintragsparameters berücksichtigt werden können. Beispielsweise ist für bestimmte kritische Strukturen, beispielsweise für bestimmte Stützstrukturen, eine reduzierte räumliche und zeitliche Energieeintragung erforderlich, um beispielsweise lokale Überhitzungen zu vermeiden. In diesem Fall kann insbesondere eine kreisförmige Strahlform gegenüber einer von der Kreisform abweichenden Strahlform vorteilhaft sein. Die Planungseinrichtung ist insoweit insbesondere bevorzugt eingerichtet, um entsprechende Bauteilbereiche, insbesondere kritische Bauteilbereiche, zu identifizieren, die Bestrahlungsvektoren den entsprechenden Vektorgruppen zuzuordnen, und für die Bestrahlungsvektoren jeweils eine geeignete Strahlform und/oder einen geeigneten Energieeintragsparameter zu wählen.
Ein Überhangbereich ist insbesondere ein Bereich innerhalb einer Pulvermaterialschicht, unterhalb von dem, das heißt in darunterliegenden Pulvermaterialschichten, sich nichtverfestigtes Pulvermaterial befindet. Ein solcher Überhang wird auch als „down skin“ bezeichnet. Eine Deckschichtbereich ist insbesondere ein Bereich innerhalb einer Pulvermaterialschicht, oberhalb von dem, das heißt in darüberliegenden Pulvermaterialschichten, sich nicht-verfestigtes Pulvermaterial befindet. Ein solcher Deckschichtbereich wird auch als „up skin“ bezeichnet. Dieser Begriff bezeichnet auch die oberste Pulvermaterialschicht, die noch verfestigtes Pulvermaterial umfasst, das heißt eine Dachfläche oder oberste Fläche des Bauteils. Ein Volumenbereich ist insbesondere ein Bereich innerhalb einer Pulvermaterialschicht, der allseitig, insbesondere innerhalb der Pulvermaterialschicht, aber auch oberhalb und unterhalb der gerade bearbeiteten Pulvermaterialschicht, in dem fertiggestellten Bauteil von verfestigtem Pulvermaterial umgeben ist. Ein solcher Bereich wird auch als „in skin“ -Bereich bezeichnet. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um auf dem Arbeitsbereich eine Mehrzahl von Bestrahlungsbereichen festzulegen, und die Bestrahlungsvektoren den Bestrahlungsbereichen zuzuordnen, wobei die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um für jeden Bestrahlungsbereich der Mehrzahl von Bestrahlungsbereichen eine Strahlform des Energiestrahls vorzugeben, und um eine Aufteilung der Bestrahlungsbereiche abhängig von einer Vektorlänge der Bestrahlungsvektoren in den Bestrahlungsbereichen festzulegen. Diese Vorgehensweise eignet sich ganz besonders dann, wenn die Planungseinrichtung als Build-Prozessor ausgebildet ist. Es können dann beispielsweise streifenförmige Bestrahlungsbereiche erzeugt oder vorgegeben werden, wobei jedem Bestrahlungsbereich eine bestimmte Strahlform zugeordnet wird. Soll dann die Strahlform abhängig von der Vektorlänge geändert werden, ist dies in besonders einfacher Weise möglich, wenn ab einer bestimmten Grenz- Vektorlänge, insbesondere zu kürzeren Bestrahlungsvektoren hin, ein neuer Bestrahlungsbereich definiert oder ein bestehender Bestrahlungsbereich in einen ersten Bereich mit längeren Bestrahlungsvektoren und einen zweiten Bereich mit kürzeren Bestrahlungsvektoren aufgeteilt wird. Die Bestrahlungsbereiche können aber beispielsweise auch kleinere rechteckförmige oder quadratische Bereiche, beispielsweise nach Art von Schachbrettfeldem, sein.
Dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um auf dem Arbeitsbereich eine Mehrzahl von Bestrahlungsbereichen festzulegen und die Bestrahlungsvektoren den Bestrahlungsbereichen zuzuordnen, bedeutet insbesondere, dass die Planungseinrichtung eingerichtet sein kann, um bestehende Bestrahlungsvektoren verschiedenen Bestrahlungsbereichen zuzuweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Planungseinrichtung eingerichtet sein, um in verschiedenen Bestrahlungsbereichen neue Bestrahlungsvektoren zu generieren.
Ein Bestrahlungsbereich wird insbesondere sequenziell mit einer Vielzahl von Bestrahlungsvektoren überstrichen. Insbesondere wird ein streifenförmiger Bestrahlungsbereich bevorzugt sequenziell mit einer Vielzahl von in Breitenrichtung des Bestrahlungsbereichs ausgerichteten, in Längsrichtung des Bestrahlungsbereichs zueinander versetzt oder nebeneinander angeordneten Bestrahlungsvektoren überstrichen. Dabei können benachbarte Bestrahlungsvektoren insbesondere parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um für mindestens einen Bestrahlungsvektor der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren mindestens einen Konturabstand des mindestens einen Bestrahlungsvektors zu einer Konturlinie einer Bauteilkontur einer auf der Pulvermaterialschicht in dem Arbeitsbereich zu erzeugenden Bauteilschicht in Abhängigkeit von mindestens einem Abstands-Parameter vorzugeben, wobei der mindestens eine Abstands-Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Der dem mindestens einen Bestrahlungsvektor zugeordneten Strahlform, und einem Kontur-Winkel, den der mindestens eine Bestrahlungsvektor mit der Konturlinie einschließt. Bevorzugt ist die Planungseinrichtung eingerichtet, den mindestens einen Konturabstand in Abhängigkeit von beiden Abstands-Parametern der zuvor genannten Gruppe vorzugeben. Vorzugsweise ist die Planungseinrichtung derart eingerichtet, dass ein Bediener den mindestens einen Konturabstand parametrieren oder Bedingungen für die Vorgabe des mindestens einen Konturab stands vorgeben kann, beispielsweise in Form einer Tabelle oder eines Kennfelds.
Unter einer Bauteilkontur wird hier eine Grenzlinie oder Umrandungslinie einer Bauteilschicht oder eines Bereichs der Bauteilschicht verstanden.
Unter einer Bauteilschicht wird hier eine in dem Arbeitsbereich in der dort angeordneten Pulvermaterialschicht noch zu erzeugende oder bereits erzeugte Schicht des entstehenden Bauteils verstanden, das heißt insbesondere - nach Beendigung der Bestrahlung der Pulvermaterialschicht - diejenigen Bereiche derselben, in denen das Pulvermaterial durch den Energiestrahl verfestigt, insbesondere gesintert oder verschmolzen ist. Im Rahmen des additiven Fertigungsverfahrens wird das Bauteil Bauteilschicht für Bauteilschicht aus den übereinander angeordneten Pulvermaterialschichten sukzessive aufgebaut.
Der mindestens eine Konturabstand ist bevorzugt ein Abstand, den ein Mittelpunkt oder Schwerpunkt der Strahlform zu der Konturlinie mindestens aufweist. Insbesondere kann der Konturabstand von einem Intensitätsmaximum der Strahlform aus gegeben sein. Alternativ kann der Konturabstand von einer vorbestimmten Umrandungs- oder Niveaulinie, die beispielsweise bei einem vorgegebenen Prozentsatz der maximalen Intensität verläuft, gegeben sein. Grundsätzlich ist eine Vielzahl von Definitionen für den Konturabstand möglich, die jedoch im Ergebnis physikalisch den gleichen Bedeutungsgehalt haben. Somit legt der Konturabstand insbesondere fest, wo der mindestens eine Bestrahlungsvektor in Bezug auf die Konturlinie starten oder enden muss. Der Konturabstand hängt somit insbesondere von der Ausdehnung der Strahlform ab. Insbesondere wird der Konturab stand vorteilhaft abhängig von der konkreten Strahlform gewählt, wobei er insbesondere abhängig von einer Abweichung der Strahlform von der Kreisform gewählt wird. Weicht die Strahlform von der Kreisform ab, hängt eine geeignete Wahl des Konturab stands insbesondere von dem Kontur-Winkel ab, den der mindestens eine Bestrahlungsvektor und damit zugleich auch die Strahlform selbst mit der Konturlinie einschließt. Es ist möglich, dass für einen Bestrahlungsvektor zwei Konturab stände bestimmt werden, insbesondere ein erster Konturabstand entlang der Vektor-Ausrichtung und ein zweiter Konturabstand senkrecht zur Vektor-Ausrichtung. Da die Strahlform bevorzugt entlang der Vektor-Ausrichtung lang gestreckt ist, wird bevorzugt der erste Konturabstand größer gewählt als der zweite Konturab stand. Ist allerdings die Strahlform entlang der Vektor-Ausrichtung nicht symmetrisch, werden bevorzugt abhängig von der Strahlform verschiedene Konturab stände - gegebenenfalls insbesondere auch mehr als zwei Konturab stände - gewählt, wobei Werte der verschiedenen Konturab stände dann insbesondere auch von der Strahl-Orientierung abhängen können.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um die Bestimmung der Vektor-Ausrichtung und die Vorgabe der Strahl- Ausrichtung für jede Bauteilschicht einer Mehrzahl der nacheinander in dem Arbeitsbereich zu erzeugenden Bauteilschichten durchzuführen. Dabei kann es sich insbesondere als vorteilhaft erweisen, wenn die Vektor-Ausrichtung und damit insbesondere zugleich auch die Strahl- Ausrichtung von Bauteilschicht zu Bauteilschicht variiert. In einer besonders einfachen Ausgestaltung ist es möglich, dass die Bestrahlungsvektoren oder Bestrahlungsbereiche mit den Bestrahlungsvektoren von Bauteilschicht zu Bauteilschicht um einen vorbestimmten Winkel gedreht werden. Die Planungseinrichtung ist dann insbesondere eingerichtet, um auch die Strahl- Ausrichtung entsprechend zu drehen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um eine Anzahl von Verlagerungen des Energiestrahls entlang einer Konturlinie einer Bauteilkontur einer auf der Pulvermaterialschicht in dem Arbeitsbereich zu erzeugenden Bauteilschicht in Abhängigkeit von wenigstens einem Konturfahrt-Parameter vorzugeben, wobei der wenigstens eine Konturfahrt-Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Der mindestens einem an die Konturlinie angrenzenden Bestrahlungsvektor zugeordneten Strahlform, und einem Kontur-Winkel, den der mindestens eine an die Konturlinie angrenzende Bestrahlungsvektor mit der Konturlinie einschließt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Planungseinrichtung eingerichtet, die Anzahl der Verlagerungen des Energiestrahls entlang der Konturlinie in Abhängigkeit von beiden Konturfahrt-Parametem der zuvor genannten Gruppe vorzugeben. Eine auch als Konturfahrt bezeichnete Verlagerung des Energiestrahls entlang einer Konturlinie wird insbesondere durchgeführt, um die aufgrund der im Bereich der Konturlinie endenden, diskreten Bestrahlungsvektoren im Vergleich zu inneren Bauteilbereichen weniger genau definierte Kontur zu glätten und dort entstandene Unebenheiten und/oder Porositäten zu beheben. Abhängig von dem Kontur-Winkel und der Strahlform, und insbesondere auch abhängig von dem Konturab stand, der seinerseits von diesen Parametern abhängt, ist die Konturlinie besser oder weniger gut definiert. Abhängig davon bedarf es dann wiederum einer größeren Zahl oder einer geringeren Zahl von Konturfahrten, um eine qualitativ hochwertige Bauteilkontur zu erhalten. Insbesondere wird die Anzahl von Konturfahrten größer gewählt, wenn der Konturabstand größer ist, und die Anzahl von Konturfahrten wird geringer gewählt, wenn der Konturab stand geringer ist.
Insbesondere werden bevorzugt bei einem Konturab stand, der kleiner ist als ein vorbestimmter Gr enz-Konturab stand, keine zusätzlichen Konturfahrten zusätzlich zu einer ohnehin vorgesehenen Anzahl von Konturfahrten durchgeführt, während bei einem Konturab stand, der größer oder gleich dem vorbestimmten Grenz-Konturab stand ist, zusätzliche Konturfahrten durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich werden vorzugsweise im Bereich einer kreisförmigen Strahlform keine zusätzlichen Konturfahrten durchgeführt, während in solchen Bereichen, wo die Strahlform von der Kreisform abweicht, zusätzliche Konturfahrten durchgeführt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um jedem Energiestrahl einer Mehrzahl von Energiestrahlen eine bestimmte Strahlform - insbesondere fest - zuzuweisen, und um den Bestrahlungsvektoren jeweils einen Energiestrahl der Mehrzahl von Energiestrahlen mit übereinstimmender Strahlform zuzuordnen. Auf diese Weise können sehr einfach verschiedene Strahlformen verwirklicht werden, insbesondere in einer sogenannten Multi-Laser-Maschine. Dabei bedarf es keiner Ansteuerung einer verstell- oder anderweitig ansteuerbaren Optikeinrichtung, um die Strahlform zu verändern, sondern lediglich der Verwendung eines anderen Energiestrahls. Gegebenenfalls kann sogar ganz auf verstellbare und/oder ansteuerbare Optikeinrichtungen verzichtet werden.
Steht dagegen nur ein Energiestrahl zur Verfügung, wird die Strahlform bevorzugt umgeschaltet, indem eine geeignete Optikeinrichtung oder ein entsprechendes optisches Element geeignet angesteuert oder - in besonders einfacher Ausführung - in einen Strahlengang des Energiestrahls bedarfsweise ein- oder ausgefahren wird. Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Planen einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs mit einem Energiestrahl, um mittels des Energiestrahls ein Bauteil aus einem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial herzustellen, geschaffen wird, wobei für mindestens einen Bestrahlungsvektor einer Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren zur Bestrahlung einer in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterialschicht mit dem Energiestrahl eine Vektor-Ausrichtung in einem Koordinatensystem auf dem Arbeitsbereich bestimmt wird, und wobei für den mindestens einen Bestrahlungsvektor eine Strahl-Ausrichtung für eine von einer Kreisform abweichende Strahlform des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich relativ zu der Vektor-Ausrichtung des mindestens einen Bestrahlungsvektors vorgegeben wird. In Zusammenhang mit dem Verfahren verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Planungseinrichtung erläutert wurden.
Das Verfahren umfasst bevorzugt wenigstens einen Verfahrensschritt, vorzugsweise eine Mehrzahl von Verfahrensschritten, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Planungseinrichtung, insbesondere in Form bevorzugter Ausgestaltungen oder Einrichtungen der Planungseinrichtung, beschrieben wurden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist es möglich, dass die Planung oder zumindest Teilschritte der Planung der lokal selektiven Bestrahlung zu Beginn der Fertigung, insbesondere vor einer Bestrahlung einer ersten Pulvermaterialschicht mit dem Energiestrahl, durchgeführt wird. Alternativ ist es bevorzugt möglich, dass die Planung oder zumindest Teilschritte der Planung jeweils schichtweise während der Bestrahlung einer Pulvermaterialschicht mit dem Energiestrahl für die nachfolgende Pulvermaterialschicht durchgeführt wird. Alternativ ist es bevorzugt möglich, dass die Planung oder zumindest Teilschritte der Planung während eines Pulverauftrags zum Erzeugen einer neuen Pulvermaterialschicht über einer gerade bestrahlten Pulvermaterialschicht durchgeführt wird. Schließlich ist es bevorzugt auch möglich, dass die Planung oder zumindest Teilschritte der Planung, insbesondere die Vorgabe der Strahl- Ausrichtung oder die Bestimmung der Vektor-Ausrichtung und die Vorgabe der Strahl- Ausrichtung, in Echtzeit während der Bestrahlung einer Pulvermaterialschicht für die gerade bestrahlte Pulvermaterialschicht durchgeführt wird.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial geschaffen wird. Die Fertigungseinrichtung weist eine Strahlerzeugungseinrichtung auf, die eingerichtet ist zum Erzeugen eines Energiestrahls. Außerdem weist die Fertigungseinrichtung eine Scannereinrichtung auf, die eingerichtet ist, um einen Arbeitsbereich lokal selektiv mit dem Energiestrahl zu bestrahlen, um mittels des Energiestrahls ein Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial herzustellen. Weiterhin weist die Fertigungseinrichtung eine Optikeinrichtung auf, die eingerichtet ist, um den Energiestrahl zu formen und auszurichten. Schließlich weist die Fertigungseinrichtung eine Steuereinrichtung auf, die mit der Scannereinrichtung wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannereinrichtung anzusteuem. Die Steuereinrichtung ist außerdem mit der Optikeinrichtung wirkverbunden ist, um die ansteuerbar ausgebildete Optikeinrichtung anzusteuern. Die Steuereinrichtung weist eine erfindungsgemäße Planungseinrichtung oder eine Planungseinrichtung nach einem oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele auf oder ist als erfindungsgemäße Planungseinrichtung oder als Planungseinrichtung nach einem oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgebildet. In Zusammenhang mit der Fertigungseinrichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die zuvor bereits in Zusammenhang mit der Planungseinrichtung und dem Verfahren zum Planen erläutert wurden.
Bevorzugt ist die Strahlerzeugungseinrichtung als Laser ausgebildet. Der Energiestrahl wird somit vorteilhaft als intensiver Strahl kohärenter elektromagnetischer Strahlung, insbesondere kohärenten Lichts, erzeugt. Bestrahlung bedeutet insoweit bevorzugt Belichtung. Alternativ ist die Strahlerzeugungseinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung als Elektronenstrahlkanone ausgebildet. Der Energiestrahl wird somit vorteilhaft als Elektronenstrahl erzeugt.
Die Scannereinrichtung weist bevorzugt mindestens einen Scanner, insbesondere einen Galvanometer- Scanner, Piezoscanner, Polygonscanner, MEMS-Scanner, Kondensatorplatten, und/oder einen relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf auf. Die hier vorgeschlagenen Scannereinrichtungen sind in besonderer Weise geeignet, den Energiestrahl innerhalb des Arbeitsbereichs zwischen einer Mehrzahl von Bestrahlungspositionen zu verlagern.
Unter einem relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf wird hier insbesondere ein integriertes Bauteil der Fertigungseinrichtung verstanden, welches mindestens einen Strahlungsauslass für mindestens einen Energiestrahl aufweist, wobei das integrierte Bauteil, das heißt der Arbeitskopf, als Ganzes entlang zumindest einer Verlagerungsrichtung, vorzugsweise entlang zweier senkrecht aufeinander stehenden Verlagerungsrichtungen, relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbar ist. Ein solcher Arbeitskopf kann insbesondere in Portalbauweise ausgebildet oder von einem Roboter geführt sein. Insbesondere kann der Arbeitskopf als Roboterhand eines Roboters ausgebildet sein.
Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Computer, insbesondere Personal Computer (PC), einer Einschubkarte oder Ansteuerkarte, und einem FPGA-Board. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung eine RTC6- Ansteuerkarte der SCANLAB GmbH, insbesondere in der an dem den Zeitrang des vorliegenden Schutzrechts bestimmenden Tag aktuell erhältlichen Ausgestaltung.
Die Fertigungseinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet zum selektiven Lasersintem. Alternativ oder zusätzlich ist die Fertigungseinrichtung eingerichtet zum selektiven Laserschmelzen. Alternativ ist die Fertigungseinrichtung bevorzugt eingerichtet zum selektiven Elektronenstrahlschmelzen. Diese Ausgestaltungen der Fertigungseinrichtung haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen.
Die Optikeinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, um eine erste Breite des Energiestrahls entlang einer vorgebbaren Richtung, insbesondere entlang der Vektor- Ausrichtung, relativ zu einer zweiten Breite des Energiestrahls senkrecht zu der vorgebbaren Richtung zu vergrößern. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Optikeinrichtung als astigmatische Optik ausgebildet oder weist eine astigmatische Optik, beispielsweise mindestens eine Zylinderlinse, vorzugsweise zwei Zylinderlinsen, auf. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist die Optikeinrichtung als nicht-astigmatische Optik ausgebildet oder weist eine nicht-astigmatische Optik auf. In besonders bevorzugter Weise weist eine solche nicht-astigmatische Optik mindestens ein anamorphotisches Prisma, vorzugsweise zwei anamorphotische Prismen auf. Vorzugsweise weist die Optikeinrichtung außerdem eine - insbesondere ansteuerbare - Stelleinrichtung auf, die eingerichtet ist, um die Strahlform des Energiestrahls auszurichten, wobei die Stelleinrichtung insbesondere eingerichtet ist, um wenigstens ein optisches Element der Optikeinrichtung zu drehen. Die Stelleinrichtung ist in bevorzugter Ausgestaltung als Rotationstisch, insbesondere als ansteuerbarer Rotationstisch, oder dergleichen ausgebildet.
Die Optikeinrichtung kann aber gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung auch mindestens ein ansteuerbares Deflektorelement aufweisen, welches eingerichtet ist, um durch dynamisches Scannen eines lokalen Strahlformbereichs eine quasi -stationäre Intensitätsverteilung in dem lokalen Strahlformbereich zu erzeugen und auf diese Weise den Energiestrahl lokal zu formen und die so erzeugte quasi-stationäre Strahlform auszurichten. In bevorzugter Ausgestaltung kann die Optikeinrichtung als akustoopti scher Deflektor oder als diffraktives optisches Element ausgebildet sein.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Computerprogrammprodukt geschaffen wird, welches maschinenlesbare Anweisungen aufweist, aufgrund derer ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Planen oder ein Verfahren nach einer oder mehrerer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf einer Recheneinrichtung, insbesondere einer Planungseinrichtung oder einer Steuereinrichtung, durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Recheneinrichtung läuft. In Zusammenhang mit dem Computerprogrammprodukt ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Planungseinrichtung, dem Verfahren zum Planen und der Fertigungseinrichtung erläutert wurden.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Verfahren zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial mittels einer erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung oder einer Fertigungseinrichtung nach einem oder mehrerer der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele geschaffen wird, wobei ein Arbeitsbereich lokal selektiv mit dem Energiestrahl bestrahlt wird, um mittels des Energiestrahls das Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial herzustellen, wobei eine in dem Arbeitsbereich angeordnete Pulvermaterialschicht mit dem Energiestrahl in Form einer Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren beaufschlagt wird, wobei eine von einer Kreisform abweichende Strahlform des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich für mindestens einen Bestrahlungsvektor der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren relativ zu einer Vektor- Ausrichtung des mindestens einen Bestrahlungsvektors in einem Koordinatensystem auf dem Arbeitsbereich ausgerichtet wird. In Zusammenhang mit dem Verfahren zum additiven Fertigen verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die zuvor in Zusammenhang mit der Planungseinrichtung, dem Verfahren zum Planen, der Fertigungseinrichtung und dem Computerprogrammprodukt erläutert wurden.
Weisen alle Bestrahlungsvektoren für eine zu bestrahlende Pulvermaterialschicht eine selbe Vektor-Ausrichtung auf, und wird lediglich die Vektor- Ausrichtung von Pulvermaterialschicht zu Pulvermaterialschicht um einen bestimmten Winkel gedreht, so bedarf es auch nur entsprechend einer einmaligen Einstellung der Strahl-Ausrichtung vor dem Bestrahlen einer jeden Pulvermaterialschicht. Dies kann beispielsweise durch geeignete Drehung der Optikeinrichtung oder eines optischen Elements der Optikeinrichtung durchgeführt werden. Sind dagegen einer Pulvermaterialschicht verschiedene Bestrahlungsvektoren mit verschiedenen Vektor-Ausrichtungen zugeordnet, bedarf es auch einer Veränderung der Strahl-Ausrichtung, insbesondere einer geeigneten Drehung der Optikeinrichtung oder des entsprechenden optischen Elements, innerhalb der bzw. während der Bestrahlung der betroffenen Pulvermaterialschicht.
Als Strahlerzeugungseinrichtung wird vorzugsweise ein Laser verwendet. Alternativ wird bevorzugt eine Elektronenstrahlkanone verwendet.
Vorzugsweise wird das Bauteil mittels selektiven Lasersinterns und/oder selektiven Laserschmelzens gefertigt. Alternativ wird das Bauteil mittels - insbesondere selektivem - Elektronenstrahlschmelzen gefertigt.
Als Pulvermaterial kann in bevorzugter Weise insbesondere ein metallisches oder keramisches Pulver verwendet werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für mindestens zwei Bestrahlungsvektoren der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren jeweils eine verschiedene Strahlform abhängig von mindestens einem Vektor-Parameter verwendet wird, wobei der mindestens eine Vektor-Parameter vorzugsweise ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem Ort des Bestrahlungsvektors auf dem Arbeitsbereich, einer Zuordnung des Bestrahlungsvektors zu einer bestimmten Vektorgruppe, und einer Vektorlänge des Bestrahlungsvektors.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass für mindestens zwei Bestrahlungsvektoren der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren jeweils ein verschiedener Energieeintragsparameter abhängig von mindestens einem Vektor-Parameter verwendet wird, wobei der mindestens eine Vektor-Parameter vorzugsweise ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem Ort des Bestrahlungsvektors auf dem Arbeitsbereich, einer Zuordnung des Bestrahlungsvektors zu einer bestimmten Vektorgruppe, und einer Vektorlänge des Bestrahlungsvektors.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Energiestrahl mehrfach entlang einer Konturlinie einer Bauteilkontur einer auf der Pulvermaterialschicht in dem Arbeitsbereich zu erzeugenden Bauteilschicht verlagert wird, wobei eine Anzahl der Verlagerungen des Energiestrahls entlang der Konturlinie in Abhängigkeit von wenigstens einem Konturfahrt-Parameter gewählt wird, wobei der wenigstens eine Konturfahrt-Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Der mindestens einem an die Konturlinie angrenzenden Bestrahlungsvektor zugeordneten Strahlform, und einem Kontur-Winkel, den der mindestens eine an die Konturlinie angrenzende Bestrahlungsvektor mit der Konturlinie einschließt. Bevorzugt wird die Anzahl der Verlagerungen des Energiestrahls entlang der Konturlinie in Abhängigkeit von beiden Konturfahrt-Parametern der zuvor definierten Gruppe gewählt.
Das Verfahren umfasst bevorzugt wenigstens einen Verfahrensschritt, vorzugsweise eine Mehrzahl von Verfahrensschritten, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Planungseinrichtung, insbesondere in Form bevorzugter Ausgestaltungen oder Einrichtungen der Planungseinrichtung, in Zusammenhang mit dem Verfahren zum Planen, oder in Zusammenhang mit der Fertigungseinrichtung beschrieben wurden.
Zu Erfindung gehört auch ein Computerprogrammprodukt, welches maschinenlesbare Anweisungen aufweist, aufgrund derer ein erfindungsgemäßes Verfahren zum additiven Fertigen eines Bauteils oder ein Verfahren nach einer oder mehrerer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf einer Recheneinrichtung, insbesondere einer Steuereinrichtung einer Fertigungseinrichtung, durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Recheneinrichtung läuft. In Zusammenhang mit dem Computerprogrammprodukt ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Planungseinrichtung, dem Verfahren zum Planen, der Fertigungseinrichtung und dem Verfahren zum additiven Fertigen erläutert wurden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial mit einem Ausführungsbeispiel einer Planungseinrichtung;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zum Planen einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs, und
Figur 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines solchen Verfahrens. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Fertigungseinrichtung 1 zum additiven Fertigen eines Bauteils 3 aus einem Pulvermaterial. Die Fertigungseinrichtung 1 weist eine Strahlerzeugungseinrichtung 5 auf, die eingerichtet ist, um einen Energiestrahl 7 zu erzeugen. Bevorzugt ist die Strahlerzeugungseinrichtung 5 als Laser ausgebildet oder weist einen Laser auf, und der Energiestrahl 7 ist bevorzugt entsprechend ein Laserstrahl. Der Energiestrahl 7 kann aber insbesondere auch ein Elektronenstrahl sein. In diesem Fall ist dann die Strahlerzeugungseinrichtung 5 als Elektronenstrahlkanone ausgebildet.
Die Fertigungseinrichtung 1 weist außerdem eine Scannereinrichtung 9 auf, die eingerichtet ist, um einen Arbeitsbereich 11 lokal selektiv mit dem Energiestrahl 7 zu bestrahlen, um mittels des Energiestrahls 7 das Bauteil 3 aus dem in dem Arbeitsbereich 11 angeordneten Pulvermaterial herzustellen. Die Scannereinrichtung 9 weist für den Energiestrahl 7 bevorzugt einen ansteuerbaren Scanner 12, beispielsweise einen Galvoscanner, auf.
Weiter weist die Fertigungseinrichtung 1 eine Steuereinrichtung 13 auf, die mit der Scannereinrichtung 9 wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannereinrichtung 9 anzusteuern, insbesondere um den Energiestrahl 7 innerhalb des Arbeitsbereichs 11 zu verlagern.
Die Steuereinrichtung 13 ist hier als Planungseinrichtung 15 ausgebildet. Alternativ ist es möglich, dass die Steuereinrichtung 13 eine Planungseinrichtung 15 aufweist. Es ist aber auch möglich, dass die Planungseinrichtung 15 separat von der Fertigungseinrichtung 1 vorgesehen ist, beispielsweise als Build-Prozessor, oder als Cloud- An wendung.
Die Planungseinrichtung 15 ist eingerichtet, um die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs 11 mit dem Energiestrahl 7 zu planen.
Die Fertigungseinrichtung 1 weist außerdem eine Optikeinrichtung 17 auf. Die Optikeinrichtung 17 weist eine Optik 19, insbesondere eine astigmatische Optik, vorzugsweise mit wenigstens einer Zylinderlinse, oder eine nicht-astigmatische Optik, vorzugsweise mit wenigstens einem anamorphotischen Prisma, auf. Insbesondere durch die Optik 19 ist die Optikeinrichtung 17 eingerichtet, um den Energiestrahl 7 zu formen und entlang einer parametrierbaren Richtung, insbesondere entlang einer hier durch einen Pfeil P dargestellten Verlagerungsrichtung des Energiestrahls 7 innerhalb des Arbeitsbereichs 11, auszurichten. Die Optikeinrichtung 17 kann aber gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung auch mindestens ein ansteuerbares Deflektorelement aufweisen, welches eingerichtet ist, um durch dynamisches Scannen eines lokalen Strahlformbereichs eine quasi -stationäre Intensitätsverteilung in dem lokalen Strahlformbereich zu erzeugen und auf diese Weise den Energiestrahl lokal zu formen und die erzeugte quasi -stationäre Strahlform auszurichten. In bevorzugter Ausgestaltung kann die Optikeinrichtung 17 als akustoopti scher Deflektor oder als diffraktives optisches Element ausgebildet sein.
Die Optikeinrichtung 17 ist insbesondere eingerichtet, um eine erste Breite Bl des Energiestrahls 7 entlang der durch den Pfeil P dargestellten Verlagerungsrichtung relativ zu einer zweiten Breite B2 des Energiestrahls 7 senkrecht zu der Verlagerungsrichtung zu vergrößern, insbesondere um einen elliptischen Energiestrahl 7 zu erzeugen.
Die Steuereinrichtung 13 ist mit der Optikeinrichtung 17 wirkverbunden, um die ansteuerbar ausgebildete Optikeinrichtung 17, insbesondere eine ansteuerbare Stelleinrichtung 16, anzusteuern. Die Stelleinrichtung 16 ist insbesondere eingerichtet, um den Energiestrahl 7 um seine optische Achse oder Strahlachse zu drehen.
Die Planungseinrichtung 15 ist eingerichtet, um eine Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren 21 (siehe Figuren 2 und 3) zur Bestrahlung einer in dem Arbeitsbereich 11 angeordneten Pulvermaterialschicht mit dem Energiestrahl 7 zu erhalten. Die Planungseinrichtung 15 bestimmt für mindestens einen Bestrahlungsvektor 21 der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren 21 eine Vektor- Ausrichtung in einem Koordinatensystem auf dem Arbeitsbereich 11, und sie gibt für den mindestens einen Bestrahlungsvektor 21 der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren 21 eine Strahl- Ausrichtung für eine von einer Kreisform abweichende Strahlform des Energiestrahls 7 auf dem Arbeitsbereich 11 relativ zu der Vektor-Ausrichtung des mindestens einen Bestrahlungsvektors 21 vor.
Vorzugsweise gibt die Planungseinrichtung 15 für jeden Bestrahlungsvektor 21 eine Strahlform des Energiestrahls 7 und/oder einen Energieeintragsparameter des Energie Strahls 7, insbesondere eine Strahlleistung und/oder eine Verlagerungsgeschwindigkeit, vor.
Insbesondere für Bestrahlungsvektoren 21, bei denen die zugeordnete Strahlform entlang der Vektor- Ausrichtung nicht symmetrisch ist, ermittelt die Planungseinrichtung 15 außerdem eine Vektor-Orientierung und gibt eine Strahl -Orientierung für die zugeordnete Strahlform relativ zu der Vektor-Orientierung vor. Vorzugsweise weist die Planungseinrichtung 15 mindestens zwei Bestrahlungsvektoren 21 jeweils eine verschiedene Strahlform und/oder einen verschiedenen Energieeintragsparameter in Abhängigkeit von mindestens einem Vektor-Parameter zu. Der mindestens eine Vektor- Parameter kann dabei ein Ort des Bestrahlungsvektors 21 auf dem Arbeitsbereich 11 sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Vektor-Parameter eine Zuordnung des Bestrahlungsvektors 21 zu einer bestimmten Vektorgruppe sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Vektor- Parameter eine Vektorlänge des Bestrahlungsvektors 21 sein.
Die Planungseinrichtung 15 führt vorzugsweise die Bestimmung der Vektor- Ausrichtung und die Vorgabe der Strahl-Ausrichtung für eine jede Bauteilschicht einer Mehrzahl von nacheinander in dem Arbeitsbereich 11 zu erzeugenden Bauteilschichten durch.
Weist die Fertigungseinrichtung 1 eine Mehrzahl von Energiestrahlen 7 auf, weist die Planungseinrichtung 15 bevorzugt jedem Energiestrahl 7 eine bestimmte Strahlform fest zu. Sie ordnet dann den Bestrahlungsvektoren 21 jeweils einen Energiestrahl 7 der Mehrzahl von Energiestrahlen 7 mit einer übereinstimmenden Strahlform zu, sodass die Bestrahlungsvektoren 21 jeweils mit demjenigen Energiestrahl 7 abgearbeitet werden, der die passende, dem jeweiligen Bestrahlungsvektor 21 zugeordnete Strahlform aufweist.
Die Fertigungseinrichtung 1 führt schließlich bevorzugt ein Verfahren zum Fertigen des Bauteils 3 gemäß der durch die Planungseinrichtung 15 erstellten Planung aus.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zum Planen einer lokal selektiven Bestrahlung des Arbeitsbereichs 11.
Dabei sind hier zwei Konturlinien 22 einer Bauteilkontur 24 dargestellt, nämlich eine erste Konturlinie 22.1 und eine zweite Konturlinie 22.2, sowie ein Bestrahlungsvektor 21, dem eine von der Kreisform abweichende Strahlform 18 zugeordnet ist. Für den Bestrahlungsvektoren 21 werden zwei Konturab stände vorgegeben, nämlich ein erster Konturabstand a zu der ersten Konturlinie 22.1, und ein zweiter Konturabstand b zu der zweiten Konturlinie 22.2. Die Konturab stände a, b werden dabei in Abhängigkeit von der Strahlform 18 und von einem Kontur-Winkel gewählt, den der Bestrahlungsvektor 21 zur jeweiligen Konturlinie 22 aufweist. Dabei wird der erste Konturabstand a für die parallel zu dem Bestrahlungsvektor 21 verlaufende erste Konturlinie 22.1 kleiner gewählt als der zweite Konturabstand b für die senkrecht zu dem Bestrahlungsvektor 21 verlaufende zweite Konturlinie 22.2. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens zum Planen einer lokal selektiven Bestrahlung des Arbeitsbereichs 11.
Vorzugsweise legt die Planungseinrichtung 15 auf dem Arbeitsbereich 11 eine Mehrzahl von Bestrahlungsbereichen 23 fest und ordnet die Bestrahlungsvektoren 21 den Bestrahlungsbereichen 23 zu. Dabei gibt die Planungseinrichtung 15 für jeden Bestrahlungsbereich 23 eine Strahlform 18 des Energiestrahls 7 vor, und sie legt eine Aufteilung der Bestrahlungsbereiche 23 in Abhängigkeit von einer Vektorlänge der Bestrahlungsvektoren 21 in den Bestrahlungsbereichen 23 fest. Insoweit sind hier ein erster Bestrahlungsbereich 23.1 und ein zweiter Bestrahlungsbereich 23.2 dargestellt, wobei eine Bereichsgrenze 25 zwischen den Bestrahlungsbereichen 23 anhand einer vorbestimmten Grenz- Vektorlänge gewählt ist. Der erste Bestrahlungsbereich 23.1 umfasst längere Bestrahlungsvektoren 21, während der zweite Bestrahlungsbereich 23.2 kürzere Bestrahlungsvektoren 21 umfasst. Dem ersten Bestrahlungsbereich 23.1 ist eine von der Kreisform abweichende, langgestreckte Strahlform 18 zugeordnet, dem zweiten Bestrahlungsbereich 23.2 ist eine kreisförmige Strahlform 18 zugeordnet.
Vorzugsweise wird der Energiestrahl 7 mehrfach entlang der Konturlinien 22 verlagert. Eine Anzahl der Verlagerungen des Energiestrahls 7 entlang der Konturlinien 22 wird bevorzugt in Abhängigkeit von wenigstens einem Konturfahrt-Parameter gewählt. Insbesondere wird die Anzahl der Verlagerungen bevorzugt abhängig von der Strahlform 18 der an die jeweilige Konturlinie 22 angrenzenden Bestrahlungsvektoren 21 gewählt. Alternativ oder zusätzlich, vorzugsweise zusätzlich, wird die Anzahl der Verlagerungen abhängig von dem Kontur-Winkel, den die angrenzenden Bestrahlungsvektoren 21 mit der jeweiligen Konturlinie 22 einschließen, gewählt.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Planungseinrichtung (15) zur Planung einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs (11) mit einem Energiestrahl (7), um mittels des Energiestrahls (7) ein Bauteil (3) aus einem in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterial herzustellen, wobei die Planungseinrichtung (15) eingerichtet ist, um eine Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren (21) zur Bestrahlung einer in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterialschicht mit dem Energiestrahl (7) zu erhalten, wobei die Planungseinrichtung (15) eingerichtet ist, um für mindestens einen Bestrahlungsvektor (21) der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren (21) eine Vektor-Ausrichtung in einem Koordinatensystem auf dem Arbeitsbereich (11) zu bestimmen, und wobei die Planungseinrichtung (15) eingerichtet ist, um für den mindestens einen Bestrahlungsvektor (21) eine Strahl-Ausrichtung für eine von einer Kreisform abweichende Strahlform (18) des Energiestrahls (7) auf dem Arbeitsbereich (11) relativ zu der Vektor- Ausrichtung des mindestens einen Bestrahlungsvektors (21) vorzugeben.
2. Planungseinrichtung (15) nach Anspruch 1, wobei die Planungseinrichtung (15) eingerichtet ist, um für jeden Bestrahlungsvektor (21) der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren (21) eine Strahlform (18) des Energiestrahls (7), und/oder einen Energieeintragsparameter des Energiestrahls (7), insbesondere eine Strahlleistung und/oder eine Verlagerungsgeschwindigkeit, vorzugeben.
3. Planungseinrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planungseinrichtung (15) eingerichtet ist, um für mindestens einen Bestrahlungsvektor (21) der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren (21) eine Vektor-Orientierung zu ermitteln, und für den mindestens einen Bestrahlungsvektor (21) eine Strahl-Orientierung für die dem mindestens einen Bestrahlungsvektor (21) zugeordnete Strahlform (18) vorzugeben.
4. Planungseinrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planungseinrichtung (15) eingerichtet ist, um mindestens zwei Bestrahlungsvektoren (21) der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren (21) jeweils eine verschiedene Strahlform (18) und/oder einen verschiedenen Energieeintragsparameter abhängig von mindestens einem Vektor-Parameter zuzuweisen, wobei der mindestens eine Vektor-Parameter vorzugsweise ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem Ort des Bestrahlungsvektors (21) auf dem Arbeitsbereich (11), einer Zuordnung des Bestrahlungsvektors (21) zu einer bestimmten Vektorgruppe, und einer Vektorlänge des Bestrahlungsvektors (21).
5. Planungseinrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planungseinrichtung (15) eingerichtet ist, um auf dem Arbeitsbereich (11) eine Mehrzahl von Bestrahlungsbereichen (23) festzulegen, und die Bestrahlungsvektoren (21) den Bestrahlungsbereichen (23) zuzuordnen, wobei die Planungseinrichtung (15) eingerichtet ist, um für jeden Bestrahlungsbereich (23) der Mehrzahl von Bestrahlungsbereichen (23) eine Strahlform (18) des Energiestrahls (7) vorzugeben, und um eine Aufteilung der Bestrahlungsbereiche (23) abhängig von einer Vektorlänge der Bestrahlungsvektoren (21) in den Bestrahlungsbereichen (23) festzulegen.
6. Planungseinrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planungseinrichtung (15) eingerichtet ist, um für mindestens einen Bestrahlungsvektor (21) der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren (21) mindestens einen Konturabstand (a,b) des mindestens einen Bestrahlungsvektors (21) zu einer Konturlinie (22) einer Bauteilkontur (24) einer auf der Pulvermaterialschicht in dem Arbeitsbereich (11) zu erzeugenden Bauteilschicht in Abhängigkeit von mindestens einem Abstands-Parameter vorzugeben, wobei der mindestens eine Abstands- Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Der dem mindestens einen Bestrahlungsvektor (21) zugeordneten Strahlform (18), und einem Kontur-Winkel, den der mindestens eine Bestrahlungsvektor (21) mit der Konturlinie (22) einschließt.
7. Planungseinrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planungseinrichtung (15) eingerichtet ist, um die Bestimmung der Vektor- Ausrichtung und die Vorgabe der Strahl -Ausrichtung für jede Bauteilschicht einer Mehrzahl von nacheinander in dem Arbeitsbereich (11) zu erzeugenden Bauteilschichten durchzuführen.
8. Planungseinrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planungseinrichtung (15) eingerichtet ist, um eine Anzahl von Verlagerungen des Energiestrahls (7) entlang einer Konturlinie (22) einer Bauteilkontur (24) einer auf der Pulvermaterialschicht in dem Arbeitsbereich (11) zu erzeugenden Bauteilschicht in Abhängigkeit von wenigstens einem Konturfahrt-Parameter vorzugeben, wobei der wenigstens eine Konturfahrt-Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Der mindestens einem an die Konturlinie (22) angrenzenden Bestrahlungsvektor (21) zugeordneten Strahlform (18), und einem Kontur-Winkel, den der mindestens eine an die Konturlinie (22) angrenzende Bestrahlungsvektor (21) mit der Konturlinie (22) einschließt.
9. Planungseinrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planungseinrichtung (15) eingerichtet ist, um jedem Energiestrahl (7) einer Mehrzahl von Energiestrahlen (7) eine bestimmte Strahlform (18) zuzuweisen, und um den Bestrahlungsvektoren (21) jeweils einen Energiestrahl (7) der Mehrzahl von Energiestrahlen (7) mit übereinstimmender Strahlform (18) zuzuordnen.
10. Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen (3) aus einem Pulvermaterial, mit
- einer Strahlerzeugungseinrichtung (5), die eingerichtet ist zum Erzeugen eines Energiestrahls (7), einer Scannereinrichtung (9), die eingerichtet ist, um einen Arbeitsbereich (11) lokal selektiv mit dem Energiestrahl (7) zu bestrahlen, um mittels des Energiestrahls (7) ein Bauteil (3) aus dem in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterial herzustellen,
- einer Optikeinrichtung (17), die eingerichtet ist, um den Energiestrahl (7) zu formen und auszurichten, und mit
- einer Steuereinrichtung (13), die mit der Scannereinrichtung (9) wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannereinrichtung (9) anzusteuem, wobei
- die Steuereinrichtung (13) außerdem mit der Optikeinrichtung (17) wirkverbunden ist, um die ansteuerbar ausgebildete Optikeinrichtung (17) anzusteuern, und wobei
- die Steuereinrichtung (13) eine Planungseinrichtung (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist oder als Planungseinrichtung (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
11. Verfahren zum Planen einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs (11) mit einem Energiestrahl (7), um mittels des Energiestrahls (7) ein Bauteil (3) aus einem in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterial herzustellen, wobei für mindestens einen Bestrahlungsvektor (21) einer Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren (21) zur Bestrahlung einer in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterialschicht mit dem Energiestrahl (7) eine Vektor-Ausrichtung in einem Koordinatensystem auf dem Arbeitsbereich (11) bestimmt wird, und wobei für den mindestens einen Bestrahlungsvektor (21) eine Strahl- Ausrichtung für eine von einer Kreisform abweichende Strahlform (18) des Energiestrahls (7) auf dem Arbeitsbereich (11) relativ zu der Vektor-Ausrichtung des mindestens einen Bestrahlungsvektors (21) vorgegeben wird.
12. Computerprogrammprodukt, umfassend maschinenlesbare Anweisungen, aufgrund derer ein Verfahren nach Anspruch 11 auf einer Recheneinrichtung durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Recheneinrichtung ausgeführt wird.
13. Verfahren zum additiven Fertigen eines Bauteils (3) aus einem Pulvermaterial mittels einer Fertigungseinrichtung (1) nach Anspruch 10, wobei ein Arbeitsbereich (11) lokal selektiv mit dem Energiestrahl (7) bestrahlt wird, um mittels des Energiestrahls (7) das Bauteil (3) aus dem in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterial herzustellen, wobei eine in dem Arbeitsbereich (11) angeordnete Pulvermaterialschicht mit dem Energiestrahl (7) in Form einer Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren (21) beaufschlagt wird, wobei eine von einer Kreisform abweichende Strahlform (18) des Energiestrahls (7) auf dem Arbeitsbereich (11) für mindestens einen Bestrahlungsvektor (21) der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren (21) relativ zu einer Vektor-Ausrichtung des mindestens einen Bestrahlungsvektors (21) in einem Koordinatensystem auf dem Arbeitsbereich (11) ausgerichtet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei für mindestens zwei Bestrahlungsvektoren (21) der Mehrzahl von Bestrahlungsvektoren (21) jeweils eine verschiedene Strahlform (18) und/oder ein verschiedener Energieeintragsparameter abhängig von mindestens einem Vektor-Parameter verwendet wird, wobei der mindestens eine Vektor-Parameter vorzugsweise ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem Ort des Bestrahlungsvektors (21) auf dem Arbeitsbereich (11), einer Zuordnung des Bestrahlungsvektors (21) zu einer bestimmten Vektorgruppe, und einer Vektorlänge des Bestrahlungsvektors (21).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei der Energiestrahl (7) mehrfach entlang einer Konturlinie (22) einer Bauteilkontur (24) einer auf der Pulvermaterialschicht in dem Arbeitsbereich (11) zu erzeugenden Bauteilschicht verlagert wird, wobei eine Anzahl der Verlagerungen des Energiestrahls (7) entlang der Konturlinie (22) in Abhängigkeit von wenigstens einem Konturfahrt-Parameter gewählt wird, wobei der wenigstens eine Konturfahrt- Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Der mindestens einem an die Konturlinie (22) angrenzenden Bestrahlungsvektor (21) zugeordneten Strahlform (18), und einem Kontur-Winkel, den der mindestens eine an die Konturlinie (22) angrenzende Bestrahlungsvektor (21) mit der Konturlinie (22) einschließt.
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