EP4543612A1 - Verfahren zur planung der lokalen verfestigung einer schicht pulverförmigen materials bei der schichtweisen fertigung eines dreidimensionalen objekts - Google Patents

Verfahren zur planung der lokalen verfestigung einer schicht pulverförmigen materials bei der schichtweisen fertigung eines dreidimensionalen objekts

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Publication number
EP4543612A1
EP4543612A1 EP23730079.3A EP23730079A EP4543612A1 EP 4543612 A1 EP4543612 A1 EP 4543612A1 EP 23730079 A EP23730079 A EP 23730079A EP 4543612 A1 EP4543612 A1 EP 4543612A1
Authority
EP
European Patent Office
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inskin
vector
downskin
vectors
area
Prior art date
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Pending
Application number
EP23730079.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Gutmann
Dominik Maurer
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Trumpf Laser und Systemtechnik SE
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • Solidification of the powdery material is to take place with the high-energy beam, at least one inskin area and at least one downskin area is determined, An inskin pattern is defined for each inskin area, which in the inskin area represents the geometric progression of a large number of inskin patterns.
  • Vectors for the high energy beam are determined, and for each downskin region a downskin pattern is defined, which in the downskin region defines the geometric progression of a plurality of downskin vectors for the
  • High energy beam defines, the definition of the inskin pattern or patterns within the at least one
  • Step A processing order of all inskin vectors and downskin
  • the layer to be processed is typically divided into parts in which the vectors and/or the associated parameters of the high-energy beam are selected differently. What is important here is a distinction between inskin areas and downskin areas.
  • the inskin area is understood to mean in particular a section of the layer to be processed, which is positioned on a part of an underlying powder layer which is solidified during the production of the object.
  • a downskin area is understood to mean, in particular, a section of the layer to be processed that is positioned on a part of an underlying powder layer that remains unsolidified during the production of the object.
  • Downskin vectors are used to process a downskin area. Accordingly, to process an inskin area, inskin vectors are used, which can differ from the downskin vectors, for example with regard to their line energy or their length.
  • EP 3 563 203 B1 discloses a method for producing an object layer by layer, wherein a layer of the object has a sandwich area and a downskin area adjacent to the sandwich area.
  • a high-energy beam is initially guided along parallel hatch lines in one of these two areas in order to solidify the area in question.
  • the high-energy beam is then guided in a corresponding manner along parallel hatch lines in the other of the two areas in order to also to solidify other areas. So the solidification of one area is completed before the solidification of the other area begins.
  • Such a procedure is comparatively easy to implement.
  • a method is also disclosed in which a high-energy beam is guided along continuous hatch lines over the boundary lines between a downskin area and a sandwich area, with a change between the downskin area Area and the sandwich area beam parameters of the high energy beam can be changed to adapt to the respective area.
  • Such a method is intended to reduce thermal stresses at the interface between the downskin area and the sandwich area.
  • the US 9676032 B2 relates to a method for layer-by-layer production of a three-dimensional object, wherein a first area of a powder layer is exposed with parallel scan lines in a first direction and a second area in a second direction with parallel scan lines is exposed by a high-energy beam is exposed. In this case, a scan line in the first area is exposed or melted immediately before a scan line in the second area. After applying another layer of powder, the first area is exposed on parallel scan lines in a third direction and the second area on parallel scan lines in a fourth direction. This process is intended to reduce the time required to produce the object.
  • the method according to the invention is characterized in that in step c) a plurality of inskin vector blocks and a plurality of downskin vector blocks are defined, a respective inskin vector block comprising one or more of the inskin vectors that are to be processed sequentially, and a respective downskin vector block comprises one or more of the downskin vectors, which are to be processed sequentially, and a vector block sequence for processing the inskin vector blocks and the downskin vector blocks, hereinafter referred to collectively as vector blocks, is determined, in which inskin vector blocks and downskin vector blocks alternate.
  • the alternating processing of the inskin blocks and the downskin blocks according to the invention reduces the risk of local overheating of the contiguous area of the layer while saving waiting times.
  • the downskin area is particularly susceptible to local overheating because heat dissipation through unsolidified powder in underlying layers is lower than through solidified powder.
  • the invention reduces the risk of overheating, particularly in the downskin area, since the material in the downskin area can cool down again after a downskin block has been processed, while the inskin block following the downskin block in the vector block sequence is being processed.
  • a time interval for cooling the downskin area after processing a downskin block is at least partially used in the process for processing an inskin block, which means waiting times in which the contiguous area of the layer is not exposed due to the risk of overheating , can be shortened or even eliminated entirely. This accelerates the exposure of the contiguous area without reducing the quality of the processing of the inskin areas and downskin areas.
  • a vector inskin vector or downskin vector
  • a vector block typically includes 1 to 10 vectors, often just a single vector or two vectors.
  • each layer typically at least 10, usually dozens or hundreds of inskin vectors and at least 10, usually dozens or hundreds of downskin vectors are formed.
  • at least 5, and usually at least 10, inskin vector blocks and furthermore at least 5, and usually at least 10, downskin vector blocks are formed for a contiguous area of the layer.
  • the determination of the inskin patterns and the downskin patterns is independent of one another in particular in that no information about the inskin patterns (and in particular the position of individual inskins) is required for the determination of the downskin patterns (and in particular the position of individual downskin vectors). vectors) is needed or applied, and vice versa.
  • knowledge of the geometry (extent/extension) of the associated inskin area or downskin area is essentially sufficient. For example, it is possible to choose completely different patterns for downskin and inskin (e.g. offset filling, stripe or checkerboard pattern).
  • the independent determination of downskin and inskin patterns does not exclude the possibility that there are parameters that apply to both (and all other) patterns, e.g. the orientation of stripes formed by the vectors or the position of the origin from which the area to be exposed is divided into strips.
  • the inskin patterns and downskin patterns can be determined independently of one another in that adjacent inskin vectors in the inskin pattern are at least predominantly at a different distance from one another than adjacent downskin vectors in the downskin pattern and/or the inskin vectors at least are predominantly aligned obliquely to the downskin vectors.
  • the contiguous area to be exposed has a contour, with the high-energy beam being able to move along the contour as part of the manufacturing process.
  • the contour travel is determined by one or more vectors which are arranged adjacent to the contour and aligned along the contour.
  • the exposure in the downskin area can be a Include contour travel and provide appropriate downskin vectors.
  • a preferred variant of the method according to the invention is characterized in that in step c) the vector blocks are defined in such a way that at least predominantly for two consecutive vector blocks in the vector block sequence, a respective end point of the last vector of the earlier vector block is spatially spaced in the layer from a starting point of the first vector of the later vector block.
  • the downskin area and the inskin area are exposed alternately, with a distance in the vector block sequence between the end point of the last vector of the earlier vector block in the layer and the starting point of the first vector of the later vector block on which while When changing between the vector blocks, no irradiation by the high-energy beam takes place.
  • this is referred to in particular as discontinuous exposure.
  • a sufficiently large distance between the aforementioned end point and the aforementioned starting point reduces the heat exchange between a previously exposed sub-area and a subsequently exposed sub-area of the contiguous area.
  • the powder in the contiguous area is only heated locally in a sub-area determined by a vector block and can cool down again comparatively quickly.
  • the locally limited heating prevents the high-energy beam from further heating a sub-area to be processed that is already heated by a heat flow from an adjacent sub-area.
  • the risk of local overheating is further reduced and waiting times can be further reduced.
  • a variant of the method is advantageous in which in step c) the vector blocks are defined in such a way that at least predominantly for two consecutive vector blocks in the vector block sequence, the direction of progression is one last vector of the earlier vector block in the layer lies obliquely to a direction of progression of the first vector of the later vector block.
  • This allows the orientation of the vectors to be flexibly adapted to the shape of the contiguous area and the shape of the downskin areas and inskin areas.
  • the vectors can be guided along corners or curves of an edge line of the connected area due to their alignment.
  • it is possible within the scope of the method to select a distance between adjacent downskin vectors that differs from a distance between adjacent inskin vectors. This allows the density of the downskin vectors and the inskin vectors to be adapted to the shape and extent of the downskin area and the inskin area.
  • a further development of the aforementioned variant is characterized in that the starting point of the first inskin vector is adjacent to an interface between the associated inskin area of the inskin vector block and an adjacent downskin area, and that the first inskin vector starts from the starting point leads away from the adjacent downskin area, and the last inskin vector leads back to the adjacent downskin area.
  • the high energy beam is positioned comparatively close to the starting point of the first inskin vector of the inskin vector block of the inskin region and can be quickly guided to this starting point.
  • the high energy beam is again positioned close to the adjacent downskin area and can be quickly guided to the next downskin vector block in the adjacent downskin area in the vector block sequence of processing.
  • a variant of the method according to the invention is preferred in which, at least in a majority of the inskin blocks, a respective inskin block is formed by an even number, in particular two, four or six, of inskin vectors lying next to one another, which have an alternating, opposite direction of progression, in particular where the inskin vectors run parallel to each other.
  • the parallel alignment of the vectors is advantageously used for hatching to create a structurally simple hatch pattern, which is used to guide the high-energy beam when illuminating the contiguous area.
  • the even number of vectors allows the start point of the first vector and the end point of the last vector to be close together, especially if the adjacent inskin vectors are approximately the same length.
  • the course of the respective downskin vector follows the course of an adjacent contour, in particular outer contour, of the associated downskin area.
  • the downskin area can be grown outwards on a manufactured section of the inskin area, which is advantageous for rapid heat dissipation and the avoidance of overheating.
  • a large number of downskin vectors can be provided at different distances from the contour, which follow the course of the contour.
  • a variant of the method according to the invention is advantageous, which is characterized in that in step c) the inskin vector blocks and the downskin Vector blocks can be defined in such a way that at a respective interface section between an inskin area and a downskin area, first all inskin vectors that are at least partially on or close to this interface section are processed, and then all downskin vectors that are at least partially are located at or close to this interface section.
  • the inskin vector blocks and the downskin Vector blocks can be defined in such a way that at a respective interface section between an inskin area and a downskin area, first all inskin vectors that are at least partially on or close to this interface section are processed, and then all downskin vectors that are at least partially are located at or close to this interface section.
  • This configuration of the method enables a region processed with the high-energy beam (in particular the downskin region) to cool more quickly in the contiguous region.
  • a vector is considered to be close to an interface section if there is noticeable heat conduction through the interface section during the production of the vector.
  • the length of the interface section can, for example, correspond to the length of neighboring downskin vectors.
  • a further development of the aforementioned variant is characterized in that downskin vectors that are at least partially closer to the interface section are processed before downskin vectors that are further away from the interface section. This ensures that, during the processing of the downskin vectors, a connection based on solidified powder of the partial areas of the downskin area to be exposed, which are determined by the downskin vectors, is guaranteed to an inskin area via the interface. This results in improved heat flow from the downskin area over the inskin area during processing of the downskin area to cool the downskin area more quickly.
  • waiting times are also set at least between some successive vector blocks of the vector block sequence, in which processing with the High energy beam should pause. During the waiting periods, the contiguous area cools down between treatments with the high-energy beam in order to reduce the risk of overheating. Alternatively or additionally, waiting times can also be provided within the vector blocks.
  • a further variant of the method according to the invention is characterized in that at least some inskin vector blocks, which alternate with downskin vector blocks in the vector block sequence, are arranged adjacent to one another in the associated inskin area, and/or that at least some downskin Vector blocks, which follow one another in the vector block sequence alternating with inskin vector blocks, are arranged adjacent to one another in the associated downskin area.
  • processing of connected areas of the contiguous area is effected in order to increase the stability of the contiguous area during the editing process.
  • the formation of island-shaped exposed areas that are surrounded by areas that have not yet been exposed is avoided.
  • Such island-shaped exposed areas can relatively easily change their position or orientation undesirably (for example, due to the different density and / or strength of the exposed areas in relation to areas not yet exposed).
  • the control device is used to control a 3D printing machine and, among other things, carries out the planning method according to the invention, in particular according to the instructions of a previously mentioned computer program product.
  • a planning device that is independent of a 3D printing machine (usually set up on a PC or server) can also be used to carry out the method according to the invention according to the program; the result of the planning process is then passed on to an independent 3D printing machine to carry out the construction process.
  • the scope of the invention also includes a method for the layer-by-layer production of a three-dimensional object, in which a powdery material is locally solidified in successive layers using a high-energy beam, for at least some of the layers
  • Step alpha the local solidification in the layer is planned using a method according to the invention described above, and
  • Step beta the local solidification of the layer is carried out in accordance with the planning according to step alpha by using the high energy beam to process the inskin vectors and downskin vectors determined in step b) in the order determined according to step c) of the planning for this layer become.
  • the scope of the invention also includes a 3D printing machine with a control device, the control device being programmed, the aforementioned manufacturing method according to the invention on the 3D printing machine to carry out.
  • a 3D printing machine is set up to plan and carry out the exposure of the downskin areas and inskin areas in the contiguous area according to the invention in order to process these areas in a high-quality and accelerated manner and in particular without local overheating.
  • FIG. 1 schematically shows a longitudinal section through an exemplary 3D printing machine for the layer-by-layer production of a three-dimensional object for the invention, with a high-energy beam illuminating a layer to be processed;
  • Fig. 2 shows schematically a top view of a first example of a continuous area of the layer to be processed for the invention
  • Figure 3 schematically shows a top view of a second example of a contiguous area of the layer to be processed for the invention
  • Figure 6 schematically shows a top view of the third example of one of the contiguous region of the layer to be processed for the invention, with downskin vectors and inskin vectors running parallel and adjacent to the contour of the contiguous region.
  • FIG. 1 shows schematically a longitudinal section through an exemplary 3D printing machine 1 for producing a three-dimensional object 2 in layers for the invention.
  • the object 2 is grown on a substrate 3a, which is arranged on a lifting table 3 in a manufacturing chamber 4 of the 3D printing machine 1, the lifting table 3 enabling vertical movement of the substrate 3a and the object 2.
  • the object 2 is manufactured from powder layers 5a, 5b, 5c in the production chamber. To produce the object, local solidification of the powder from the powder layers 5a, 5b, 5c takes place one after the other in the powder layers 5a, 5b, 5c with a high-energy beam 6 from the 3D printing machine 1.
  • a (top) layer 7 to be processed made of powder 8 is irradiated with the high-energy beam 6 in order to cause local solidification of the layer 7 to be processed.
  • Unsolidified powder 8 is marked here by squiggles.
  • the object 2 is formed layer by layer.
  • the high-energy beam 6 is generated in a beam source 16 and aligned by a mirror 17.
  • the planned boundary 9 of the object 2 in the layer 7 to be processed is indicated in FIG. 1 by dashed boundary lines.
  • the manufacturing process is controlled by a control device 10 of the 3D printing machine 1.
  • the control device 10 is set up here to plan the local solidification for the layer 7 to be processed using a computer program product 11 or its program before this local solidification is carried out.
  • the control device 10 also carries out the solidification of the respective layer to be processed.
  • the reference number 14 (I) indicates an exemplary downskin area of the layer 7 to be processed, while the reference number 15 (I) indicates an inskin area of the layer 7 to be processed.
  • the inskin areas 13a, 13b, 15 (I) generally require a different treatment from the downskin areas 12a, 12b, 14 (I) in the local solidification of the respective layer with the high-energy beam 6, for example with regard to the position, orientation and density of the vectors and/or the beam parameters, in particular to avoid the risk of local overheating.
  • Fig. 2 shows schematically a top view of a first example of a contiguous area 18 (I) of the layer 7 to be processed (see Fig. 1), wherein in the contiguous area 18 (I) an exposure of the layer 7 to be processed with the high-energy beam to be held.
  • the contiguous area 18 (I) is composed (as far as shown in FIG. 2) of an inskin area 15 (II) and a downskin area 14 (II) .
  • the downskin area 14 (n) is separated from the inskin area 15 (II) by an interface 19 with interface sections, with an example of an interface section 27a in FIG.
  • the downskin area 14 (II) is delimited to the outside by a contour 20 (I) .
  • inskin vectors are defined for the inskin area 15 (II) , with the inskin vectors 1', 3', 4', 6' being shown in FIG. 7', 9', 10', 12', 13' are marked.
  • the movement of the high-energy beam 6 during the exposure process in the inskin area 15 (II) is determined by the inskin vectors 1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13' .
  • downskin vectors are defined for downskin area 14 (II) , of which the downskin vectors 2', 5', 8', 11', 14' are marked as examples in FIG.
  • the downskin vectors 2', 5', 8', 11', 14' serve to determine the movement of the high-energy beam 6 during the exposure process in the downskin area 14 (II) .
  • the downskin vectors 2', 5', 8', 11', 14' each begin and end at radially outwardly directed marking lines in Fig. 2.
  • An inskin pattern 21 is therefore determined for the inskin area 15 (II) , which includes the inskin vectors 1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13' and in particular determines the positions, lengths and/or orientations of the vectors.
  • a downskin pattern 22 is also determined for the downskin area 14 (II) , which includes the downskin vectors 2', 5', 8', 11', 14' and in particular determines the positions, lengths and/or orientations .
  • the inskin pattern 21 and the downskin pattern 22 are chosen independently of each other during planning.
  • the inskin vectors 1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13' or downskin vectors 2', 5', 8', 11', 14' become processed sequentially in their respective vector blocks 23a, 23b and 24a, 24b as part of the solidification of the connected area 18 (I) .
  • the inskin vector 1' is first processed in the processing sequence.
  • the downskin vector 2' is then processed in the downskin vector block 24a.
  • the inskin vectors 3' and 4' are then processed in the inskin vector block 23a, with the high energy beam 6 on the inskin vector 3' being removed from the downskin region 14 (II) and then on the inskin vector 4' again is brought to the downskin area 14 (II) .
  • the downskin vector 5' is processed.
  • the Inskin vectors 6' and 7' are then processed in the Inskin vector block 23b.
  • the downskin vector 8' now follows.
  • the inskin vectors 9' and 10' are then processed. This is followed by the processing of the downskin vector 11', which is closest to the contour 20 (I) .
  • the inskin vectors 12' and 13' are then processed. This is followed by the processing of the downskin vector 14' in the downskin vector block 24b.
  • the downskin vectors 2', 5', 8', 11' are manufactured one after the other (alternating with inskin vector blocks, including 23a and 23b), so that material is melted onto the interface section 27a from the inside out.
  • the downskin Vector 14' material is melted onto the interface section 27b, the interface section 27b having already solidified.
  • the inskin vectors 1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13' are like this here chosen that in an inskin vector block, for example in the inskin vector block 23a, a starting point 25 of a (in the sequence of processing) first inskin vector, here for example 3 ', near an end point 26 of a last inskin vector , here 4' as an example, lies in the relevant Inskin vector block 23a.
  • the starting point 25 of the first inskin vector 3 ' is here adjacent to the interface 19 between the associated inskin area 15 (II) of the inskin vector block 23a and the downskin area 14 (II) in order to ensure a rapid change of the To enable high-energy beam 6 (see FIG. 1) from the downskin area 14 (II) to the inskin vector block 23a.
  • the first inskin vector 3' leads from the starting point 25 away from the neighboring downskin region 14 (II)
  • the last inskin vector 4' leads back to the neighboring downskin region 14(n), whereby the high-energy beam 6 after processing the inskin vector block 23a can be quickly returned to the downskin area 14 (II) .
  • the first and last inskin vectors 3', 4' are anti-parallel to an effective guidance of the high-energy beam 6, so they have an alternating, opposite direction of progression.
  • the vector blocks 23a, 23b, 24a, 24b are preferably set in such a way that for each two vector blocks 24a, 23b following one another in the vector block sequence, a respective end point , here by way of example an end point 28 of the last vector 2' of the earlier vector block 24a is spatially spaced from a starting point of the later vector block, here by way of example the starting point 25 of the first vector 3' of the later vector block 23b.
  • Fig. 3 shows schematically a top view of a second example of the contiguous region 18 (II) of the layer 7 to be processed (see Fig. 1).
  • the contiguous area 18 (II) shown in FIG. 3 is from an inskin area 15 (III) and a first downskin area 14 (III) and a second downskin area 14 (IV) , which adjoin the inskin area 15 (III) , with the inskin area 15 (III) here between the both downskin areas 14 (III) , 14 (IV) .
  • inskin vectors are again defined in the inskin area 15 (III) , some of which are designated, for example, 1", 2", 4", 5", 8", and Downskin vectors are defined in the downskin areas, some of which are designated as 3", 6", 7", 12" and 9", 10", 11".
  • some of the downskin vectors (for example the downskin vectors 3", 6") run anti-parallel to one another in order to enable effective guidance of the high-energy beam 6 (see FIG. 1).
  • the downskin vectors 3'', 6'', 7", 12'' and 9", 10'', 11'' are oblique or perpendicular to the inskin vectors 1'', 2", 4'', 5", 8'' aligned, whereby the downskin vectors 3'', 6'', 7'', 12'' and 9'', 10'', 11" are particularly independent of the inskin vectors 1", 2 ", 4", 5", 8" are selected.
  • the Inskin vectors are combined into Inskin vector blocks, with Inskin vector blocks 23c and 23d for the Inskin vectors 1", 2", and 4", 5" being shown here as examples. Accordingly, the downskin vectors are combined into downskin vector blocks, of which a downskin vector block 24c for the downskin vector 3" is shown here as an example.
  • the inskin vector blocks and the downskin vector blocks are processed alternately in a vector block sequence (not illustrated in more detail, in particular the numbering of the vectors here only partially corresponds to the processing order).
  • the downskin areas 14 (III) , 14 (IV) and the inskin area 15 (III) are together surrounded by a contour 20 (II) .
  • Fig. 4 shows schematically a top view of the second embodiment of the contiguous region 18 (II) , with only the inskin vectors 1", 8" and downskin vectors 6", 7", 9 closest to the contour 20 (II). ", 10", 11"12", are shown. These Inskin vectors 1", 8" and Downskin vectors 6", 7", 9", 10", 11", 12" can be used to melt the contour 20 (II) of the contiguous area 18 (II) in a contour movement defined by these vectors, if necessary again after these vectors have already been used during the exposure of the contiguous area Area 18 (II) were processed.
  • FIG. 5 shows schematically a top view of a third example of a contiguous region 18 (III) of the layer 7 to be processed.
  • the rectangular contiguous region 18 (III) shown in FIG. 5 is made of an inskin region 15 (IV). and a first downskin area 14 (V) and a second downskin area 14 (VI) , the downskin areas 14 (V) , 14 (VI) being formed here at opposite corners of the related area 18 (III) .
  • the downskin vectors are parallel in the respective downskin areas 14 (V) , 14 (VI). to each other and obliquely to a contour 20 (III) of the contiguous area 18 (III) , with two downskin vectors, for example the downskin vectors 3"', 4"' or 7"', 8"' becoming one Downskin vector block are summarized, here as an example the downskin vector blocks 24d and 24e.
  • the downskin vectors 3"', 4'", 7'" and 8"' point to the contour 20 (III) of the contiguous area 18 (III) , so that the high-energy beam 6 (see FIG.
  • Inskin area 15 (IV) and the downskin area 14 (V) are exemplary first Inskin vectors 1"' and 2"' processed in the inskin vector block 23e.
  • the downskin vectors 3"', 4'” are then processed in the downskin vector block 24d. This is followed by processing the inskin vectors 5"', 6'" in the inskin vector block 23f.
  • the downskin vectors 7"', 8'" are then processed in the downskin vector block 24e.
  • FIG. 6 shows schematically a top view of the third example of the contiguous region 18 (III) , with downskin vectors 9"' in the inskin region 15 (IV) or the downskin regions 14 (V) , 14 (VI). , 10"' as well as 13"', 14"' and inskin vectors 11"', 12"' as well as 15"', 16"' run parallel and adjacent to the contour 20 (III) of the contiguous area 18 (III) . These vectors are in addition to the vectors shown in Figure 5 in the contiguous region 18 (III) .
  • the high-energy beam 6 can pass along the downskin vectors 9"', 10"' and 13"', 14"' and inskin vectors 11"', 12"' and 15"', 16"' shown in FIG. 6 be guided in order to carry out a contour journey and to melt the contour 20 (III) of the contiguous area 18 (III) .
  • This contour movement typically takes place finally, after processing the vectors shown schematically in FIG. 5.
  • the vectors 9"' to 16'" are processed here in ascending order of their number.

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Abstract

Ein Verfahren zur Planung der lokalen Verfestigung einer Schicht pulverförmigen Materials mit einem bei der schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts, mit folgenden Schritten: Schritt a): in einem zusammenhängenden Gebiet (18(I)) der zu verfestigenden Schicht (7) wird wenigstens ein Inskin-Bereich (15(II)) und wenigstens ein Downskin-Bereich (14(II)) bestimmt, Schritt b): für jeden Inskin-Bereich (15(II)) wird ein Inskin-Muster (21) aufweisend Inskin-Vektoren (1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13') und für jeden Downskin-Bereich (14(II)) wird ein Downskin-Muster (22) aufweisend Downskin-Vektoren (2', 5', 8', 11', 14') festgelegt, wobei die Festlegung des Inskin-Musters (21) unabhängig von der Festlegung des Downskin-Musters (22) erfolgt; Schritt c): Eine Bearbeitungsreihenfolge aller Inskin-Vektoren (1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13') und Downskin-Vektoren (2', 5', 8', 11', 14') wird festgelegt, ist dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) mehrere Inskin-Vektorblöcke (23a, 23b), jeweils umfassend einen oder mehrere nacheinander abzuarbeitende Inskin-Vektoren (1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13'), und mehrere Downskin-Vektorblöcke (24a, 24b), jeweils umfassend einen oder mehrere nacheinander abzuarbeitende Downskin-Vektoren (2', 5', 8', 11', 14'), festgelegt werden, und wobei eine Vektorblock-Abfolge der Bearbeitung der Inskin-Vektorblöcke (23a, 23b) und der Downskin-Vektorblöcke (24a, 24b) festgelegt wird, in welcher sich Inskin-Vektorblöcke (23a, 23b) und Downskin-Vektorblöcke (24a, 24b) abwechseln. Mit der Erfindung kann eine hochwertige, beschleunigte Belichtung von zusammenhängenden Downskin-Bereichen (14(II)) und Inskin-Bereichen (15(II)) unter Vermeidung einer Überhitzung dieser Bereiche durchgeführt werden.

Description

Verfahren zur Planung der lokalen Verfestigung einer Schicht pulverförmigen Materials bei der schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Planung der lokalen Verfestigung einer Schicht pulverförmigen Materials mit einem Hochenergiestrahl bei der schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts, mit folgenden Schritten: in einem zusammenhängenden Gebiet der Schicht, in welchem eine
Verfestigung des pulverförmigen Materials mit dem Hochenergiestrahl stattfinden soll, wird wenigstens ein Inskin-Bereich und wenigstens ein Downskin-Bereich bestimmt, für jeden Inskin-Bereich wird ein Inskin-Muster festgelegt, welches in dem Inskin-Bereich den geometrischen Verlauf einer Vielzahl von Inskin-
Vektoren für den Hochenergiestrahl festlegt, und für jeden Downskin-Bereich wird ein Downskin-Muster festgelegt, welches in dem Downskin-Bereich den geometrischen Verlauf einer Vielzahl von Downskin-Vektoren für den
Hochenergiestrahl festlegt, wobei die Festlegung des oder der Inskin-Muster innerhalb des wenigstens einen
Inskin-Bereichs unabhängig von der Festlegung des oder der Downskin-Muster innerhalb des wenigstens einen Downskin-Bereichs erfolgt;
Schritt Eine Bearbeitungsreihenfolge aller Inskin-Vektoren und Downskin-
Vektoren wird festgelegt.
Ein solches Vorgehen ist aus der EP 3 563 203 Bl, dortige Fig. 4a, bekannt geworden. Verfahren zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte, die auch unter dem Stichwort 3D-Druck bekannt geworden sind, ermöglichen die Fertigung solcher Objekte mit einer großen Gestaltungsfreiheit und unter vergleichsweise geringem Zeitaufwand. Die Objekte werden Schicht für Schicht aus einem Pulver gefertigt, wobei die Schichten lokal zur Verfestigung mit einem Hochenergiestrahl bestrahlt werden. Die Bewegung des Hochenergiestrahls auf einer zu bearbeitenden Schicht während des Fertigungsverfahrens wird dabei durch Vektoren festgelegt.
Die zu bearbeitende Schicht wird dabei typischerweise in Teile untergliedert, in denen die Vektoren und/oder die zugehörigen Parameter des Hochenergiestrahls verschieden gewählt werden. Von Bedeutung ist hier eine Unterscheidung zwischen Inskin-Bereichen und Downskin-Bereichen. Als Inskin-Bereich wird im Rahmen der Anmeldung insbesondere ein Abschnitt der zu bearbeitenden Schicht verstanden, der auf einem Teil einer darunter liegenden Pulverschicht positioniert ist, der im Rahmen der Fertigung des Objekts verfestigt wird. Als Downskin- Bereich wird im Rahmen der Anmeldung insbesondere ein Abschnitt der zu bearbeitenden Schicht verstanden, der auf einem Teil einer darunterliegenden Pulverschicht positioniert ist, der im Rahmen der Fertigung des Objekts unverfestigt bleibt. Zur Bearbeitung eines Downskin-Bereichs werden Downskin- Vektoren verwendet. Entsprechend werden zur Bearbeitung eines Inskin-Bereichs Inskin-Vektoren verwendet, die sich von den Downskin-Vektoren unterscheiden können, zum Beispiel im Hinblick auf ihre Linienenergie oder ihre Länge.
Die EP 3 563 203 Bl, dortige Fig. 4a, offenbart ein Verfahren zur schichtweisen Fertigung eines Objekts, wobei eine Schicht des Objekts einen Sandwich-Bereich und einen an den Sandwich-Bereich angrenzenden Downskin-Bereich aufweist. Ein Hochenergiestrahl wird an parallelen Hatchlinien zunächst in einem dieser beiden Bereiche entlang geführt, um den betreffenden Bereich zu verfestigen. Anschließend wird der Hochenergiestrahl in entsprechender Weise an parallelen Hatchlinien in dem anderen der beiden Bereiche entlang geführt, um auch den anderen Bereich zu verfestigen. Es wird also die Verfestigung eines Bereichs abgeschlossen, bevor die Verfestigung des anderen Bereichs beginnt. Ein solches Verfahren ist vergleichsweise einfach umzusetzen.
Wenn bei einer solchen schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts mit einem Hochenergiestrahl in einem Inskin-Bereich oder besonders in einem Downskin-Bereich alle aufeinander folgenden Vektoren direkt nacheinander belichtet werden, besteht die Gefahr einer lokalen Überhitzung, welche zu einer verminderten Baubarkeit führt. Durch Wartezeiten kann eine Überhitzung vermieden werden. Dadurch wird aber die Bearbeitungsdauer erhöht und die Produktivität des Fertigungsverfahrens reduziert.
In der EP 3 563 203 Bl, dortige Fig. 4b, ist zudem ein Verfahren offenbart, bei welchem ein Hochenergiestrahl entlang kontinuierlicher Hatchlinien über die Begrenzungslinien zwischen einem Downskin-Bereich und einem Sandwich-Bereich geführt wird, wobei bei einem Wechsel zwischen dem Downskin-Bereich und dem Sandwich-Bereich Strahlparameter des Hochenergiestrahls zur Anpassung an den jeweiligen Bereich geändert werden. Durch ein solches Verfahren sollen thermische Spannungen an der Grenzfläche zwischen dem Downskin-Bereich und dem Sandwich-Bereich vermindert werden.
Durch die Verwendung kontinuierlicher Hatchlinien müssen allerdings die Merkmale sowohl des Downskin-Bereichs als auch des Sandwich-Bereichs bei der Wahl der Vektoren gleichzeitig berücksichtigt werden. Das Muster der Vektoren ergibt sich aus einem Kompromiss zwischen den Eigenschaften der beiden Bereiche. Dadurch wird eine für den jeweiligen Bereich optimierte Wahl der Vektoren erschwert, zum Beispiel im Hinblick auf die Dichte der Vektoren. In der Regel wird der Downskin-Bereich daher nicht optimal bearbeitet.
Die US 9676032 B2 betrifft ein Verfahren zur schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts, wobei durch einen Hochenergiestrahl ein erster Bereich einer Pulverschicht mit parallelen Scan-Linien in einer ersten Richtung belichtet wird und ein zweiter Bereich in einer zweiten Richtung mit parallelen Scan-Linien belichtet wird. Dabei wird eine Scan-Linie in dem ersten Bereich unmittelbar vor einer Scan-Linie in dem zweiten Bereich belichtet bzw. aufgeschmolzen. Nach dem Aufträgen einer weiteren Pulverschicht werden der erste Bereich auf parallelen Scanlinien in einer dritten Richtung und der zweite Bereich auf parallelen Scanlinien in einer vierten Richtung belichtet. Durch dieses Verfahren soll die Dauer zur Fertigung des Objekts verringert werden.
Aus der DE 10 2017 126 624 Al, dortige Fig. 12, ist eine selektive Beschichtung im Überhangbereich bei der generativen Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen bekannt geworden, wobei Inskin-Muster und Downskin-Muster gemeinsam geplant werden.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Planung der lokalen Verfestigung einer Schicht pulverförmigen Materials mit einem Hochenergiestrahl bei der schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts anzugeben, mit dem eine hochwertige, beschleunigte Belichtung von zusammenhängenden Downskin-Bereichen und Inskin-Bereichen unter Vermeidung einer Überhitzung dieser Bereiche durchgeführt werden kann.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den rückbezogenen Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) eine Vielzahl von Inskin-Vektorblöcken und eine Vielzahl von Downskin- Vektorblöcken festgelegt werden, wobei ein jeweiliger Inskin-Vektorblock einen oder mehrere der Inskin-Vektoren umfasst, die aufeinanderfolgend abgearbeitet werden sollen, und ein jeweiliger Downskin-Vektorblock einen oder mehrere der Downskin-Vektoren umfasst, die aufeinanderfolgend abgearbeitet werden sollen, und wobei eine Vektorblock-Abfolge der Bearbeitung der Inskin-Vektorblöcke und der Downskin-Vektorblöcke, im folgenden zusammenfassend Vektorblöcke genannt, festgelegt wird, in welcher sich Inskin-Vektorblöcke und Downskin- Vektorblöcke abwechseln.
Durch die erfindungsgemäße abwechselnde Abarbeitung der Inskin-Blöcke und der Downskin-Blöcke wird die Gefahr einer lokalen Überhitzung des zusammenhängenden Gebiets der Schicht unter einer Einsparung von Wartezeiten vermindert. Der Downskin-Bereich ist für lokale Überhitzung besonders anfällig, da die Wärmeableitung durch unverfestigtes Pulver in unterliegenden Schichten geringer ist als durch verfestigtes Pulver. Die Erfindung vermindert die Gefahr einer Überhitzung insbesondere im Downskin-Bereich, da das Material im Downskin- Bereich nach der Abarbeitung eines Downskin-Blocks wieder abkühlen kann, während der auf den Downskin-Block in der Vektorblock-Abfolge nachfolgende Inskin-Block bearbeitet wird. Ein Zeitintervall zur Abkühlung des Downskin-Be- reichs nach einer Abarbeitung eines Downskin-Blocks wird im Rahmen des Verfahrens wenigstens teilweise zur Bearbeitung eines Inskin-Blocks genutzt, wodurch Wartezeiten, in denen das zusammenhängende Gebiet der Schicht wegen der Gefahr der Überhitzung nicht belichtet wird, verkürzt werden können oder sogar ganz entfallen können. Dadurch wird die Belichtung des zusammenhängenden Gebiets beschleunigt, ohne dass die Qualität der Bearbeitung der Inskin-Bereiche und Downskin-Bereiche vermindert wird.
Ein Vektor (Inskin-Vektor oder Downskin-Vektor) kann ein gerader Abschnitt des Verlaufs des Hochenergiestrahl-Aufpunkts auf der Schicht sein, oder als ein Vektorzug von zusammenhängenden Teilvektoren zusammengesetzt sein, wobei die Teilvektoren insbesondere jeweils gerade Abschnitte des Verlaufs des Hochenergiestrahl-Aufpunkts auf der Schicht darstellen, typischerweise wobei aufeinanderfolgende Teil-Vektoren eine voneinander abweichende Verlaufsrichtung aufweisen.
Typischerweise umfasst ein Vektorblock 1 bis 10 Vektoren, oft auch nur einen einzelnen Vektor oder zwei Vektoren. Für ein typisches Objekt werden je Schicht typischerweise wenigstens 10, meist dutzende oder hunderte Inskin-Vektoren und wenigstens 10, meist dutzende oder hunderte Downskin-Vektoren gebildet. Typischerweise werden zudem für ein zusammenhängendes Gebiet der Schicht wenigstens 5, und meist wenigstens 10, Inskin-Vektorblöcke und weiterhin wenigstens 5, und meist wenigstens 10, Downskin-Vektorblöcke gebildet.
Die Festlegung der Inskin-Muster und der Downskin-Muster ist insbesondere insofern voneinander unabhängig, als dass für die Festlegung der Downskin- Muster (und insbesondere der Position einzelner Downskin-Vektoren) keine Information über die Inskin-Muster (und insbesondere der Position einzelner Inskin-Vektoren) benötigt oder angewandt wird, und umgekehrt. Für die unabhängige Festlegung der Inskin-Muster und der Downskin-Muster genügt im Wesentlichen die Kenntnis von der Geometrie (Ausdehnung/Erstreckung) des zugehörigen Inskin-Bereichs oder Downskin-Bereichs. Es ist möglich z.B. komplett unterschiedliche Muster für Downskin und Inskin zu wählen (bspw. Offsetfilling, Streifen- oder Schachbrettmuster). Die unabhängige Festlegung von Downskin- und Inskin-Muster schließt nicht aus, dass es Parameter gibt, die für beide (und alle weiteren) Muster gelten, z.B. die Ausrichtung von Streifen, die durch die Vektoren ausgebildet werden oder die Position des Ursprungs, von dem die Aufteilung der zu belichtenden Fläche in Streifen ausgeht. Insbesondere können die Inskin-Muster und Downskin-Muster unabhängig voneinander festgelegt werden, indem benachbarte Inskin-Vektoren in dem Inskin-Muster wenigstens überwiegend einen anderen Abstand voneinander aufweisen als benachbarte Downskin-Vektoren in dem Downskin-Muster und/oder die Inskin- Vektoren wenigstens überwiegend schräg zu den Downskin-Vektoren ausgerichtet sind.
Das zu belichtende, zusammenhängende Gebiet weist eine Kontur auf, wobei im Rahmen des Fertigungsverfahrens eine Konturfahrt des Hochenergiestrahls erfolgen kann. Die Konturfahrt ist durch ein oder mehrere Vektoren festgelegt, welche benachbart zu der Kontur angeordnet und an der Kontur entlang ausgerichtet sind. Insbesondere kann die Belichtung im Downskin-Bereich eine Konturfahrt umfassen, und entsprechende Downskin-Vektoren vorsehen.
Bevorzugte Varianten der Erfindung
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Vektorblöcke so festgelegt werden, dass zumindest überwiegend bei jeweils zwei aufeinander folgenden Vektorblöcken in der Vektorblock-Abfolge ein jeweiliger Endpunkt des letzten Vektors des früheren Vektorblocks in der Schicht räumlich beabstandet ist von einem Startpunkt des ersten Vektors des späteren Vektorblocks.
Der Downskin-Bereich und der Inskin-Bereich werden bei dieser Ausgestaltung abwechselnd belichtet, wobei in der Vektorblock-Abfolge zwischen dem Endpunkt des letzten Vektors des früheren Vektorblocks in der Schicht und dem Startpunkt des ersten Vektors des späteren Vektorblocks eine Strecke liegt, auf der während des Wechsels zwischen den Vektorblöcken keine Bestrahlung durch den Hochenergiestrahl stattfindet. Im Rahmen der Anmeldung wird dies insbesondere als diskontinuierliche Belichtung bezeichnet. Durch eine ausreichend große Beab- standung des vorgenannten Endpunkts und des vorgenannten Startpunkts wird der Wärmeaustausch zwischen einem zuvor belichteten Teilgebiet und einem nachfolgend belichteten Teilgebiet des zusammenhängenden Gebiets verringert. Das Pulver in dem zusammenhängenden Gebiet wird jeweils nur lokal in einem durch einen Vektorblock bestimmten Teilgebiet erhitzt und kann vergleichsweise rasch wieder abkühlen. Durch die lokal beschränkte Erhitzung wird vermieden, dass der Hochenergiestrahl ein zu bearbeitendes Teilgebiet weiter erwärmt, das durch einen Wärmefluss aus einem benachbarten Teilgebiet bereits erhitzt ist. Die Gefahr von lokaler Überhitzung ist weiter reduziert, und Wartezeiten können weiter reduziert werden.
Vorteilhaft ist eine Variante des Verfahrens, bei der in Schritt c) die Vektorblöcke so festgelegt werden, dass zumindest überwiegend bei jeweils zwei aufeinander folgenden Vektorblöcken in der Vektorblock-Abfolge die Verlaufsrichtung eines letzten Vektors des früheren Vektorblocks in der Schicht schräg zu einer Verlaufsrichtung des ersten Vektors des späteren Vektorblocks liegt. Hierdurch kann die Ausrichtung der Vektoren flexibel an die Form des zusammenhängenden Gebiets und die Form der Downskin-Bereiche und Inskin-Bereiche angepasst werden. Insbesondere können die Vektoren durch ihre Ausrichtung an Ecken oder Kurven einer Randlinie des zusammenhängenden Gebiets entlang geführt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu ist es im Rahmen des Verfahrens möglich, einen Abstand benachbarter Downskin-Vektoren zu wählen, der sich von einem Abstand benachbarter Inskin-Vektoren unterscheidet. Hierdurch kann die Dichte der Downskin-Vektoren und der Inskin-Vektoren jeweils an die Form und Ausdehnung des Downskin-Bereichs und des Inskin-Bereichs angepasst werden.
Bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Inskin-Vektoren und die Downskin-Vektoren so festgelegt, dass zumindest überwiegend die Inskin-Vektoren schräg zu den Downskin-Vektoren verlaufen. Der Verlauf der Inskin-Vektoren und der Downskin-Vektoren kann hierdurch insbesondere an Ecken oder Kurven an der Grenzfläche zwischen einem Inskin-Bereich und einem Downskin-Bereich angepasst werden.
Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei einer Mehrzahl der Inskin-Blöcke für den jeweiligen Inskin-Vektorblock
- der Inskin-Vektorblock zumindest einen ersten Inskin-Vektor und einen letzten Inskin-Vektor enthält,
- und die enthaltenen Inskin-Vektoren so gewählt sind, dass ein Startpunkt des ersten Inskin-Vektors in der Nähe des Endpunkts des letzten Inskin-Vektors liegt, insbesondere wobei dieser Startpunkt und dieser Endpunkt einen Abstand aufweisen,
- der kleiner ist als 1/4 der Länge des längsten Inskin-Vektors des Inskin-Vek- torblocks, bevorzugt kleiner als 1/10 der Länge des längstens Inskin-Vektors des Inskin-Vektorblocks, und/oder
- der kleiner ist als ein 25facher Hatchabstand im Inskin-Vektorblock, bevorzugt kleiner als ein lOfacher Hatchabstand im Inskin-Vektorblock, und/oder
- der kleiner ist als 2,5 mm, bevorzugt kleiner ist als 1,0 mm.
Dies kann dazu beitragen, unproduktive Nebenzeiten bei der Belichtung der Schicht zu reduzieren. Typischerweise liegen nacheinander zu bearbeitende Downskin-Blöcke nahe beisammen, und auch nacheinander zu bearbeitende Inskin-Blöcke nahe beisammen, und die Downskin-Blöcke sind relativ klein im Vergleich zu Inskin-Blöcken. Durch Anordnung der Start/Endpunkte der Inskin- Blöcke in der Nähe der Downskin-Blöcke (in einem jeweiligen Teilzeitraum der Belichtung des zusammenhängenden Gebiets) können die Verfahrwege des Hochenergiestrahls beim Wechsel zwischen den Vektorblöcken in der Vektorblock-Abfolge minimiert werden.
Anders gesagt: Durch die Nähe des Startpunkts des ersten Inskin-Vektors zu dem Endpunkt des letzten Inskin-Vektors können der Downskin-Vektorblock, der in der Vektorblock-Abfolge vor dem betreffenden Inskin-Vektorblock abgearbeitet wird, und der Downskin-Vektorblock, der in der Vektorblock-Abfolge nach dem betreffenden Inskin-Vektorblock abgearbeitet wird, nahe beieinander positioniert werden. Dabei ist es nicht notwendig, den Hochenergiestrahl bei den Wechseln zwischen dem Inskin-Vektorblock und den Downskin-Vektorblöcken über weite Strecken (nach einer Deaktivierung) umzupositionieren.
Eine Weiterentwicklung der vorgenannten Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass der Startpunkt des ersten Inskin-Vektors benachbart zu einer Grenzfläche zwischen dem zugehörigen Inskin-Bereich des Inskin-Vektorblocks zu einem benachbarten Downskin-Bereich liegt, und dass der erste Inskin-Vektor vom Startpunkt aus von dem benachbarten Downskin-Bereich wegführt, und der letzte Inskin-Vektor zu dem benachbarten Downskin-Bereich zurück führt. Dadurch ist der Hochenergiestrahl nach einem Bearbeiten eines Downskin-Blocks des benachbarten Downskin-Bereichs vergleichsweise nahe an dem Startpunkt des ersten Inskin-Vektors des Inskin-Vektorblocks des Inskin-Bereichs positioniert und kann rasch zu diesem Startpunkt geführt werden. Nach dem Bearbeiten des zu dem ersten Inskin-Vektor zugehörigen Inskin-Vektorblocks ist der Hochenergiestrahl wieder nahe an dem benachbarten Downskin-Bereich positioniert und kann rasch zu dem nächsten Downskin-Vektorblock in dem benachbarten Downskin- Bereich in der Vektorblock-Abfolge der Bearbeitung geführt werden.
Bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der zumindest bei einer Mehrzahl der Inskin-Blöcke ein jeweiliger Inskin-Block durch eine gerade Anzahl, insbesondere zwei, vier oder sechs, nebeneinander liegender Inskin-Vektoren gebildet wird, die eine alternierend gegenläufige Verlaufsrichtung haben, insbesondere wobei die Inskin-Vektoren zueinander parallel verlaufen. Die parallele Ausrichtung der Vektoren wird vorteilhaft für ein Hatching zur Erstellung eines strukturell einfachen Schraffurmusters verwendet, welches zum Führen des Hochenergiestrahls bei der Belichtung des zusammenhängenden Gebiets dient. Durch die gerade Anzahl der Vektoren können der Startpunkt des ersten Vektors und der Endpunkt des letzten Vektors nahe beisammen liegen, insbesondere wenn die nebeneinanderliegenden Inskin-Vektoren ungefähr gleich lang sind.
Bei einer weiteren Variante folgt zumindest bei einigen der Downskin-Vektoren der Verlauf des jeweiligen Downskin-Vektors dem Verlauf einer benachbarten Kontur, insbesondere äußeren Kontur, des zugehörigen Downskin-Bereichs. Dies ermöglicht auf einfache Weise ein Bearbeiten des Downskin-Bereichs durch den Hochenergiestrahl entlang einer Kontur des Downskin-Bereichs, vorzugsweise ein Abfahren der Kontur in Form von Konturfahrten, insbesondere entlang von Kurven oder Ecken der Kontur im Downskin-Bereich. Insbesondere kann der Downskin-Bereich an einem gefertigten Teilabschnitt des Inskin-Bereichs nach außen hin angewachsen werden, was für eine schnelle Wärmeableitung und die Vermeidung von Überhitzungen vorteilhaft ist. Dabei kann insbesondere zu einem Konturabschnitt eine Vielzahl von Downskin-Vektoren in unterschiedlichem Abstand zur Kontur vorgesehen sein, die dem Verlauf der Kontur folgen.
Von Vorteil ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, dass in Schritt c) die Inskin-Vektorblöcke und die Downskin- Vektorblöcke so festgelegt werden, dass an einem jeweiligen Grenzflächenabschnitt zwischen einem Inskin-Bereich und einem Downskin-Bereich zunächst alle Inskin-Vektoren, die zumindest teilweise an oder nahe an diesem Grenzflächenabschnitt liegen, abgearbeitet werden, und danach alle Downskin-Vektoren, die zumindest teilweise an oder nahe an diesem Grenzflächenabschnitt liegen, abgearbeitet werden. Durch die Bearbeitung eines Inskin-Bereichs vor einem benachbarten Downskin-Bereich wird der Wärmefluss aus dem zusammenhängenden Gebiet verbessert, da die Wärme wenigstens teilweise aus dem Downskin-Bereich zu dem Inskin-Bereich fließen kann. Von dort fließt die Wärme besser ab als direkt aus dem Downskin-Bereich, unter dem sich unverfestigtes (unaufgeschmolzenes) Pulver befindet. Durch diese Ausgestaltung des Verfahrens wird ein rascheres Abkühlen eines mit dem Hochenergiestrahl bearbeiteten Bereichs (insbesondere Downskin-Bereichs) in dem zusammenhängenden Gebiet ermöglicht. Ein Vektor gilt insbesondere als nahe zu einem Grenzflächenabschnitt, wenn bei der Fertigung des Vektors eine merkliche Wärmeleitung durch den Grenzflächenabschnitt stattfindet. Die Länge des Grenzflächenabschnitts kann beispielsweise der Länge von benachbarten Downskin-Vektoren entsprechen.
Eine Weiterentwicklung der vorgenannten Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise näher an dem Grenzflächenabschnitt liegende Downskin-Vektoren zeitlich vor weiter von dem Grenzflächenabschnitt weg liegenden Downskin-Vektoren abgearbeitet werden. Dadurch ist während der Abarbeitung der Downskin-Vektoren eine auf verfestigtem Pulver basierende Anbindung der durch die Downskin-Vektoren bestimmten Teilbereiche des zu belichtenden Downskin-Bereichs an einen Inskin-Bereich über die Grenzfläche gewährleistet. Dies führt zu einem verbesserten Wärmefluss aus dem Downskin-Bereich über den Inskin-Bereich während der Bearbeitung des Downskin-Bereichs, um den Downskin-Bereich rascher abzukühlen.
Bei einer bevorzugten Variante werden im Rahmen von Schritt c) weiterhin zumindest zwischen einigen aufeinanderfolgenden Vektorblöcken der Vektorblock- Abfolge weiterhin Wartezeiten festgelegt, in denen die Bearbeitung mit dem Hochenergiestrahl pausieren soll. In den Wartezeiten kühlt das zusammenhängende Gebiet zwischen den Bearbeitungen mit dem Hochenergiestrahl ab, um die Gefahr einer Überhitzung zu vermindern. Alternativ oder zusätzlich können auch Wartezeiten innerhalb der Vektorblöcke vorgesehen sein.
Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige Inskin-Vektorblöcke, die in der Vektorblock-Abfolge im Wechsel mit Downskin-Vektorblöcken aufeinanderfolgen, zueinander benachbart in dem zugehörigen Inskin-Bereich angeordnet sind, und/oder dass zumindest einige Downskin-Vektorblöcke, die in der Vektorblock-Abfolge im Wechsel mit Inskin-Vektorblöcken aufeinanderfolgen, zueinander benachbart in dem zugehörigen Downskin-Bereich angeordnet sind.
Durch ein aufeinanderfolgendes Abarbeiten benachbarter Vektorblöcke in der Vektorblock-Abfolge wird ein Bearbeiten verbundener Bereiche des zusammenhängenden Gebiets bewirkt, um so die Stabilität des zusammenhängenden Gebiets während des Bearbeitungsprozesses zu erhöhen. Insbesondere wird die Ausbildung von inselförmigen belichteten Bereichen, die von noch nicht belichteten Bereichen umgeben sind, vermieden. Solche inselförmigen belichteten Bereiche können ihre Position oder Ausrichtung vergleichsweise leicht unerwünscht verändern (zum Beispiel aufgrund der unterschiedlichen Dichte und/oder Festigkeit der belichteten Bereiche im Verhältnis zu noch nicht belichteten Bereichen).
In den Rahmen der Erfindung fällt auch ein Computerprogrammprodukt, das, wenn es bei Anwendung auf einer Steuerungseinrichtung einer 3D-Druckma- schine oder einer Planungseinrichtung ausgeführt wird, ein oben beschriebenes, erfindungsgemäßes Verfahren ausführt. Ein solches Computerprogrammprodukt kann separat von 3D-Druckmaschinen oder Planungseinrichtungen mit geringem Aufwand weitergegeben werden, wobei nach einer Installation des Computerprogrammprodukts auf einer geeigneten Steuerungseinrichtung einer 3D-Druckma- schine oder einer Planungseinrichtung ein erfindungsgemäßes Planungsverfahren durchgeführt werden kann. In den Rahmen der Erfindung fällt ferner eine Steuerungseinrichtung einer 3D- Druckmaschine oder eine Planungseinrichtung, die zur Durchführung eines oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens programmiert ist. Die Steuerungseinrichtung dient zur Steuerung einer 3D-Druckmaschine, und führt unter anderem das erfindungsgemäße Planungsverfahren aus, insbesondere gemäß den Anweisungen eines zuvor genannten Computerprogrammprodukts. Alternativ kann auch eine von einer 3D-Druckmaschine unabhängige Planungseinrichtung (meist eingerichtet auf einem PC oder Server) eingesetzt werden, um das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Programm auszuführen; das Ergebnis des Planungsverfahrens wird dann an eine unabhängige 3D-Druckmaschine zur Ausführung des Bauprozesses weitergegeben.
In den Rahmen der Erfindung fällt weiterhin ein Verfahren zur schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts, bei dem aufeinanderfolgend in Schichten jeweils eine lokale Verfestigung eines pulverförmigen Materials mit einem Hochenergiestrahl erfolgt, wobei für zumindest einige der Schichten jeweils
- (Schritt alpha) eine Planung der lokalen Verfestigung in der Schicht nach einem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt, und
- (Schritt beta) die lokale Verfestigung der Schicht entsprechend der Planung gemäß Schritt alpha durchgeführt wird, indem mit dem Hochenergiestrahl die in Schritt b) festgelegten Inskin-Vektoren und Downskin-Vektoren in der gemäß Schritt c) der Planung für diese Schicht festgelegten Reihenfolge abgearbeitet werden.
Durch die Planung der Belichtung der Inskin-Bereiche und Downskin-Bereiche in einem zusammenhängenden Gebiet gemäß der Erfindung kann im Rahmen des Fertigungsverfahrens eine hochwertige, beschleunigte Belichtung dieser Bereiche durchgeführt werden.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine 3D-Druckmaschine mit einer Steuerungseinrichtung, wobei die Steuerungseinrichtung programmiert ist, das vorgenannte erfindungsgemäße Fertigungsverfahren auf der 3D-Druckmaschine auszuführen. Eine solche 3D-Druckmaschine ist dazu eingerichtet, die Belichtung der Downskin-Bereiche und Inskin-Bereiche in dem zusammenhängenden Gebiet gemäß der Erfindung zu planen und durchzuführen, um diese Bereiche hochwertig und beschleunigt und insbesondere ohne lokale Überhitzungen zu bearbeiten.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine beispielhafte 3D- Druckmaschine zur schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts für die Erfindung, wobei ein Hochenergiestrahl eine zu bearbeitende Schicht belichtet;
Fig. 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein erstes Beispiel eines zusammenhängenden Gebiets der zu bearbeitenden Schicht, für die Erfindung;
Fig. 3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein zweites Beispiel eines zusammenhängenden Gebiets der zu bearbeitenden Schicht, für die Erfindung;
Fig. 4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf das zweite Beispiel des zusammenhängenden Gebiets, wobei nur die einer Kontur des zusammenhängenden Gebiets am nächsten liegenden Inskin-Vektoren und Downskin-Vektoren gezeigt sind; Fig. 5 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein drittes Beispiel eines zusammenhängenden Gebiets der zu bearbeitenden Schicht, für die Erfindung;
Fig. 6 zeigt schematisch eine Draufsicht auf das dritte Beispiel eines des zusammenhängenden Gebiets der zu bearbeitenden Schicht für die Erfindung, mit Downskin-Vektoren und Inskin-Vektoren, die parallel und benachbart zu der Kontur des zusammenhängenden Gebiets verlaufen.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine beispielhafte 3D-Druck- maschine 1 zur schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts 2 für die Erfindung. Das Objekt 2 wird auf einem Substrat 3a aufgewachsen, das auf einem Hubtisch 3 in einer Fertigungskammer 4 der 3D-Druckmaschine 1 angeordnet ist, wobei der Hubtisch 3 eine vertikale Bewegung des Substrats 3a und des Objekts 2 ermöglicht. Das Objekt 2 wird aus Pulverschichten 5a, 5b, 5c in der Fertigungskammer gefertigt. Zu der Fertigung des Objekts erfolgt nacheinander in den Pulverschichten 5a, 5b, 5c jeweils eine lokale Verfestigung des Pulvers aus den Pulverschichten 5a, 5b, 5c mit einem Hochenergiestrahl 6 der 3D-Druck- maschine 1. Zu dem in Fig. 1 gezeigten Zeitpunkt wird im Rahmen des Fertigungsprozesses eine zu bearbeitende (oberste) Schicht 7 aus Pulver 8 mit dem Hochenergiestrahl 6 bestrahlt, um eine lokale Verfestigung der zu bearbeitenden Schicht 7 zu bewirken. Unverfestigtes Pulver 8 ist hier durch Kringel markiert. Entsprechend wird das Objekt 2 schichtweise herausgebildet. Der Hochenergiestrahl 6 wird dazu in einer Strahlquelle 16 erzeugt und durch einen Spiegel 17 ausgerichtet. Die geplante Begrenzung 9 des Objekts 2 in der zu bearbeitenden Schicht 7 ist dabei in der Fig. 1 durch gestrichelte Begrenzungslinien angedeutet. Der Fertigungsprozess wird durch eine Steuerungseinrichtung 10 der 3D-Druck- maschine 1 gesteuert. Die Steuerungseinrichtung 10 ist hier dazu eingerichtet, mit Hilfe eines Computerprogrammprodukts 11 bzw. dessen Programms für die zu bearbeitende Schicht 7 die lokale Verfestigung zu planen, bevor diese lokale Verfestigung durchgeführt wird. Zudem führt die Steuerungseinrichtung 10 auch die Verfestigung der jeweiligen, zu bearbeitenden Schicht aus. Alternativ ist es auch möglich, eine separate Planungseinrichtung 29 vorzusehen, auf der mit Hilfe eines Computerprogrammprodukts 11a bzw. dessen Programms die Planung der lokalen Verfestigung der zu bearbeitenden Schicht 7 erfolgt (gepunktet dargestellt); die Planungseinrichtung 29 gibt dann die erhaltene Planung an die Steuereinrichtung 10 weiter, welche dann die eigentliche Verfestigung der Schicht 7 ansteuert.
Bei der Planung der lokalen Verfestigung muss insbesondere zwischen Downskin- Bereichen und Inskin-Bereichen des Objekts 2 unterschieden werden, wobei die Bezugszeichen 12a, 12b beispielhafte Downskin-Bereiche der Schichten 5b, 5c und die Bezugszeichen 13a, 13b Inskin-Bereiche der Schichten 5b, 5c kennzeichnen, die bei der Fertigung des Objekts 2 in den Schichten 5b, 5c zu beachten sind. Das Bezugszeichen 14(I) kennzeichnet einen beispielhaften Downskin- Bereich der zu bearbeitenden Schicht 7, während das Bezugszeichen 15(I) einen Inskin-Bereich der zu bearbeitenden Schicht 7 kennzeichnet. Die Inskin-Bereiche 13a, 13b, 15(I) erfordern in der Regel eine von den Downskin-Bereichen 12a, 12b, 14(I) verschiedenartige Behandlung bei der lokalen Verfestigung der jeweiligen Schicht mit dem Hochenergiestrahl 6, beispielsweise bezüglich der Lage, Orientierung und Dichte der Vektoren und/oder der Strahlparameter, insbesondere um die Gefahr einer lokalen Überhitzung zu vermeiden.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein erstes Beispiel eines zusammenhängenden Gebiets 18(I) der zu bearbeitenden Schicht 7 (vgl. Fig. 1), wobei in dem zusammenhängenden Gebiet 18(I) eine Belichtung der zu bearbeitenden Schicht 7 mit dem Hochenergiestrahl stattfinden soll. Das zusammenhängende Gebiet 18(I) setzt sich (soweit in Fig. 2 dargestellt) aus einem Inskin-Bereich 15(II) und einem Downskin-Bereich 14(II) zusammen. Der Downskin-Bereich 14(n) jst von jgpn inskin-Bereich 15(II) durch eine Grenzfläche 19 mit Grenzflächenabschnitten getrennt, wobei in der Fig. 2 beispielhaft ein Grenzflächenabschnitt 27a, der sich etwa über den Längsbereich des Downskin-Vektors 2' erstreckt, und ein Grenzflächenabschnitt 27b, der sich etwa über den Längsbereich des Downskin-Vektors 14' erstreckt, bezeichnet sind. Nach außen ist der Downskin-Bereich 14(II) durch eine Kontur 20(I) begrenzt. Bei der Planung der Verfestigung des zusammenhängenden Gebiets 18(I) werden für den Inskin-Bereich 15(II) Inskin-Vektoren festgelegt, wobei in der Fig. 2 beispielhaft die Inskin-Vektoren 1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13' gekennzeichnet sind. Durch die Inskin-Vektoren 1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13' wird die Bewegung des Hochenergiestrahls 6 während des Belichtungsvorgangs in dem Inskin- Bereich 15(II) bestimmt. Entsprechend werden für Downskin-Bereich 14(II) Downskin-Vektoren festgelegt, von denen in der Fig. 2 beispielhaft die Downskin-Vektoren 2', 5', 8', 11', 14' gekennzeichnet sind. Die Downskin-Vektoren 2', 5', 8', 11', 14' dienen dazu, die Bewegung des Hochenergiestrahls 6 während des Belichtungsvorgangs in dem Downskin-Bereich 14(II) festzulegen. Man beachte, dass hier die Downskin-Vektoren 2', 5', 8', 11', 14' jeweils an radial auswärts gerichteten Markierungslinien in Fig. 2 beginnen und enden.
Für den Inskin-Bereich 15(II) ist somit ein Inskin-Muster 21 bestimmt, das die Inskin-Vektoren 1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13' umfasst und insbesondere die Positionen, Längen und/oder Ausrichtungen der Vektoren festlegt. Entsprechend ist auch für den Downskin-Bereich 14(II) ein Downskin-Muster 22 bestimmt, das die Downskin-Vektoren 2', 5', 8', 11', 14' umfasst und insbesondere die Positionen, Längen und/oder Ausrichtungen festlegt. Das Inskin-Muster 21 und das Downskin-Muster 22 werden bei der Planung unabhängig voneinander gewählt. Dies ist hier insbesondere daran zu erkennen, dass die Inskin-Vektoren 1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13' schräg zu den Downskin-Vektoren 2', 5', 8', 11', 14' verlaufen.
Die Fig. 2 illustriert einen Belichtungsvorgang des zusammenhängenden Gebiets 18(I) ab einem Zeitpunkt, zu dem die Inskin-Vektoren (nicht nummeriert) oberhalb von dem mit 1' gekennzeichneten Inskin-Vektor bereits bearbeitet sind. In der Bearbeitungsreihenfolge der Vektoren 1' - 13', die im Rahmen der erfindungsgemäßen Planung festgelegt wurde, werden die Vektoren 1' - 13' entsprechend ihrer Nummer aufsteigend abgearbeitet. In der Bearbeitungsreihenfolge werden mehrere Inskin-Vektorblöcke und Downskin-Vektorblöcke eingeführt, wobei in der Fig. 2 beispielhaft die Inskin- Vektorblöcke 23a, 23b und die Downskin-Vektorblöcke 24a, 24b gezeigt sind (vgl. gestrichelte Rahmen). Die Inskin-Vektorblöcke 23a und 23b umfassen jeweils zwei Inskin-Vektoren, in der Fig. 2 beispielhaft 3', 4' und 6', 7', wohingegen die Downskin-Vektorblöcke 24a und 24b jeweils einen Downskin-Vektor, in der Fig. 2 beispielhaft 2' und 14', aufweisen. Die Inskin-Vektoren 1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13' bzw. Downskin-Vektoren 2', 5', 8', 11', 14' werden in ihren jeweiligen Vektorblöcken 23a, 23b bzw. 24a, 24b im Rahmen der Verfestigung des zusammenhängenden Gebiets 18(I) aufeinanderfolgend abgearbeitet.
In der Bearbeitungsreihenfolge wird zur abwechselnden Belichtung des Inskin- Bereichs 15(II) und des Downskin-Bereichs 14(II) nun zunächst der Inskin-Vektor 1' bearbeitet. Anschließend wird der Downskin-Vektor 2' in dem Downskin-Vek- torblock 24a bearbeitet. Danach werden die Inskin-Vektoren 3' und 4' in dem Inskin-Vektorblock 23a abgearbeitet, wobei der Hochenergiestrahl 6 auf dem Inskin-Vektor 3' von dem Downskin-Bereich 14(II) entfernt und anschließend auf dem Inskin-Vektor 4' wieder an den Downskin-Bereich 14(II) herangeführt wird. Dann wird der Downskin-Vektor 5' bearbeitet. Anschließend werden die Inskin- Vektoren 6' und 7' in dem Inskin-Vektorblock 23b abgearbeitet. Es schließt sich nun der Downskin-Vektor 8' an. Hierauf werden die Inskin-Vektoren 9' und 10' bearbeitet. Daraufhin folgt die Abarbeitung des Downskin-Vektors 11', der der Kontur 20(I) am nächsten liegt. Anschließend werden die Inskin-Vektoren 12' und 13' bearbeitet. Es folgt die Abarbeitung des Downskin-Vektors 14' in dem Downskin-Vektorblock 24b.
Die Downskin-Vektoren 2', 5', 8', 11' werden (im Wechsel mit Inskin-Vektorblö- cken, u.a. 23a und 23b) nacheinander gefertigt, sodass von innen nach außen Material an den Grenzflächenabschnitt 27a angeschmolzen wird.
Dadurch, dass die Inskin-Vektoren 1', 3', 4', 6', 7', 9' und 10' abgearbeitet wurden, bevor der Downskin-Vektor 14' begonnen wird, kann mit dem Downskin- Vektor 14' Material an den Grenzflächenabschnitt 27b angeschmolzen werden, wobei der Grenzflächenabschnitt 27b schon verfestigt war.
Um die Verfahrwege des Hochenergiestrahls 6 (vgl. Fig. 1) minimieren zu können, sind die Inskin-Vektoren 1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13' hier so gewählt, dass in einem Inskin-Vektorblock, zum Beispiel in dem Inskin-Vektorblock 23a, ein Startpunkt 25 eines (in der Abfolge der Bearbeitung) ersten Inskin-Vektors, hier beispielhaft 3', in der Nähe eines Endpunkts 26 eines letzten Inskin-Vektors, hier beispielhaft 4', in dem betreffenden Inskin-Vektorblock 23a liegt. Außerdem liegt der Startpunkt 25 des ersten Inskin-Vektors 3' hier benachbart zu der Grenzfläche 19 zwischen dem zugehörigen Inskin-Bereich 15(II) des Inskin-Vek- torblocks 23a und dem Downskin-Bereich 14(II), um einen raschen Wechsel des Hochenergiestrahls 6 (vgl. Fig. 1) aus dem Downskin-Bereich 14(II) zu dem Inskin-Vektorblock 23a zu ermöglichen. Hierbei führt der erste Inskin-Vektor 3' vom Startpunkt 25 aus von dem benachbarten Downskin-Bereich 14(II) weg, wohingegen der letzte Inskin-Vektor 4' zu dem benachbarten Downskin-Bereich 14(n) zurück führt, wodurch der Hochenergiestrahl 6 nach der Bearbeitung des Inskin-Vektorblocks 23a schnell wieder zu dem Downskin-Bereich 14(II) zurückgeführt werden kann. Der erste und der letzte Inskin-Vektor 3', 4' sind zu einer effektiven Führung des Hochenergiestrahls 6 antiparallel, haben also eine alternierend gegenläufige Verlaufsrichtung.
Um das zusammenhängende Gebiet 18(I) bei der Belichtung jeweils nur lokal beschränkt zu erhitzen, werden die Vektorblöcke 23a, 23b, 24a, 24b vorzugsweise derart festgelegt, dass bei jeweils zwei in der Vektorblock-Abfolge aufeinander folgenden Vektorblöcken 24a, 23b ein jeweiliger Endpunkt, hier beispielhaft ein Endpunkt 28 des letzten Vektors 2' des früheren Vektorblocks 24a räumlich be- abstandet ist von einem Startpunkt des späteren Vektorblocks, hier beispielhaft der Startpunkt 25 des ersten Vektors 3' des späteren Vektorblocks 23b.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein zweites Beispiel des zusammenhängenden Gebiets 18(II) der zu bearbeitendenden Schicht 7 (vgl. Fig. 1). Das in der Fig. 3 gezeigte zusammenhängende Gebiet 18(II) ist aus einem Inskin-Bereich 15(III) und einem ersten Downskin-Bereich 14(III) sowie einem zweiten Downskin-Bereich 14(IV) zusammengesetzt, die an den Inskin-Bereich 15(III) angrenzen, wobei der Inskin-Bereich 15(III) hier zwischen den beiden Downskin-Be- reichen 14(III), 14(IV) liegt.
Zur Führung des Hochenergiestrahls 6 (siehe Fig. 1) werden wiederum in dem Inskin-Bereich 15(III) Inskin-Vektoren definiert, von denen einige beispielhaft mit 1", 2", 4", 5", 8" bezeichnet sind, und in den Downskin-Bereichen werden Downskin-Vektoren definiert, von denen einige beispielhaft mit 3", 6'', 7'', 12'' und 9'', 10'', 11'' bezeichnet sind. Bei diesem zweiten Beispiel verlaufen einige der Downskin-Vektoren (beispielhaft die Downskin-Vektoren 3", 6") antiparallel zueinander, um eine effektive Führung des Hochenergiestrahls 6 (vgl. Fig. 1) zu ermöglichen. Dabei sind die Downskin-Vektoren 3'', 6'', 7", 12'' und 9", 10'', 11'' schräg oder senkrecht zu den Inskin-Vektoren 1'', 2", 4'', 5", 8'' ausgerichtet, wodurch die Downskin-Vektoren 3'', 6'', 7'', 12'' und 9'', 10'', 11" insbesondere unabhängig von den Inskin-Vektoren 1", 2", 4", 5", 8" gewählt sind.
Die Inskin-Vektoren sind zu Inskin-Vektorblöcken zusammengefasst, wobei hier beispielhaft Inskin-Vektorblöcke 23c und 23d für die Inskin-Vektoren 1", 2", und 4", 5" gezeigt sind. Entsprechend werden die Downskin-Vektoren zu Downskin-Vektorblöcken zusammengefasst, von denen hier beispielhaft ein Downskin-Vektorblock 24c für den Downskin-Vektor 3" gezeigt ist. Dabei werden die Inskin-Vektorblöcke und die Downskin-Vektorblöcke in einer Vektorblock-Abfolge abwechselnd abgearbeitet (nicht näher illustriert, insbesondere entspricht die Nummerierung der Vektoren hier nur teilweise der Bearbeitungsreihenfolge). Die Downskin-Bereiche 14(III), 14(IV) und der Inskin-Bereich 15(III) sind zusammen von einer Kontur 20(II) umrandet.
Fig. 4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die zweite Ausführungsform des zusammenhängenden Gebiets 18(II), wobei nur die der Kontur 20(II) am nächsten liegenden Inskin-Vektoren 1", 8" und Downskin-Vektoren 6", 7", 9", 10", 11" 12", gezeigt sind. Diese Inskin-Vektoren 1", 8" und Downskin-Vektoren 6", 7", 9", 10", 11", 12" können verwendet werden, um in einer durch diese Vektoren definierten Konturfahrt die Kontur 20(II) des zusammenhängenden Gebiets 18(II) aufzuschmelzen, gegebenenfalls nochmals, nachdem diese Vektoren schon bei der Belichtung des zusammenhängenden Gebiets 18(II) abgearbeitet wurden.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein drittes Beispiel eines zusammenhängenden Gebiets 18(III) der zu bearbeitendenden Schicht 7. Das in der Fig. 5 gezeigte rechteckige zusammenhängende Gebiet 18(III) ist aus einem Inskin-Be- reich 15(IV) und einem ersten Downskin-Bereich 14(V) sowie einem zweiten Downskin-Bereich 14(VI) zusammengesetzt, wobei die Downskin-Bereiche 14(V) , 14(VI) hier an gegenüberliegenden Ecken des Zusammenhängen Gebiets 18(III) ausgebildet sind.
Die Downskin-Vektoren, von denen in der Fig. 5 beispielhaft einige mit 3"', 4"', 7"' und 8"' gekennzeichnet sind, sind in den jeweiligen Downskin-Bereichen 14(V), 14(VI) parallel zueinander und schräg zu einer Kontur 20(III) des zusammenhängenden Gebiets 18(III) ausgerichtet, wobei jeweils zwei Downskin-Vektoren, zum Beispiel die Downskin-Vektoren 3"', 4'" bzw. 7"', 8"' zu einem Downskin-Vektorblock zusammengefasst sind, hier beispielhaft die Downskin- Vektorblöcke 24d und 24e. Dabei weisen die Downskin-Vektoren 3"', 4'", 7'" und 8"' zu der Kontur 20(III) des zusammenhängenden Gebiets 18(III) hin, sodass der Hochenergiestrahl 6 (vgl. Fig. 1) bei der Belichtung des jeweiligen Downskin- Bereichs 14(V), 14(VI) von dem Inneren des zusammenhängenden Gebiets 18(III) zu der Kontur 20(III) geführt wird, um die mechanische Stabilität zu verbessern und einen besseren Wärmeabfluss während der Belichtung der Downskin-Vektoren 3"', 4'", 7'" und 8"' zu ermöglichen. Die Inskin-Vektoren, von denen in der Fig. 5 beispielhaft einige mit 1"', 2"', 5"' und 6"' bezeichnet sind, sind in jeweiligen Inskin-Vektorblöcken 23e, 23f antiparallel ausgerichtet, was eine effiziente Führung des Hochenergiestrahls 6 (vgl. Fig. 1) gestattet.
In der Abarbeitungsreihenfolge werden für eine abwechselnde Belichtung des
Inskin-Bereichs 15(IV) und des Downskin-Bereichs 14(V) beispielhaft zunächst die Inskin-Vektoren 1"' und 2"' in dem Inskin-Vektorblock 23e bearbeitet. Anschließend werden die Downskin-Vektoren 3"', 4'" in dem Downskin-Vektorblock 24d abgearbeitet. Es folgt die Bearbeitung der Inskin-Vektoren 5"', 6'" in dem Inskin- Vektorblock 23f. Danach werden die Downskin-Vektoren 7"', 8'" in dem Downskin-Vektorblock 24e abgearbeitet.
Fig. 6 zeigt schematisch eine Draufsicht auf das dritte Beispiel des zusammenhängenden Gebiets 18(III), wobei in dem Inskin-Bereich 15(IV) bzw. den Downskin-Bereichen 14(V) , 14(VI) Downskin-Vektoren 9"' , 10"' sowie 13"' , 14"' und Inskin-Vektoren 11"' , 12"' sowie 15"', 16"' parallel und benachbart zu der Kontur 20(III) des zusammenhängenden Gebiets 18(III) verlaufen. Diese Vektoren sind zusätzlich zu den in Fig. 5 gezeigten Vektoren in dem zusammenhängenden Gebiet 18(III) vorgesehen. Der Hochenergiestrahl 6 kann an den in der Fig. 6 gezeigten Downskin-Vektoren 9"', 10"' sowie 13"' , 14"' und Inskin-Vektoren 11"' , 12"' sowie 15'", 16"' entlang geführt werden, um eine Konturfahrt durchzuführen und die Kontur 20(III) des zusammenhängenden Gebiets 18(III) aufzuschmelzen. Diese Konturfahrt erfolgt typischerweise abschließend, nach Abarbeitung der in Fig. 5 schematisch gezeigten Vektoren. Die Abarbeitung der Vektoren 9"' bis 16'" erfolgt hier in aufsteigender Reihenfolge ihrer Nummer.
Bezuaszeichenliste
1 3D-Druckmaschine
2 dreidimensionalen Objekt
3 Hubtisch
3a Substrat
4 Fertigungskammer
5a-5c Pulverschichten
6 Hochenergiestrahl
7 zu bearbeitende Schicht
8 Pulver
9 geplante Begrenzung in der zu bearbeitenden Schicht
10 Steuerungseinrichtung
11 Computerprogrammprodukt
11a Computerprogrammprodukt
12a-12b Downskin-Bereiche der Schichten 5b, 5c
13a-13b Inskin-Bereiche der Schichten 5b, 5c
14(I) (VI) Downskin-Bereich der zu bearbeitenden Schicht
15(I) (IV) Inskin-Bereich der zu bearbeitenden Schicht
16 Strahlquelle
17 Spiegel
18(I) (III) zusammenhängendes Gebiet
19 Grenzfläche
20(I)-(III) Kontur
21 Inskin-Muster
22 Downskin-Muster
23a-23f Inskin-Vektorblöcke
24a-24e Downskin-Vektorblöcke
25 Startpunkt eines ersten Inskin-Vektors
26 Endpunkt eines letzten Inskin-Vektors
27a, 27b Grenzflächenabschnitte
28 Endpunkt des letzten Vektors des früheren Vektorblocks
29 Planungseinrichtung 1' Inskin-Vektor
2' Downskin-Vektor
3' - 4' Inskin-Vektor
5' Downskin-Vektor
6' - 7' Inskin-Vektor
8' Downskin-Vektor
9' - 10' Inskin-Vektor
11' Downskin-Vektor
12' - 13' Inskin-Vektor
14' Downskin-Vektor
1'' - 2" Inskin-Vektor
3" Downskin-Vektor
4" - 5" Inskin-Vektor
6" Downskin-Vektor
7" Downskin-Vektor
8" Inskin-Vektor
9'' - 12" Downskin-Vektor
Inskin-Vektor
3'" - 4'" Downskin-Vektor
5'" - 6'" Inskin-Vektor
7'" - 10'" Downskin-Vektor
11'" - 12'" Inskin-Vektor
13'" - 14'" Downskin-Vektor
15'" - 16'" Inskin-Vektor

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Planung der lokalen Verfestigung einer Schicht (5a, 5b, 5c, 7) pulverförmigen Materials mit einem Hochenergiestrahl (6) bei der schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts (2), mit folgenden Schritten:
Schritt a): in einem zusammenhängenden Gebiet der Schicht (7), in welchem eine Verfestigung des pulverförmigen Materials mit dem Hochenergiestrahl stattfinden soll, wird wenigstens ein Inskin-Bereich (15(I)_(IV)) und wenigstens ein Downskin-Bereich (14(I)_(VI)) bestimmt, Schritt b): für jeden Inskin-Bereich (15(I) (IV)) wird ein Inskin-Muster (21) festgelegt, welches in dem Inskin-Bereich (15(I) (IV)) den geometrischen Verlauf einer Vielzahl von Inskin-Vektoren (1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13'; 1'', 2", 4'', 5'', 8''; 1''', 2''', 5''', 6"') für den Hochenergiestrahl (6) festlegt, und für jeden Downskin-Bereich (14(I) (VI)) wird ein Downskin- Muster (22) festgelegt, welches in dem Downskin-Bereich (14(I) (VI)) den geometrischen Verlauf einer Vielzahl von Downskin-Vektoren (2', 5', 8', 11', 14'; 3", 6'', 7", 9'', 10'', 11'', 12''; 3''', 4''', 7''', 8''') für den Hochenergiestrahl festlegt, wobei die Festlegung des oder der Inskin-Muster (21) innerhalb des wenigstens einen Inskin-Bereichs (15(I) (IV)) unabhängig von der Festlegung des oder der Downskin-Muster (22) innerhalb des wenigstens einen Downskin-Bereichs (14(I) (VI)) erfolgt;
Schritt c): Eine Bearbeitungsreihenfolge aller Inskin-Vektoren (1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13'; 1'', 2'', 4'', 5'', 8''; 1''', 2''', 5''', 6''') und Downskin- Vektoren (2', 5', 8', 11', 14'; 3'', 6'', 7'', 9'', 10'', 11'', 12''; 3''', 4''', 7''', 8"') wird festgelegt, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) eine Vielzahl von Inskin-Vektorblöcken (23a, 23b, 23c, 23d) und eine Vielzahl von Downskin-Vektorblöcken (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) festgelegt werden, wobei ein jeweiliger Inskin-Vektorblock (23a, 23b, 23c, 23d, 23e, 23f) einen oder mehrere der Inskin-Vektoren (1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13';
1", 2", 4", 5'', 8''; 1"', 2"', 5'", 6'") umfasst, die aufeinanderfolgend abgearbeitet werden sollen, und ein jeweiliger Downskin-Vektorblock (24a - 24e) einen oder mehrere der Downskin-Vektoren (2', 5', 8', 11', 14'; 3'', 6'', 7'', 9'', 10'', 11'', 12''; 3''', 4''', 7''', 8''') umfasst, die aufeinanderfolgend abgearbeitet werden sollen, und wobei eine Vektorblock-Abfolge der Bearbeitung der Inskin-Vektorblö- cke (23a - 23f) und der Downskin-Vektorblöcke (24a - 24e), im folgenden zusammenfassend Vektorblöcke genannt, festgelegt wird, in welcher sich Inskin-Vektorblöcke (23a - 23f) und Downskin-Vektorblöcke (24a - 24e) abwechseln. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Vektorblöcke (23a - 23f; 24a - 24e) so festgelegt werden, dass zumindest überwiegend bei jeweils zwei aufeinander folgenden Vektorblöcken (23a - 23f; 24a - 24e) in der Vektorblock-Abfolge ein jeweiliger Endpunkt (28) des letzten Vektors (2') des früheren Vektorblocks (24a) in der Schicht (7) räumlich beabstandet ist von einem Startpunkt (25) des ersten Vektors (3') des späteren Vektorblocks (23a). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Vektorblöcke (23a - 23f; 24a - 24e) so festgelegt werden, dass zumindest überwiegend bei jeweils zwei aufeinander folgenden Vektorblöcken (23a - 23f; 24a - 24e) in der Vektorblock-Abfolge die Verlaufsrichtung eines letzten Vektors (2') des früheren Vektorblocks (24a) in der Schicht (7) schräg zu einer Verlaufsrichtung des ersten Vektors (3') des späteren Vektorblocks (24a) liegt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Inskin-Vektoren (1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13'; 1", 2'', 4", 5'', 8''; 1"', 2"', 5''', 6''') und die Downskin-Vektoren (2', 5', 8', 11', 14'; 3'', 6", 7", 9'', 10", 11", 12"; 3"', 4"', 7"', 8"') so festgelegt werden, dass zumindest überwiegend die Inskin-Vektoren (1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13'; 1", 2", 4", 5", 8"; 1"', 2"', 5"', 6"') schräg zu den Downskin-Vektoren (2', 5', 8', 11', 14'; 3", 6", 7", 9", 10", 11", 12"; 3"', 4"', 7"', 8"') verlaufen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei einer Mehrzahl der Inskin-Blöcke (23a - 23f) für den jeweiligen Inskin-Vektorblock (23a - 23f)
- der Inskin-Vektorblock (23a - 23f) zumindest einen ersten Inskin-Vek- tor (3', 6'; 1", 4"; 1'", 5'") und einen letzten Inskin-Vektor (4', 7'; 2", 5"; 2"', 6"') enthält,
- und die enthaltenen Inskin-Vektoren (1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13'; 1", 2", 4", 5", 8"; 1"', 2"', 5"', 6"') so gewählt sind, dass ein Startpunkt (25) des ersten Inskin-Vektors (3', 6'; 1", 4"; 1"', 5'") in der Nähe des Endpunkts (26) des letzten Inskin-Vektors (4', 7'; 2", 5"; 2"', 6"') liegt, insbesondere wobei dieser Startpunkt (25) und dieser Endpunkt (26) einen Abstand aufweisen,
- der kleiner ist als 1/4 der Länge des längsten Inskin-Vektors (1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13'; 1", 2", 4", 5", 8"; 1"', 2"', 5"', 6"') des Inskin-Vek- torblocks (23a - 23f), bevorzugt kleiner als 1/10 der Länge des längstens Inskin-Vektors (1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13'; 1", 2", 4", 5", 8"; 1"', 2"', 5'", 6'") des Inskin-Vektorblocks (23a - 23f), und/oder
- der kleiner ist als ein 25facher Hatchabstand im Inskin-Vektorblock (23a
- 23f), bevorzugt kleiner als ein lOfacher Hatchabstand im Inskin-Vektorblock (23a - 23f), und/oder
- der kleiner ist als 2,5 mm, bevorzugt kleiner ist als 1,0 mm. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Startpunkt (25) des ersten Inskin-Vektors (3', 6'; 1", 4"; 1"', 5"') benachbart zu einer Grenzfläche (19) zwischen dem zugehörigen Inskin-Bereich (15(I) (IV)) des Inskin-Vektorblocks (23a - 23f) zu einem benachbarten Downskin-Bereich Hegt, und dass der erste Inskin-Vektor (3', 6'; 1", 4"; 1"', 5'") vom Startpunkt (25) aus von dem benachbarten Downskin-Bereich (14(I)_ (VI)) wegführt, und der letzte Inskin-Vektor (4', 7'; 2", 5"; 2'", 6'") zu dem benachbarten Downskin-Bereich (14(I) (VI)) zurück führt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei einer Mehrzahl der Inskin-Blöcke (23a - 23f) ein jeweiliger Inskin-Block (23a - 23f) durch eine gerade Anzahl, insbesondere zwei, vier oder sechs, nebeneinander liegender Inskin-Vektoren (1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13'; 1'', 2'', 4'', 5'', 8"; 1'", 2''', 5''', 6''') gebildet wird, die eine alternierend gegenläufige Verlaufsrichtung haben, insbesondere wobei die Inskin-Vektoren (1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13'; 1", 2", 4", 5", 8"; 1"', 2"', 5"', 6"') zueinander parallel verlaufen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei einigen der Downskin-Vektoren
(2', 5', 8', 11', 14'; 3'', 6", 7'', 9", 10", 11", 12"; 3"', 4"', 7"', 8"') der Verlauf des jeweiligen Downskin-Vektors (2', 5', 8', 11', 14'; 3", 6", 7", 9", 10", 11", 12"; 3"', 4"', 7"', 8"') dem Verlauf einer benachbarten Kontur (20(I) (III)), insbesondere äußeren Kontur (20(I) (III)), des zugehörigen Downskin-Bereichs (14(I) (VI)) folgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Inskin-Vektorblöcke (23a - 23f) und die Downskin-Vektorblöcke (24a - 24e) so festgelegt werden, dass an einem jeweiligen Grenzflächenabschnitt (27a, 27b) zwischen einem Inskin-Be- reich (15(I) (IV)) und einem Downskin-Bereich (14(I) (VI)) zunächst alle Inskin-Vektoren (1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13'; 1", 2", 4", 5", 8"; 1"', 2'", 5'", 6'''), die zumindest teilweise an oder nahe an diesem Grenzflächenabschnitt (27a, 27b) liegen, abgearbeitet werden, und danach alle Downskin-Vektoren (2', 5', 8', 11', 14'; 3'', 6", 7'', 9", 10'', 11'', 12"; 3'", 4'", 7'", 8'") die zumindest teilweise an oder nahe an diesem Grenzflächenabschnitt (27a, 27b) liegen, abgearbeitet werden. . Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise näher an dem Grenzflächenabschnitt (27a, 27b) liegende Downskin-Vektoren (2', 5', 8', 11', 14'; 3", 6", 7", 9", 10", 11", 12"; 3'", 4'", 7'", 8'") zeitlich vor weiter von dem Grenzflächenabschnitt (27a, 27b) weg liegenden Downskin-Vektoren (2', 5', 8', 11', 14'; 3", 6", 7", 9", 10", 11", 12"; 3'", 4'", 7'", 8'") abgearbeitet werden. . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass im Rahmen von Schritt c) weiterhin zumindest zwischen einigen aufeinanderfolgenden Vektorblöcken (23a - 23f; 24a - 24e) der Vektorblock-Abfolge weiterhin Wartezeiten festgelegt werden, in denen die Bearbeitung mit dem Hochenergiestrahl (6) pausieren soll.
. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige Inskin-Vektorblöcke (23a - 23f), die in der Vektorblock-Abfolge im Wechsel mit Downskin-Vektorblöcken (24a - 24e) aufeinanderfolgen, zueinander benachbart in dem zugehörigen Inskin-Bereich (15(IHIV)) angeordnet sind, und/oder dass zumindest einige Downskin-Vektorblöcke (24a-24e), die in der Vektorblock-Abfolge im Wechsel mit Inskin-Vektorblöcken (23a - 23f) aufeinanderfolgen, zueinander benachbart in dem zugehörigen Downskin-Be- reich (14(I) (VI)) angeordnet sind. . Computerprogrammprodukt (11, 11a), welches bei Anwendung auf einer Steuerungseinrichtung (10) einer 3D-Druckmaschine (1) oder einer Planungseinrichtung (29) ausgeführt wird, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausführt. . Steuerungseinrichtung (10) einer 3D-Druckmaschine oder Planungseinrichtung (29), programmiert zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
. Verfahren zur schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts (2), wobei aufeinanderfolgend in Schichten (5a - 5c, 7) jeweils eine lokale Verfestigung eines pulverförmigen Materials (8) mit einem Hochenergiestrahl (6) erfolgt, wobei für zumindest einige der Schichten (5a - 5c, 7) jeweils
- (Schritt alpha) eine Planung der lokalen Verfestigung in der Schicht (5a - 5c, 7) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 erfolgt, und
- (Schritt beta) die lokale Verfestigung der Schicht (5a - 5c, 7) entsprechend der Planung gemäß Schritt alpha durchgeführt wird, indem mit dem Hochenergiestrahl (6) die in Schritt b) festgelegten Inskin-Vektoren (1', 3', 4', 6', 7', 9', 10', 12', 13'; 1'', 2'', 4'', 5'', 8''; 1"', 2"', 5'", 6''') und Downskin-Vektoren (2', 5', 8', 11', 14'; 3", 6", 7'', 9", 10'', 11'', 12"; 3'", 4'", 7'", 8'") in der gemäß Schritt c) der Planung für diese Schicht (5a - 5c, 7) festgelegten Reihenfolge abgearbeitet werden. 3D-Druckmaschine (1) mit einer Steuerungseinrichtung (10), wobei die Steuerungseinrichtung (10) programmiert ist, ein Verfahren nach Anspruch 15 auf der 3D-Druckmaschine (1) auszuführen.
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