WO2010003883A2 - Verfahren zum schichtweisen herstellen stark geneigter flächen - Google Patents

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WO2010003883A2
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Carsten Vagt
Ralf Wehning
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Bego Medical Gmbh
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a process for the layered production of a product, comprising the steps of: (a) applying a layer of a curable material, (b) selectively curing predetermined regions of the applied layer based on geometric data of the product, (c) repeating the steps (a ) and (b) until the geometry of the product has been prepared as a cured material, (d) removing the uncured material.
  • the invention relates to a device for producing a product by layered construction, comprising means for applying a layer of a curable material and means for selectively curing predetermined areas of the applied layer based on geometric data of the product.
  • Methods and devices for producing a product by layered construction are described, for example, by DE 299 24 924 U1, EP 1 021 997 B1, DE 102 19 983 B4, DE 103 20 085 A1, EP 1 464 298 B1, WO 2005/080029 A1, EP 1 568 472 B1 and DE 10 2005 050 665 A1.
  • Methods of this type enable efficient production of geometrically complex products.
  • Such processes can be carried out, for example, with a powdery or otherwise pourable material, which can preferably be hardened by a physical bonding process, for example a fusion or sintering, and in this way can produce a loadable, three-dimensional structure.
  • Preferred methods are, for example, selective laser sintering (SLS) or selective laser melting (SLM).
  • the method mentioned at the outset is also used, for example, for highly loaded products with complex geometries, such as those used, for example, as dental prostheses, implants or dental auxiliary parts in dental technology.
  • the method of selective laser melting (SLM) is preferably used for the layered structure.
  • DE 103 20 085 A1 provides a method in which, depending on the sequence of the sintering or melting process, its boundary conditions, namely the energy density of the laser beam and / or its deflection speed and / or the track pitch and / or the strip width ( perpendicular to the track direction) are changed automatically.
  • the energy input at any time automatically adapts to the need for heat of fusion, which can be predetermined to achieve the desired density of the finished product.
  • the laser beam is controlled such that the energy is coupled in several steps in the material or the material to be cured.
  • an energy coupling takes place at a specific position of the material layer until the corresponding region of the material layer has been heated at this position to a temperature just below the melting point.
  • the laser beam then heats this area above the melting temperature, thereby fusing the material with the underlying layer.
  • the solution according to EP 1568472 B1 thus provides that each position is irradiated several times to produce the product. By such alternating irradiation, temperature equalizing operations can be performed after one irradiation process is temporarily stopped and another irradiation process is started. The danger of explosive evaporation of small material particles is considerably reduced by the fact that the beam is directed to a different position after a short time.
  • WO 2005/080029 A1 also pursues the aim of improving the product quality and dimensional stability of the surface, in particular of thin-walled products, by adapting the wall thicknesses in such a way that the desired outer contours of the product can be produced as precisely as possible in the layered structure.
  • WO 2005/080029 A1 discloses a method of the aforementioned type in which a compensation data set and / or a compensation function is determined and linked to the data set of the product target geometry, in order to generate a control data record by means of which a high-energy beam during sintering and / or or melting is performed.
  • the thickness of the product to be produced is reduced in a plane perpendicular to a plane tangent to the outer surface of the product. This is intended to reduce the effect of spherical irregularities observed when a newly applied layer extends into a region below which no portion of the product to be formed is located.
  • the mentioned methods are inadequate and can be further improved with regard to the quality of the products, in particular with regard to defects in the cured material.
  • the surface quality of the products produced in particular in the areas with complex geometries and different surface configurations in successive layers, can be further improved.
  • the complex control of the existing methods can also be further simplified.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus with which / the quality of manufacture of layered products can be improved in a variety of geometries.
  • the invention is based on the finding that, during curing, for example during laser melting, the area to be cured is heated above the melting point of the material and a temperature compensation takes place via the previously hardened layer underneath, so that, for example, the occurrence of local temperature peaks leading to Evaporation of the material and thus could lead to defects in the product, avoided or reduced.
  • a temperature compensation is not or only possible with difficulty. Especially in these areas, therefore, there are difficulties to achieve optimal temperature control, so there is a risk of malformations in the product to be produced.
  • the solution according to the invention deviates from the desired product contour in a layered manner in a targeted and predetermined manner by providing an SLM in areas in which quality problems, especially with regard to the correct curing of the material or dimensional inaccuracies, can occur Manufacture contour is produced.
  • the SLM manufacturing contour is the sum of the product contour and a predetermined oversize markup.
  • an excess allowance is to be understood as meaning a volume of material which is applied as a production aid to the material volume of the actual product and must be removed again in a subsequent step in order to complete the product.
  • the areas to be cured in the corresponding layers are increased such that a re-hardened layer each extends only by a certain extent beyond the underlying, previously prepared layer addition.
  • the predetermined oversize impact prevents the angle between the axis perpendicular to the layers and the individual surface portions of the SLM manufacturing contours from exceeding a predetermined value such that malformations, such as only partially cured product areas, molten spheres, voids, etc., are caused by the occurrence of localized False temperatures, especially overheating, are avoided.
  • the predetermined value which the angle between the axis perpendicular to the layers and the individual surface portions of the product contours should not exceed is dependent on powder grain size, melting temperature, heat capacity and conductivity, and is of a grain size CoCr powder used for the production of dental parts 25 ⁇ m for example at about 45 °.
  • the oversize impact may be wedge-shaped, for example, in cross-section, since a product section with a sharply inclined surface can be produced towards a less inclined SLM production contour (or vice versa).
  • the angle of the wedge-shaped oversize impact between the product contour and the SLM production contour will be greater, depending stronger the product contour is inclined. This results in a cross-section usually widening shape of the oversize impact, which leads to a wedge shape.
  • the product contours are predominantly not rectilinear but, for example, irregular or arcuate, so that the wedge shape of the cross section of the oversize impact to be predetermined also has correspondingly irregular or arcuate contours.
  • a product portion to be over-inflated according to the invention is preferably a three-dimensional part of the product which comprises a part of the outer surface of the product.
  • a product section may be an arbitrarily shaped contiguous part of the outer surface of the product, a strip of product approximately horizontally oriented or wedge-shaped, or an annular region of the product running at a certain height of the product in the manufacturing state.
  • the excess is produced as overhang angle or minimum wall thickness in the contour outlet.
  • Product sections which are advantageously to be provided with an oversize are, for example, functional surfaces, fitting surfaces or overhangs.
  • a product may have a plurality of product sections, which according to the invention are each provided with an oversize impact, ie a product may have several oversize impacts. If reference is made to an oversized impact in the following, the statements also apply mutatis mutandis to two or more oversize surcharges.
  • the method according to the invention has the advantage that the quality of the product produced, in particular in the areas in which the area size changes greatly over the height of the product, or the contour of product sections is greatly inclined, is considerably improved. By providing an excess impact in these areas, the temperature compensation can be improved, whereby malformations due to insufficient temperature compensation, in particular overheating, can be reduced or avoided.
  • the layered production of the product can be further simplified because the requirements for the control of the temperature and thus the control of, for example, the energy input of a laser beam can be facilitated.
  • the invention is preferably further developed by the step of adjusting the geometric data of the product to selectively cure predetermined areas of the applied layer in accordance with the overcharge to be produced in a step preceding steps (a) to (d).
  • the geometric data of the product to be produced are known in advance.
  • these data are read before the start of the layered preparation, i. before applying the first layer of a curable material, then analyzing whether the product has product portions in which the angle between an axis perpendicular to the layers to be applied and at least a surface portion of a contour of the product exceeds a predetermined value.
  • the geometric data of the SLM production contour such that the angle between rule of the axes perpendicular to the layers and the outer surface in this section does not exceed the predetermined value.
  • the volume to be additionally hardened in the individual layers due to the oversized impact will be greater the more the product contour is inclined.
  • the area around which a layer to be newly hardened is intended to maximally extend beyond a previously produced layer above it is selected such that a sufficient temperature compensation is possible between the layer to be newly hardened and the previously produced layer underneath.
  • different inclinations can be realized. For example, in a CoCr powder of particle size 25 .mu.m used for the production of dental parts, the layer thickness is about 25-50 .mu.m. In product sections which exceed the permissible angle of inclination of the outer surface, a large number of layers are generally to be provided with an oversized impact.
  • the geometric data of the product are adapted such that they are optimized with regard to the layered production, for example with regard to minimum wall thicknesses, contour runouts or overhang angles.
  • the further development according to the invention has the advantage that malformations, such as, for example, only partially cured product areas, the process of layered application, selective curing and removal of the uncured material can be carried out as usual, since the geometry change has already occurred in advance.
  • the invention is further preferably developed by the step of removing the oversize mark, preferably by machining, in a subsequent step (e).
  • the product manufactured in layers with an excess allowance is freed from the oversized impact after the layered structure has been built up. In some applications, it may also be preferable to remove only one or more parts of the oversize impact.
  • the removal of the oversize impact is preferably carried out by machining, for example by milling, since in this case a high dimensional accuracy and surface quality corresponding to the product requirements can be ensured.
  • high-speed cutting which is characterized by high machining performance and surface quality, is preferred.
  • the inventive method preferably combines the advantages of the layered structure with those of the machining and on the one hand ensures that a high quality of the manufactured product can be achieved even in the critical product sections in the layered construction and on the other hand by the machining finishing a high surface area. quality and dimensional accuracy can be achieved.
  • the further development according to the invention thus has the advantage that the high surface quality, contour accuracy and dimensional accuracy made possible by the machining can be achieved even in the product sections which, due to their complex product geometry and / or different surface configurations in successive layers of the product geometry, have a layered structure Such high quality can not or can only be produced with great difficulty.
  • the method according to the invention is advantageously developed by the steps: Generating or providing geometric data of the product for removing the oversize mark, in particular geometric data of at least one surface portion of a desired product contour, in a step preceding the implementation of steps (a) to (d), and
  • these data are generated or provided before the start of the layered production of the product, ie before the application of the first layer to be cured.
  • this is done with or after fitting the geometric data of the product to selectively cure predetermined areas of the applied layer according to the overcharge to be produced according to claim 2.
  • data processing ie, for example, data generation, processing, adaptation, bundled and efficient.
  • the geometric data of the product for removing the oversized impact are transferred to a production facility, which serves to remove the oversized impact, in particular by machining, such as milling.
  • a production device may be, for example, a high-speed milling machine.
  • This transfer has the advantage that the data can be centrally generated, provided or adapted and merely transmitted to the production facility, which removes the oversized markup from the product, without this also having to be transferred. device must still take steps to generate or process data.
  • the product manufactured in layers with an oversized impact is likewise transferred to this production device, so that both the required geometrical data and the product produced in layers with the oversized impact are present to remove the oversize impact at the production facility.
  • the transfer of the product produced in layers with an excess impact occurs with the transfer of the geometric data. It may also be advantageous, depending on the particular applications, to transfer the product before or after the transfer of the geometric data.
  • the geometrical data and / or the product produced in layers with an oversized impact are provided with a referencing aid so that firstly the data can be unambiguously assigned to the product and vice versa, in particular also after the transfer of both the product and the data to the product Manufacturing device for removing the oversized impact, and on the other hand, the position of the product with respect to the manufacturing device is uniquely determined and thus the correct application of the data for removing the excess can be ensured on the product.
  • the referencing aid can be designed, for example, as metadata associated with the geometric data. Another possibility is, for example, to define a product surface as the reference surface or to provide notches or projections on the product.
  • Another aspect of the invention relates to a method of the type mentioned above or according to claim 1, which is characterized in that in one, two or more product sections in steps (a) and (b) an oversized impact is applied, as alignment and / or handling aid is formed.
  • a trained oversized impact can advantageously serve as a reference to uniquely determine the location or orientation of the product. This is particularly advantageous if, after the layered production, the product is subjected to one or more further processing steps, for example to remove excess impacts in other areas. Since the products to be produced in dental technology are usually individual, irregularly shaped individual parts, the determination of the orientation and position of the product for processing steps which follow the layered preparation, such as, for example, a subsequent machining, is of great importance.
  • An inventive overfeed impact which is designed as an alignment and / or handling aid, can advantageously continue to serve to facilitate the transport of the product between several successive processing stations by the alignment and / or handling aid has a gripping portion on which the product is simple and can be safely grasped or taken up. This has the advantage that during transport it is not necessary for the product itself to be touched with its possibly sensitive surfaces, but only for the oversize impact to be removed again later so that damage to the product by handling devices can be avoided.
  • an oversize impact as an alignment and / or handling aid in the layered structure of the product has the advantage that in this way a uniform and / or standardized section can be created, which is easier by uniform and / or standardized alignment and / or handling devices can be used as the individually different products themselves.
  • the oversized impact formed as an alignment and / or handling aid has an individualization aid.
  • Customization assistance can serve to uniquely identify the product, in particular during transport or in further processing steps, if For example, certain data can be assigned to a specific product.
  • the individualization aid can be designed, for example, as a notch or indentation sequence.
  • Another aspect of the invention relates to an apparatus for producing a product by layered construction comprising means for applying a layer of curable material and means for selectively curing predetermined areas of the applied layer based on geometrical data of the product, characterized by
  • Data processing means adapted to adjust the geometric data of the product to selectively cure predetermined regions of the coated layers prior to coating and curing the layers such that a product made from this data
  • the invention further relates to a device arrangement for producing a product by partial layered construction, comprising a device for the layered construction of a first partial volume of the product, comprising means for applying a layer of a curable material and means for selectively curing predetermined regions of the applied layer on the basis of geometric data of the product, characterized by a manufacturing device for removing an excess mark of the product.
  • the device arrangement according to the invention can be further formed according to claim 9.
  • a further aspect of the invention relates to the use of a device for the layered construction of a product for carrying out a method according to one of the preceding claims 1 to 6 or in a device arrangement according to one of the two preceding claims.
  • 1 shows schematically a section of a longitudinal section through a product to be produced in layers
  • 2 shows schematically a section of a longitudinal section of a product to be produced in layers, wherein the representation of the layers is enlarged and made exaggerated for clarification
  • FIG. 3 shows the section shown in FIG. 2 with an oversized impact
  • FIG. 4 shows a product to be produced by layered structure with an oversized impact designed as an alignment and / or handling aid.
  • a product 100 is shown with a product contour 100a, which is to be produced by layered structure.
  • the product 100 has a product portion 110 which is sharply inclined to an axis 150 perpendicular to the layers through which the product is built.
  • a measure of the inclination of the product portion 110 is the angle ⁇ between the vertical axis 150 and a tangent 11 of the contour 100a in the product portion 110.
  • the layered production of the product portion 1 10 is connected to the disadvantages mentioned above.
  • another product portion 120 has a much lower inclination, as indicated by the angle ⁇ between the vertical axis 150 and a tangent 121 of the product portion 120.
  • a product section 120 does not exhibit, or only to a small extent, the problems mentioned in the case of methods which are not according to the invention.
  • an oversize impact 130 is produced, which results in an angle ⁇ between the outer surface 140 and the vertical axis 150 in the section 110 which is smaller than the angle ⁇ and one in the contour to be produced by layered structure does not exceed the predetermined value.
  • This predetermined value is to be chosen so that a sufficient temperature compensation between the to be applied layer and the underlying, already cured layer is made possible, so that no malformations occur in the area to be cured.
  • the oversized impact extends beyond the product section 110.
  • FIG. 2 shows a product 200 to be produced by layered structure, in which likewise a section 210 is inclined to a vertical axis 250 to the layers such that the lateral projection D of the layers over the respectively preceding layer is so large that a temperature compensation in FIG these areas D is no longer adequately guaranteed.
  • the product contour of a product produced by layered construction proceeds in stages, each stage corresponding to a layer of cured material.
  • the illustration in Fig. 2 is not to scale and the steps are heavily coarsened. The contour or outer surface of the product is therefore considered as a smoothed line or surface over the steps.
  • the method according to the invention provides to reduce the regions D in which the layer to be newly cured in each case protrudes laterally beyond the previously cured layer.
  • an oversized impact 230 as shown in Fig. 3, produced.
  • it is first calculated in which areas an oversize impact is required and how the geometric data of the product are to be adapted in order to produce this oversize impact 230.
  • the result of this data adaptation provides that the individual layers are changed in their area, in particular enlarged.
  • These enlargements of the layers are shown in broken lines in FIG. Exemplary of three layers are the areas of the layers to be cured according to the product geometry with 260, which after the adaptation of the geometric data with oversize impact mark additional regions of the layers to be built up in layers with 270.
  • the first seven layers were not adjusted in their geometric data. Beginning with layer 8, the areas to be cured of the layers of curable material were successively enlarged, so that, according to the invention, lateral protrusions of the layers produced by the method according to the invention (for example, denoted by D 1 for three layers) are substantially smaller than the distances D shown in FIG. 2. This ensures that sufficient temperature compensation is ensured between the layer to be cured and the layer below it is.
  • the intermediate product thus produced is transferred to a production facility for removing the oversize impact, preferably by machining in a high-speed milling machine.
  • Data are also passed to the manufacturing facility which, together with the adaptation of the geometrical data, has been prepared prior to the layered production of the intermediate product defining the oversize to be removed so that by removing the oversize, a product having the desired product contours can be made.
  • FIG. 4 shows an intermediate product 300 to be produced by layer-by-layer construction with an oversized impact 390, which is designed as an alignment and / or handling aid.
  • the interference overrun 390 is generated by adjusting the geometrical data to selectively cure predetermined regions of the deposited layer prior to performing the layered construction.
  • the alignment and / or handling aid can serve to transport the intermediate product without damaging the relevant outer contours, and furthermore to unambiguously determine the position or orientation of the intermediate product in post-processing steps.
  • the oversize 390 of the intermediate product 300 is preferably removed again by machining, with corresponding data for removing the oversize 390 preferably already before the start of the application of the first layer a curable material have been created and before, with or after transfer of the intermediate product 300 to a manufacturing device for machining are also transferred to this.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum schichtweisen Herstellen eines Produkts, umfassend die Schritte: (a) Auftragen einer Schicht (201) eines aushärtbaren Materials, (b) selektives Aushärten von vorbestimmten Bereichen der aufgetragenen Schicht anhand geometrischer Daten des Produkts, (c) Wiederholen der Schritte (a) und (b) bis die Geometrie des Produkts als ausgehärtetes Material erstellt wurde, (d) Entfernen des nicht ausgehärteten Materials. Erfindungsgemäß wird in einem, zwei oder mehreren Produktabschnitten, in denen ein Winkel (apha) zwischen einer zu den Schichten senkrechten Achse und zumindest einem Flächenabschnitt einer Kontur des Produkts einen vorbestimmten Wert überschreitet, ein, beispielsweise im Querschnitt keilförmiger, Übermaßaufschlag in den Schritten (a) und (b) auf diesen Flächenabschnitt solcherart aufgebracht wird, dass der Winkel (gamma) zwischen der zu den Schichten senkrechten Achse und der Außenfläche in diesem Produktabschnitt den vorbestimmten Wert nicht überschreitet.

Description

BEGO Medical GmbH Wilhelm-Herbst-Straße 1 , 28359 Bremen
Verfahren zum schichtweisen Herstellen stark geneigter Flächen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines Produkts, umfassend die Schritte: (a) Auftragen einer Schicht eines aushärtbaren Materials, (b) selektives Aushärten von vorbestimmten Bereichen der aufgetragenen Schicht anhand geometrischer Daten des Produkts, (c) Wiederholen der Schritte (a) und (b) bis die Geometrie des Produkts als ausgehärtetes Material erstellt wurde, (d) Entfernen des nicht ausgehärteten Materials.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen eines Produkts durch schichtweisen Aufbau, umfassend Mittel zum Auftragen einer Schicht eines aushärtbaren Materials und Mittel zum selektiven Aushärten von vorbestimmten Bereichen der aufgetragenen Schicht anhand geometrischer Daten des Produkts.
Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen eines Produkts durch schichtweisen Aufbau sind beispielsweise durch DE 299 24 924 U1 , EP 1 021 997 B1 , DE 102 19 983 B4, DE 103 20 085 A1 , EP 1 464 298 B1 , WO 2005/080029 A1 , EP 1 568 472 B1 und DE 10 2005 050 665 A1 bekannt. Verfahren dieser Art ermöglichen eine effiziente Herstellung geometrisch komplexer Produkte. Bekannt sind Verfahren der eingangs genannten Art beispielsweise aus dem „Rapid Prototyping", bei dem aus Produktgeometriedaten, welche die dreidimensionale Form des Produkts beschreiben, direkt ein Produktmodell hergestellt wird, welches der Anschauung und Erprobung dienen kann.
Solche Verfahren können beispielsweise mit einem pulverförmigen oder in ande- rer Weise schüttfähigen Material durchgeführt werden, welches vorzugsweise durch einen physikalischen Verbindungsvorgang, beispielsweise eine Verschmelzung oder Sinterung, ausgehärtet werden kann und auf diese Weise eine belastbare, dreidimensionale Struktur erzeugen kann. Bevorzugte Verfahren sind beispielsweise das selektive Lasersintern (selective laser sintering, SLS) oder das selektive Laserschmelzen (selective laser melting, SLM).
Das eingangs genannte Verfahren wird beispielsweise auch für hochbelastete Produkte mit komplexen Geometrien, wie sie beispielsweise als Zahnersatz, Implantate oder dentale Hilfsteile in der Dentaltechnik eingesetzt werden, angewandt. Für in der Dentaltechnik einzusetzende Produkte wird bevorzugt das Verfahren des selektiven Laserschmelzens (selective laser melting, SLM) zum schichtweisen Aufbau eingesetzt.
Beim Lasersintern oder Laserschmelzen ist es wichtig, dass jeder von dem Laserstrahl erfasste Bereich den Schmelzpunkt des auszuhärtenden Materials erreicht, ohne dabei jedoch den Verdampfungspunkt zu überschreiten, da sonst das Material in diesem Bereich verdampfen würde. Eine weitere Schwierigkeit bei der Herstellung insbesondere von Produkten kleiner Abmessungen, wie sie beispielsweise in der Dentaltechnik in Form von Zahnersatz oder dentalen Hilfs- teilen benötigt werden, ergeben sich aus dem Umstand, dass die Produkte erheblich unterschiedliche Flächenkonfigurationen in aufeinander folgenden Schichten aufweisen können. Beispielsweise kann sich die Flächengröße über die Höhe des Produkts stark ändern. Dadurch kann es zu Überhitzung oder zu unzureichendem Anschmelzen des pulverförmigen Werkstoffs kommen. Nachteilig ist also insbesondere, dass es beim schichtweisen Aufbau des Produkts zu Temperaturüber- und -unterschreitungen kommen kann und dass auf diese Weise Fehlstellen im herzustellenden Produkt und damit qualitativ minderwertige Produkte entstehen können.
Insbesondere in den Produktabschnitten, die während des Herstellens zur Vertikalen geneigte Konturen besitzen, kommt es vor, dass eine neu aufzutragende Schicht sich in einen Bereich erstreckt, unterhalb dem sich kein Abschnitt des herzustellenden Produkts befindet. D.h. die neu auszuhärtende Schicht steht mit einem Abschnitt seitlich gegenüber der zuvor ausgehärteten Schicht hervor. Je stärker die Kontur eines Produktabschnitts geneigt ist, d.h. je größer der Winkel zwischen einer zu den Schichten senkrechten Achse und einem Flächenab- schnitt einer Kontur des Produkts ist, desto größer sind auch die Abschnitte der aufzutragenden Schichten, die sich seitlich über die zuvor hergestellten Schichten hinaus erstrecken.
In Randbereichen von Produkten, die mittels SLM hergestellt werden, treten häufig Oberflächenunregelmäßigkeiten und Fehlstellen auf. Diese verstärken sich, je stärker der Randbereich zur Vertikalen geneigt ist.
Es ist bekannt, eine sehr genaue Temperatursteuerung insgesamt und insbesondere in den Randbereichen durchzuführen, um einerseits eine ausreichend hohe, den Schmelzpunkt des auszuhärtenden Materials überschreitende Temperatur sicherzustellen und andererseits sicherzustellen, dass die Temperatur nicht so hoch wird, dass das auszuhärtende Material verdampft.
Existierende Verfahren sehen daher vor, die Steuerung des Energieeintrags zu verbessern und damit auch die Temperatursteuerung zu erleichtern. Dazu sieht die DE 103 20 085 A1 ein Verfahren vor, bei dem in Abhängigkeit vom Ablauf des Sinter- bzw. Schmelzvorgangs dessen Randbedingungen, nämlich die Ener- giedichte des Laserstrahls und/oder dessen Ablenkgeschwindigkeit und/oder der Spurabstand und/oder die Streifenbreite (senkrecht zur Spurrichtung) automatisch geändert werden. Dadurch passt sich der Energieeintrag jederzeit selbsttätig dem Bedarf an Schmelzwärme an, welche zur Erzielung der gewünschten Dichte des fertigen Produkts vorbestimmt werden kann. - A -
Im Verfahren gemäß der EP 1568472 B1 wird der Laserstrahl derart gesteuert, dass die Energie in mehreren Schritten in den Werkstoff bzw. das auszuhärtende Material eingekoppelt wird. Im ersten Schritt erfolgt eine Energieeinkopplung an einer bestimmten Position der Werkstoffschicht, bis der entsprechende Bereich der Werkstoffschicht an dieser Position auf eine Temperatur kurz unterhalb des Schmelzpunktes erhitzt worden ist. Im letzten Schritt der Energieeinkopplung erhitzt dann der Laserstrahl diesen Bereich über die Schmelztemperatur und verschmilzt dabei den Werkstoff mit der darunter liegenden Schicht. Die Lösung gemäß der EP 1568472 B1 sieht also vor, dass jede Position mehrmals bestrahlt wird, um das Produkt herzustellen. Durch eine derartige alternierende Bestrahlung können Temperaturausgleichsvorgänge vollzogen werden, nachdem ein Bestrahlungsvorgang vorübergehend beendet und ein anderer Bestrahlungsvorgang begonnen bzw. fortgeführt wird. Die Gefahr explosionsartiger Verdampfungen kleiner Werkstoffpartikel wird dadurch, dass nach kurzer Zeit der Strahl auf eine andere Position gerichtet wird, erheblich reduziert.
Auch die WO 2005/080029 A1 verfolgt das Ziel, die Produktqualität und Maßhaltigkeit der Oberfläche, insbesondere von dünnwandigen Produkten zu verbessern, indem die Wandstärken derart angepasst werden, dass die gewünschten Außenkonturen des Produkts im schichtweisen Aufbau möglichst präzise herges- teilt werden können. Dazu offenbart die WO 2005/080029 A1 ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem ein Kompensationsdatensatz und/oder eine Kompensationsfunktion ermittelt und mit dem Datensatz der Produktsollgeometrie verknüpft wird, um einen Steuerungsdatensatz zu erzeugen, mittels dessen ein hochenergetischer Strahl während des Sinterns und/oder Schmelzens geführt wird. Mittels des Kompensationsdatensatzes bzw. der Kompensationsfunktion wird die Dicke des herzustellenden Produkts in einer senkrecht zu einer tangential an der äußeren Oberfläche des Produkts anliegenden Ebene reduziert. Dadurch soll der Effekt von kugelförmigen Unregelmäßigkeiten verringert werden, die beobachtet werden, wenn eine neu aufzubringende Schicht sich in einen Bereich erstreckt, unterhalb dem sich kein Abschnitt des herzustellenden Produkts befindet. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die genannten Verfahren hinsichtlich der Qualität der Produkte, insbesondere im Hinblick auf Fehlstellen im ausgehärteten Material, unzureichend sind und weiter verbessert werden können. Weiterhin lässt sich auch die Oberflächengüte der erzeugten Produkte, insbesondere in den Bereichen mit komplexen Geometrien und unterschiedlichen Flächenkonfigurationen in aufeinander folgenden Schichten, weiter verbessern. Die komplexe Steuerung der existierenden Verfahren kann ebenfalls weiter vereinfacht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit dem/der die Fertigungsqualität von schichtweise aufgebauten Produkten in vielfältigen Geometrien verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem in einem, zwei oder mehreren Produktabschnitten, in denen ein Winkel zwischen einer zu den Schichten senkrechten Achse und zumindest einem Flächenabschnitt einer Kontur des Produkts einen vorbestimmten Wert überschreitet, ein, beispielsweise im Querschnitt keilförmiger, Übermaßaufschlag in den Schritten (a) und (b) auf diesen Flächenabschnitt solcherart aufgebracht wird, dass der Winkel zwischen der zu den Schichten senkrechten Achse und der Außenfläche in diesem Produktabschnitt den vorbestimmten Wert nicht überschreitet.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass beim Aushärten, beispielsweise beim Laserschmelzen der auszuhärtende Bereich über den Schmelzpunkt des Materials erhitzt wird und über die darunter liegende, zuvor ausgehärtete Schicht dabei ein Temperaturausgleich stattfindet, so dass z.B. das Auftreten von lokalen Temperaturspitzen, die zum Verdampfen des Materials und damit zu Fehlstellen im Produkt führen könnten, vermieden oder verringert wird. In den Bereichen, in denen die auszuhärtenden Bereichen seitlich weit über die zuvor ausgehärteten Bereiche hinausragen, ist ein solcher Temperaturausgleich nicht bzw. nur erschwert möglich. Besonders in diesen Bereichen bestehen daher Schwierigkeiten, eine optimale Temperatursteuerung zu erreichen, so dass die Gefahr von Fehlbildungen im herzustellenden Produkt besteht. Entgegen den vorbekannten Lösungen weicht die erfindungsgemäße Lösung bei der schichtweisen Herstellung in gezielter und vorbestimmter Weise von der gewünschten Produktkontur ab, indem in Bereichen, in denen Qualitätsprobleme, gerade in Bezug auf die korrekte Aushärtung des Materials, oder Maßungenauig- keiten auftreten können, eine SLM-Herstellungskontur hergestellt wird. Die SLM- Herstellungskontur ergibt sich als Summe der Produktkontur und eines vorbestimmten Übermaßaufschlags. Unter einem Übermaßaufschlag ist im Sinne dieser Beschreibung und der Ansprüche ein Materialvolumen zu verstehen, das als Fertigungshilfe auf das Materialvolumen des eigentlichen Produkts aufgebracht wird und zur Fertigstellung des Produkts in einem nachfolgenden Schritt wieder entfernt werden musst.
Dies geschieht, indem gemäß der Erfindung die auszuhärtenden Bereiche in den entsprechenden Schichten derart vergrößert werden, dass sich eine neu auszuhärtende Schicht jeweils nur um ein bestimmtes Ausmaß über die darunter Ne- gende, zuvor hergestellte Schicht hinaus erstreckt. Der vorbestimmte Übermaßaufschlag verhindert, dass der Winkel zwischen der zu den Schichten senkrechten Achse und den einzelnen Flächenabschnitten der SLM-Herstellungskonturen einen vorbestimmten Wert überschreitet, so dass Fehlbildungen, wie beispielsweise nur teilweise ausgehärtete Produktbereiche, Schmelzkugeln, Hohlräume etc., durch das Auftreten von lokalen Fehltemperaturen, insbesondere Überhitzungen, vermieden werden. Der vorbestimmte Wert, den der Winkel zwischen der zu den Schichten senkrechten Achse und den einzelnen Flächenabschnitten der Produktkonturen nicht überschreiten soll, ist abhängig von Pulverkorngröße, Schmelztemperatur, Wärmekapazität und -leitfähigkeit, und liegt bei einem zur Herstellung von Dentalteilen verwendeten CoCr-Pulver der Korngröße 25μm beispielsweise bei etwa 45°.
Der Übermaßaufschlag kann beispielsweise im Querschnitt keilförmig ausgestaltet sein, da so ein Produktabschnitt mit einer stark geneigten Fläche hin zu einer weniger stark geneigten SLM-Herstellungskontur (oder umgekehrt) hergestellt werden kann. Der Winkel des keilförmigen Übermaßaufschlags zwischen der Produktkontur und der SLM-Herstellungskontur wird umso größer ausfallen, je stärker die Produktkontur geneigt ist. Dadurch ergibt sich eine im Querschnitt üblicherweise verbreiternde Form des Übermaßaufschlags, die zu einer Keilform führt. Typischerweise sind die Produktkonturen jedoch überwiegend nicht geradlinig, sondern beispielsweise unregelmäßig oder bogenförmig, so dass die vorzu- bestimmende Keilform des Querschnitts des Übermaßaufschlags ebenfalls entsprechend unregelmäßige oder bogenförmige Konturen aufweist.
Ein Produktabschnitt, der erfindungsgemäß mit einem Übermaßaufschlag zu versehen ist, ist vorzugsweise ein dreidimensionaler Teil des Produkts, der einen Teil der Außenfläche des Produkts umfasst. Beispielsweise kann ein Produktab- schnitt ein beliebig geformter, zusammenhängender Teil der Außenfläche des Produkts, ein bezogen auf die Herstellungssituation etwa horizontal verlaufender Streifen bzw. Keil des Produkts oder ein im Herstellungszustand in einer bestimmten Höhe des Produkts verlaufender ringförmiger Bereich des Produkts sein.
Um die erfindungsgemäße Winkelkorrektur der Außenfläche in einem Produktabschnitt zur Vertikalen zu realisieren, kann es erforderlich sein, dass der Übermaßaufschlag über den Produktabschnitt, in dem der Winkel zwischen der senkrechten Achse der Produktkontur, hinausreicht und gegebenenfalls auch Produktabschnitte umfasst, bei denen der Winkel zwischen der senkrechten Achse der Produktkontur den vorbestimmten Wert nicht überschreitet.
Vorzugsweise wird das Übermaß als Überhangwinkel oder Mindestwandstärke im Konturauslauf hergestellt. Produktabschnitte, die vorteilhafterweise mit einem Übermaß zu versehen sind, sind beispielsweise Funktionsflächen, Passungsflächen oder Überhänge.
Ein Produkt kann mehrere Produktabschnitte aufweisen, die erfindungsgemäß jeweils mit einem Übermaßaufschlag versehen werden, d.h. ein Produkt kann mehrere Übermaßaufschläge aufweisen. Wenn im Folgenden auf einen Übermaßaufschlag Bezug genommen wird, gelten die Ausführungen sinngemäß auch für zwei oder mehrere Übermaßaufschläge. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Qualität des hergestellten Produktes insbesondere in den Bereichen, in denen sich die Flächengröße über die Höhe des Produkts stark ändert, bzw. die Kontur von Produktabschnitten stark geneigt ist, erheblich verbessert wird. Durch das Vorsehen eines Über- maßaufschlags in diesen Bereichen kann der Temperaturausgleich verbessert werden, womit Fehlbildungen aufgrund eines unzureichenden Temperaturausgleichs, insbesondere Überhitzungen, verringert oder vermieden werden können. Dadurch wird die Herstellung von Produkten mit stärker geneigten Abschnitten ermöglicht und die Gefahr von stellenweise unzureichend ausgehärtetem Materi- al und damit qualitativ nicht ausreichenden Produkten vermieden bzw. verringert wird. Damit kann weiterhin auch die schichtweise Herstellung des Produkts vereinfacht werden, da die Anforderungen an die Steuerung der Temperatur und damit die Steuerung beispielsweise des Energieeintrags eines Laserstrahls erleichtert werden können.
Die Erfindung wird bevorzugt fortgebildet durch den Schritt Anpassen der geometrischen Daten des Produkts zum selektiven Aushärten von vorbestimmten Bereichen der aufgetragenen Schicht entsprechend des herzustellenden Übermaßaufschlags in einem der Durchführung der Schritte (a) bis (d) vorausgehenden Schritt.
Beim Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines Produkts sind die geometrischen Daten des herzustellenden Produkts, insbesondere die gewünschte Pro- duktkontur/-geometrie/-oberfläche, im Voraus bekannt. Vorzugsweise werden diese Daten noch vor dem Beginn der schichtweisen Herstellung, d.h. vor dem Auftragen der ersten Schicht eines aushärtbaren Materials, daraufhin analysiert, ob das Produkt Produktabschnitte aufweist, in denen der Winkel zwischen einer zu den aufzutragenden Schichten senkrechten Achse und zumindest einem Flächenabschnitt einer Kontur des Produkts einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Werden solche Produktabschnitte identifiziert, ist es bevorzugt, die geometri- sehen Daten der SLM-Herstellungskontur so anzupassen, dass der Winkel zwi- schen der zu den Schichten senkrechten Achsen und der Außenfläche in diesem Abschnitt den vorbestimmten Wert nicht überschreitet. Hierbei ist es insbesondere bevorzugt, die auszuhärtenden Bereiche der einzelnen Schichten derart anzupassen, insbesondere zu vergrößern, dass benachbarte Schichten, d.h. Schich- ten, die aufeinander folgend ausgehärtet werden, seitlich nur begrenzt über die jeweils zuvor ausgehärtete Schicht hinausragen. Dies geschieht, indem die SLM- Herstellungskontur gemäß der Erfindung in den entsprechenden Bereichen derart gegenüber der Produktgeometrie angepasst wird, dass sich eine neu auszuhärtende Schicht jeweils nur um einen bestimmten Bereich über eine darunter liegende, zuvor hergestellte Schicht hinaus erstreckt. Das in den einzelnen Schichten durch den Übermaßaufschlag zusätzlich auszuhärtende Volumen wird umso größer ausfallen, je stärker die Produktkontur geneigt ist. Der Bereich, um den sich eine neu auszuhärtende Schicht über eine direkt darunter liegende, zuvor hergestellte Schicht hinaus maximal erstrecken soll ist dabei so gewählt, dass ein ausreichender Temperaturausgleich zwischen der neu auszuhärtende Schicht und der darunter liegenden, zuvor hergestellten Schicht möglich ist. In Abhängigkeit von Verhältnis der Pulverkorngröße zur Schichtdicke können unterschiedliche Neigungen realisiert werden. Bei einem zur Herstellung von Dentalteilen verwendeten CoCr-Pulver der Korngröße 25μm beispielsweise beträgt die Schichtdicke etwa 25 - 50μm. In Produktabschnitten, welche den zulässigen Neigungswinkel der Außenfläche überschreiten, sind in der Regel eine Vielzahl von Schichten mit einem Übermaßaufschlag zu versehen.
Vorzugsweise werden die geometrischen Daten des Produktes derart angepasst, dass sie hinsichtlich der schichtweisen Herstellung optimiert werden, beispiels- weise bezüglich Mindestwandstärken, Konturausläufen oder Überhangwinkeln.
Die erfindungsgemäße Fortbildung hat den Vorteil, dass Fehlbildungen, wie beispielsweise nur teilweise ausgehärtete Produktbereiche der Prozess des schichtweisen Auftragens, selektiven Aushärtens und Entfernens des nicht ausgehärteten Materials wie gewohnt durchgeführt werden kann, da die Geometrie- änderung bereits im Vorfeld erfolgt ist. Die Erfindung wird weiter bevorzugt fortgebildet durch den Schritt Entfernen des Übermaßaufschlags, vorzugsweise durch spanende Bearbeitung, in einem nachfolgenden Schritt (e).
Um die gewünschte Produktgeometrie, d.h. die SLM-Herstellungskontur abzüg- lieh des Übermaßaufschlags, zu erhalten, wird das mit Übermaßaufschlag schichtweise hergestellte Produkt nach dem schichtweisen Aufbau vom Übermaßaufschlag befreit. In einigen Anwendungsfällen kann es auch bevorzugt sein, nur einen oder mehrere Teile des Übermaßaufschlags zu entfernen.
Das Entfernen des Übermaßaufschlags erfolgt vorzugsweise durch spanende Bearbeitung, beispielsweise durch Fräsen, da hierbei eine den Produktanforderungen entsprechende hohe Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität sichergestellt werden kann. In der Dentaltechnik wird hierfür bevorzugt die Hochgeschwindigkeitszerspanung (High Speed Cutting, HSC) eingesetzt, die sich durch hohe Zerspanleistung und Oberflächenqualität auszeichnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet in bevorzugter Weise die Vorteile des schichtweises Aufbaus mit denen der spanenden Bearbeitung und stellt einerseits sicher, dass auch in den kritischen Produktabschnitten beim schichtweisen Aufbau eine hohe Qualität des hergestellten Produkts erreicht werden kann und andererseits durch die spanende Nachbearbeitung eine hohe Oberflä- chenqualität und Maßgenauigkeit erreicht werden kann. Die erfindungsgemäße Fortbildung hat somit den Vorteil, dass die durch die spanende Bearbeitung ermöglichte hohe Oberflächenqualität, Konturtreue und Maßhaltigkeit gerade auch in den Produktabschnitten erreicht werden kann, die aufgrund ihrer komplexen Produktgeometrie und/oder unterschiedlichen Flächenkonfigurationen in aufeinander folgenden Schichten der Produktgeometrie im schichtweisen Aufbau mit einer derart hohen Qualität nicht oder nur sehr schwer hergestellt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise fortgebildet durch die Schritte: Erzeugen bzw. Bereitstellen von geometrischen Daten des Produkts zum Entfernen des Übermaßaufschlags, insbesondere von geometrischen Daten zumindest eines Flächenabschnitts einer gewünschten Produktkontur, in einem der Durchführung der Schritte (a) bis (d) vorausgehenden Schritt, und
Übermitteln der Daten an eine Fertigungseinrichtung zum Entfernen des Übermaßaufschlags.
Durch das Bereitstellen geometrischer Daten, die der Identifikation des abzutragenden Übermaßaufschlags dienen, kann die Entfernung des Übermaßauf- schlags effizient und hochpräzise durchgeführt werden. Solche Daten ermöglichen es, das mit Übermaßaufschlag schichtweise hergestellte Produkt so zu bearbeiten, dass das Produkt abschnittsweise oder vollständig die gewünschte gewünschten Produktkontur, -geometrie bzw. -Oberfläche aufweist.
Vorteilhafterweise werden diese Daten noch vor dem Beginn des schichtweisen Herstellens des Produkts, d.h. vor dem Auftragen der ersten auszuhärtenden Schicht, generiert bzw. bereitgestellt. Vorteilhafterweise erfolgt dies mit oder nach dem Anpassen der geometrischen Daten des Produkts zum selektiven Aushärten von vorbestimmten Bereichen der aufgetragenen Schicht entsprechend des herzustellenden Übermaßaufschlags gemäß Anspruch 2. Dies hat den Vorteil, dass die Datenverarbeitung, d.h. beispielsweise die Datenerzeugung, -bearbeitung, -anpassung, gebündelt und effizient erfolgen kann. Dabei ist es weiter bevorzugt, dass die geometrischen Daten des Produkts zum Entfernen des Übermaßaufschlags an eine Fertigungseinrichtung übertragen werden, die der Entfernung des Übermaßaufschlags, insbesondere durch spanende Bearbei- tung, wie beispielsweise Fräsen, dient. Eine solche Fertigungseinrichtung kann beispielsweise eine Hochgeschwindigkeitsfräse sein. Diese Übertragung hat den Vorteil, dass die Daten zentral erzeugt, bereitgestellt bzw. angepasst werden können und an die Fertigungseinrichtung, die den Übermaßaufschlag vom Produkt entfernt, lediglich übertragen werden müssen, ohne dass auch diese Ferti- gungseinrichtung noch Schritte zur Generierung oder Bearbeitung von Daten durchführen muss.
Vorteilhafterweise wird das mit einem Übermaßaufschlag schichtweise hergestellte Produkt ebenfalls an diese Fertigungseinrichtung transferiert, so dass zum Entfernen des Übermaßaufschlags bei der Fertigungseinrichtung sowohl die erforderlichen geometrischen Daten als auch das mit dem Übermaßaufschlag schichtweise hergestellte Produkt vorliegen. Vorzugsweise erfolgt der Transfer des mit einem Übermaßaufschlag schichtweise hergestellten Produkts mit dem Transfer der geometrischen Daten. Es kann in Abhängigkeit von den jeweiligen Anwendungsfällen auch vorteilhaft sein, das Produkt vor oder nach dem Transfer der geometrischen Daten zu transferieren.
Vorteilhafterweise sind die geometrischen Daten und/oder das schichtweise mit einem Übermaßaufschlag hergestellte Produkt mit einer Referenzierhilfe versehen, so dass erstens die Daten dem Produkt und umgekehrt eindeutig zugeord- net werden können, insbesondere auch nach der Übertragung sowohl des Produkts als auch der Daten an die Fertigungseinrichtung zum Entfernen des Übermaßaufschlags, und andererseits die Lage des Produkts in Bezug auf die Fertigungseinrichtung eindeutig bestimmbar ist und damit die korrekte Anwendung der Daten zum Entfernen des Übermaßes auf das Produkt sichergestellt werden kann. Die Referenzierhilfe kann beispielsweise als den geometrischen Daten zugeordnete Metadaten ausgebildet sein. Eine andere Möglichkeit ist es beispielsweise, eine Produktfläche als Referenzfläche zu definieren oder Einkerbungen bzw. Vorsprünge am Produkt vorzusehen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren der eingangs genannten Art oder nach Anspruch 1 , das dadurch gekennzeichnet ist, dass in einem, zwei oder mehreren Produktabschnitten in den Schritten (a) und (b) ein Übermaßaufschlag aufgebracht wird, der als Ausricht- und/oder Handhabungshilfe ausgebildet ist. Ein derart ausgebildeter Übermaßaufschlag kann in vorteilhafter Weise als Referenz dienen, um Lage bzw. Ausrichtung des Produkts eindeutig zu bestimmen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Produkt nach der schichtweisen Herstellung einem oder mehreren weiteren Bearbeitungsschritten, beispiels- weise zur Entfernung von Übermaßaufschlägen in anderen Bereichen, unterzogen wird. Da es sich bei den in der Dentaltechnik herzustellenden Produkten meist um individuelle, unregelmäßig geformte Einzelteile handelt, ist die Bestimmung der Ausrichtung und Lage des Produkts für Bearbeitungsschritte, die auf die schichtweise Herstellung folgen, wie beispielsweise eine spanende Nach- bearbeitung, von hoher Bedeutung.
Ein erfindungsgemäßer Übermaßaufschlag, der als Ausricht- und/oder Handhabungshilfe ausgebildet ist, kann vorteilhafterweise weiterhin dazu dienen, den Transport des Produkts zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungsstationen zu erleichtern, indem die Ausricht- und/oder Handhabungshilfe einen Greifabschnitt aufweist, an dem das Produkt einfach und sicher gegriffen bzw. aufgenommen werden kann. Dies hat den Vorteil, dass beim Transport nicht das Produkt mit seinen gegebenenfalls empfindlichen Oberflächen selbst berührt werden muss, sondern nur der später wieder zu entfernende Übermaßaufschlag, so dass Beschädigungen des Produkts durch Handhabungseinrichtungen ver- mieden werden können.
Weiterhin hat die Ausbildung eines Übermaßaufschlags als Ausricht- und/oder Handhabungshilfe im schichtweisen Aufbau des Produkts den Vorteil, dass auf diese Weise ein gleichförmiger und/oder standardisierter Abschnitt geschaffen werden kann, der von gleichförmigen und/oder standardisierten Ausricht- und/oder Handhabungseinrichtungen leichter verwendet werden kann als die individuell unterschiedlichen Produkte selbst.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der als Ausricht- und/oder Handhabungshilfe ausgebildete Übermaßaufschlag eine Individualisierungshilfe aufweist. Diese
Individualisierungshilfe kann dazu dienen, das Produkt eindeutig zu identifizieren, insbesondere beim Transport oder in weiteren Bearbeitungsschritten, wenn einem bestimmten Produkt beispielsweise bestimmte Daten zuzuordnen sind. Die Individualisierungshilfe kann beispielsweise als Einkerbung oder Einkerbungsfolge ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren dieses Aspekts kann fortgebildet werden nach Anspruch 6. Zu den Vorteilen, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails dieser Fortbildungen wird auf die zuvor beschriebenen Fortbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines Produkts durch schichtweisen Aufbau, umfassend Mittel zum Auftragen einer Schicht eines aushärtbaren Materials und Mittel zum selektiven Aushärten von vorbestimmten Bereichen der aufgetragenen Schicht anhand geometrischer Daten des Produkts, gekennzeichnet durch
Datenaufbereitungsmittel, die ausgebildet sind, die geometrischen Daten des Produkts zum selektiven Aushärten von vorbestimmten Bereichen der aufgetragenen Schichten vor dem Auftragen und Aushärten der Schichten derart anzupassen, dass ein auf Basis dieser Daten hergestelltes Produkt
o in einem, zwei oder mehreren Produktabschnitten, in denen ein Winkel zwischen einer zu den Schichten senkrechten Achse und zumindest einem Flächenabschnitt einer Kontur des Produkts ei- nen vorbestimmten Wert überschreitet, beim Auftragen und Aushärten der Schichten derart mit einem keilförmigen Übermaßaufschlag versehen wird, dass der Winkel zwischen der zu den Schichten senkrechten Achse und der Außenfläche in diesem Produktabschnitt den vorbestimmten Wert nicht überschreitet, und/oder
o in einem, zwei oder mehreren Produktabschnitten beim Auftragen und Aushärten der Schichten mit einem Übermaßaufschlag verse- hen wird, der als Ausricht- und/oder Handhabungshilfe ausgebildet ist,
und ggf. Mittel zum Erzeugen bzw. Bereitstellen von geometrischen Daten des Produkts zum Entfernen des Übermaßaufschlags, insbesondere von geometrischen Daten zumindest eines Flächenabschnitts einer gewünschten Produktkontur sowie ggf. Mittel zum Übertragen der geometrischen Daten des Produkts zum Entfernen des Übermaßaufschlags.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtungsanordnung zum Herstellen eines Produkts durch teilweise schichtweisen Aufbau, umfassend eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines ersten Teilvolumens des Produkts, umfassend Mittel zum Auftragen einer Schicht eines aushärtbaren Materials und Mittel zum selektiven Aushärten von vorbestimmten Bereichen der aufgetragenen Schicht anhand geometrischer Daten des Produkts, gekennzeichnet durch eine Fertigungseinrichtung zum Entfernen eines Übermaßaufschlags des Produkts.
Die erfindungsgemäße Vorrichtungsanordnung kann weiter gebildet werden nach Anspruch 9.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung einer Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines Produkts zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 oder in einer Vorrichtungsanord- nung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der beiliegenden Figuren beschrieben.
Fig. 1 : zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch ein schichtweise herzustellendes Produkt, Fig. 2: zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Längsschnitts eines schichtweise herzustellenden Produkts, wobei die Darstellung der Schichten zur Verdeutlichung vergrößert und übertrieben ausgebildet ist,
Fig. 3: zeigt den Figur 2 gezeigten Abschnitt mit einem Übermaßaufschlag, und
Fig. 4: zeigt ein durch schichtweisen Aufbau herzustellendes Produkts mit einem als Ausricht- und/oder Handhabungshilfe ausgebildeten Übermaßaufschlag.
In Fig. 1 ist ein Produkt 100 mit einer Produktkontur 100a dargestellt, das durch schichtweisen Aufbau herzustellen ist. Das Produkt 100 weist einen Produktabschnitt 110 auf, der gegenüber einer zu den Schichten, durch die das Produkt aufgebaut wird, senkrechten Achse 150 stark geneigt ist. Ein Maß für die Neigung des Produktabschnitts 110 ist der Winkel α zwischen der senkrechten Achse 150 und einer Tangente 1 11 der Kontur 100a im Produktabschnitt 110. Bei nicht erfindungsgemäßen Verfahren ist die schichtweise Herstellung des Produktabschnitt 1 10 mit den eingangs genannten Nachteilen verbunden.
Ein anderer Produktabschnitt 120 beispielsweise weist eine wesentlich geringere Neigung auf, wie der Winkel ß zwischen der senkrechten Achse 150 und einer Tangente 121 des Produktabschnitts 120 erkennen lässt. Ein solcher Produktab- schnitt 120 weist bei der schichtweisen Herstellung nicht oder nur in einem geringen Maß die eingangs genannten Probleme bei nicht erfindungsgemäßen Verfahren auf.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Übermaßaufschlag 130 hergestellt, der dazu führt, dass in der mittels schichtweisen Aufbaus herzustellenden Kontur sich ein Winkel γ zwischen der Außenfläche 140 und der senkrechten Achse 150 in dem Abschnitt 110 einstellt, der kleiner ist als der Winkel α und einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet. Dieser vorbestimmte Wert ist dabei so zu wählen, dass ein ausreichender Temperaturausgleich zwischen der aufzutragenden Schicht und der darunter liegenden, bereits ausgehärteten Schicht ermöglicht wird, so dass keine Fehlbildungen im auszuhärtenden Bereich auftreten. Der Übermaßaufschlag reicht bei dem in Figur 1 dargestellten Produkt 100 dabei über den Produktabschnitt 1 10 hinaus.
Fig. 2 zeigt ein durch schichtweisen Aufbau herzustellendes Produkt 200, in dem ebenfalls ein Abschnitt 210 derart zu einer zu den Schichten vertikalen Achse 250 geneigt ist, dass der seitliche Überstand D der Schichten über die jeweils vorhergehende Schicht so groß ist, dass ein Temperaturausgleich in diesen Bereichen D nicht mehr ausreichend gewährleistet ist. In Fig. 2 wird ebenfalls deutlich, dass die Produktkontur eines durch schichtweisen Aufbau hergestellten Produkts in Stufen verläuft, wobei jede Stufe einer Schicht ausgehärteten Materials entspricht. Die Darstellung in Fig. 2 ist jedoch nicht maßstäblich und die Stufen sind stark vergröbert. Die Kontur bzw. Außenfläche des Produkts wird daher als geglättete Linie bzw. Fläche über die Stufen hinweg angesehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, die Bereiche D, in denen die jeweils neu auszuhärtende Schicht über die zuvor ausgehärtete Schicht seitlich hinausragt, zu verringern. Dazu wird ein Übermaßaufschlag 230, wie in Fig. 3 gezeigt, hergestellt. Dazu wird zunächst berechnet, in welchen Bereichen ein Übermaßaufschlag erforderlich ist und wie die geometrischen Daten des Produkts anzu- passen sind, um diesen Übermaßaufschlag 230 herzustellen. Das Ergebnis dieser Datenanpassung sieht vor, dass die einzelnen Schichten in ihrer Fläche verändert werden, insbesondere vergrößert werden. Diese Vergrößerungen der Schichten sind in Fig. 3 in unterbrochenen Linien dargestellt. Beispielhaft für drei Schichten sind die entsprechend der Produktgeometrie auszuhärtenden Bereiche der Schichten mit 260, die nach der Anpassung der geometrischen Daten mit Übermaßaufschlag zusätzlichen auszuhärtenden Bereiche der Schichten der schichtweise aufzubauenden Kontur mit 270 bezeichnet.
Die ersten sieben Schichten wurden in ihren geometrischen Daten nicht ange- passt. Beginnend mit Schicht 8 wurden die auszuhärtenden Bereiche der Schich- ten aushärtbaren Materials sukzessive vergrößert, so dass die nach dem erfin- dungsgemäßen Verfahren entstehenden seitlichen Überstände der Schichten (für drei Schichten beispielhaft mit D1 bezeichnet) wesentlich kleiner sind als die in Fig. 2 gezeigten Abstände D. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein ausreichender Temperaturausgleich zwischen der gerade auszuhärtenden Schicht und der darunter liegenden Schicht gewährleistet ist.
Nach dem schichtweisen Aufbau mit Übermaßaufschlag wird das so hergestellte Zwischenprodukt an eine Fertigungseinrichtung zum Entfernen des Übermaßaufschlags, vorzugsweise durch spanende Bearbeitung in einer Hochgeschwindigkeitsfräse, übergeben. Ebenfalls an die Fertigungseinrichtung werden Daten übergeben, die zusammen mit der Anpassung der geometrischen Daten vor der schichtweisen Herstellung des Zwischenprodukts erstellt worden sind, die das zu entfernende Übermaß definieren, so dass durch das Entfernen des Übermaßes ein Produkt mit den gewünschten Produktkonturen hergestellt werden kann.
Fig. 4 zeigt ein durch schichtweisen Aufbau herzustellendes Zwischenprodukt 300 mit einem Übermaßaufschlag 390, der als Ausricht- und/oder Handhabungshilfe ausgebildet ist. Wie auch mit Bezug zu den Figuren 1 bis 3 beschrieben, wird der Übermaßaufschlag 390 durch Anpassen der geometrischen Daten zum selektiven Aushärten von vorbestimmten Bereichen der aufgetragenen Schicht noch vor der Durchführung des schichtweisen Aufbaus erzeugt. Die Ausricht- und/oder Handhabungshilfe kann dazu dienen, das Zwischenprodukt zu transportieren, ohne die relevanten Außenkonturen zu beschädigen, und weiterhin in Nachbearbeitungsschritten die Lage bzw. Ausrichtung des Zwischenprodukts eindeutig zu bestimmen.
Ebenso wie die mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 beschriebenen Übermaßauf- schlage 130, 230 wird auch das Übermaß 390 des Zwischenprodukts 300 vorzugsweise wieder durch spanende Bearbeitung entfernt, wozu entsprechende Daten zum Entfernen des Übermaßes 390 vorzugsweise bereits vor Beginn des Auftragens der ersten Schicht eines aushärtbaren Materials erstellt worden sind und vor, mit oder nach Übergabe des Zwischenprodukts 300 an eine Fertigungs- einrichtung zur spanenden Bearbeitung ebenfalls an diese übertragen werden.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines Produkts (100, 200), umfassend die Schritte:
(a) Auftragen einer Schicht (201 ) eines aushärtbaren Materials, (b) selektives Aushärten von vorbestimmten Bereichen der aufgetragenen Schicht anhand geometrischer Daten des Produkts,
(c) Wiederholen der Schritte (a) und (b) bis die Geometrie des Produkts als ausgehärtetes Material erstellt wurde,
(d) Entfernen des nicht ausgehärteten Materials, dadurch gekennzeichnet, dass in einem, zwei oder mehreren Produktabschnitten (1 10, 210), in denen ein Winkel (α) zwischen einer zu den Schichten senkrechten Achse (150, 250) und zumindest einem Flächenabschnitt (110, 210) einer Kontur des Produkts einen vorbestimmten Wert überschreitet, ein, beispielsweise im Querschnitt keil- förmiger, Übermaßaufschlag (130, 230) in den Schritten (a) und (b) auf diesen Flächenabschnitt solcherart aufgebracht wird, dass der Winkel (ß) zwischen der zu den Schichten senkrechten Achse (150, 250) und der Außenfläche (140, 240) in diesem Produktabschnitt den vorbestimmten Wert nicht überschreitet.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt:
Anpassen der geometrischen Daten des Produkts (100, 200) zum selektiven Aushärten von vorbestimmten Bereichen der aufgetragenen Schicht entsprechend des herzustellenden
Übermaßaufschlags (130, 230) in einem der Durchführung der Schritte (a) bis (d) vorausgehenden Schritt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt: Entfernen des Übermaßaufschlags (130, 230), vorzugsweise durch spanende Bearbeitung, in einem nachfolgenden Schritt (e).
4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch die Schritte:
Erzeugen bzw. Bereitstellen von geometrischen Daten des Produkts (100, 200) zum Entfernen des Übermaßaufschlags (130, 230), insbesondere von geometrischen Daten zumin- dest eines Flächenabschnitts einer gewünschten Produktkontur, in einem der Durchführung der Schritte (a) bis (d) vorausgehenden Schritt, und
Übermitteln der Daten an eine Fertigungseinrichtung zum Entfernen des Übermaßaufschlags.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder dem Oberbegriff von Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in einem, zwei oder mehreren Produktabschnitten in den Schritten (a) und (b) ein Übermaßaufschlag (390) aufgebracht wird, der als Ausricht- und/oder Handhabungshilfe ausgebildet ist.
6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4 fortgebildet ist.
7. Vorrichtung zum Herstellen eines Produkts durch schichtweisen Aufbau, umfassend
Mittel zum Auftragen einer Schicht (201 ) eines aushärtbaren Materials und
Mittel zum selektiven Aushärten von vorbestimmten Bereichen der aufgetragenen Schicht anhand geometrischer Daten des Produkts (100, 200, 200), gekennzeichnet durch
Datenaufbereitungsmittel, die ausgebildet sind, die geometrischen Daten des Produkts (100, 200) zum selektiven Aushärten von vorbestimmten Bereichen der aufgetragenen Schich- ten vor dem Auftragen und Aushärten der Schichten derart anzupassen, dass ein auf Basis dieser Daten hergestelltes Produkt o in einem, zwei oder mehreren Produktabschnitten, in denen ein Winkel zwischen einer zu den Schichten senkrechten Achse (150, 250) und zumindest einem
Flächenabschnitt (1 10, 210) einer Kontur des Produkts einen vorbestimmten Wert überschreitet, beim Auftragen und Aushärten der Schichten derart mit einem keilförmigen Übermaßaufschlag (130, 230) versehen wird, dass der Winkel zwischen der zu den Schichten senkrechten Achse (150, 250) und der Außenfläche (140, 240) in diesem Produktabschnitt den vorbestimmten Wert nicht überschreitet, und/oder o in einem, zwei oder mehreren Produktabschnitten beim Auftragen und Aushärten der Schichten mit einem Übermaßaufschlag (390) versehen wird, der als Ausricht- und/oder Handhabungshilfe ausgebildet ist, und ggf. Mittel zum Erzeugen bzw. Bereitstellen von geometrischen Daten des Produkts zum Entfernen des Übermaßauf- schlags, insbesondere von geometrischen Daten zumindest eines Flächenabschnitts einer gewünschten Produktkontur des Produkts sowie ggf. Mittel zum Übertragen der geometrischen Daten des Produkts zum Entfernen des Übermaßaufschlags.
8. Vorrichtungsanordnung zum Herstellen eines Produkts durch schichtweisen Aufbau, umfassend eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau des Produkts (100, 200, 300), umfassend
Mittel zum Auftragen einer Schicht (201 ) eines aushärtbaren
Materials und - Mittel zum selektiven Aushärten von vorbestimmten Bereichen der aufgetragenen Schicht anhand geometrischer Daten des
Produkts, gekennzeichnet durch eine Fertigungseinrichtung zum Entfernen eines Übermaßaufschlags (130, 230, 390) des Produkts.
9. Vorrichtungsanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch Mittel, die ausgebildet sind, geometrische Daten des Produkts (100, 200, 300) zum Entfernen des Übermaßaufschlags (130, 230, 390) zu der Fertigungseinrichtung zu übertragen.
10. Verwendung einer Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines Produkts zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 oder in einer Vorrichtungsanordnung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche.
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