WO2018060033A1 - Verfahren zur bestimmung einer relativen pulverbettdichte in einer vorrichtung zum generativen herstellen eines dreidimensionalen objekts - Google Patents

Verfahren zur bestimmung einer relativen pulverbettdichte in einer vorrichtung zum generativen herstellen eines dreidimensionalen objekts Download PDF

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WO2018060033A1
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Stefan Grünberger
Stefan Paternoster
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EOS GmbH
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    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting

Definitions

  • the present invention relates to methods for determining a relative powder bed density in a device for producing a three-dimensional object generatively by layering and selectively consolidating a building material, preferably a powder.
  • Devices and methods for generatively producing a three-dimensional object are used, for example, in rapid prototyping, rapid tooling or additive manufacturing.
  • An example of such a method is known as "selective laser sintering or laser melting.”
  • selective laser sintering or laser melting In this case, a thin layer of a pulverulent constituent material is repeatedly applied and the material in each layer is selectively solidified by selective irradiation from a cross section of the object to be produced with a laser beam.
  • the powder bed density prior to solidification plays a major role in terms of the quality of the object to be produced or produced and the process stability.
  • DE 102006023484 A1 describes an apparatus and a method for compacting pulverulent building material, wherein the building material is preferably a mixed powder of new and old material.
  • the powder bed density is quantified therein as follows: A closed hollow thin-walled cuboid laser sintered component is exposed such that the volume enclosed in the exposure has a value resulting from the inner dimensions of the container in the directions xyz, the z-direction extends perpendicular to the powder flow. The thus-built part is freed from the outside of adhering powder residues and weighed. Then the part is cut open and the powder inside is emptied, and the empty part weighed again. The difference of the masses corresponds to the mass of the enclosed powder volume. Since the powder volume is known, the density of the powder bed can be calculated from this. However, the absolute density measurement is often complicated due to numerous imponderables. Accordingly, the object of the present invention is to provide an alternative or improved method or apparatus for determining the powder bed density.
  • the method according to the invention serves to determine a relative powder bed density in a device for producing at least one three-dimensional object by layer-wise application and selective solidification of a pulverulent construction material.
  • the method comprises at least a first specimen and the steps
  • the method comprises the steps:
  • the relative determination of the powder bed density makes it possible, for example, to make a more precise statement about the density in comparison to the quantitative determination of the powder bed density.
  • the accuracy can be given by the fact that the temperature dependence of the construction process is likewise included in a relative determination of the powder bed density.
  • the at least one second specimen is produced by means of a powder-based generative layer construction method, preferably using the same pulverulent build-up material as for producing the at least one first specimen. This facilitates the comparison between the first and the second specimen considerably, since the two
  • Specimens then - figuratively speaking analogous to a common coordinate system - are based on certain common technical starting conditions, due to which the differences in the comparison of the two specimens are then particularly significant and evaluable.
  • a compaction step b) is carried out for the preparation of the first specimen and no compaction step b) is carried out for the preparation of the second specimen.
  • the efficiency of a compaction method can be compared in direct comparison with uncompacted powder.
  • compaction steps b) are carried out to produce the first and the second specimen.
  • the first and / or the second test specimen is or are removed from the device before the at least one length dimension is determined, which can considerably simplify the measurability.
  • the steps a) of powder application and b) of compacting are preferably carried out such that the layer thickness of the first specimen to be consolidated in step c) is the same as the layer thickness of the second specimen to be consolidated in step c).
  • This measure also serves to provide an improved basis for the comparison of the two specimens.
  • the step a) of the powder application and the step b) of the compacting of the applied layer occur simultaneously.
  • the first and second specimens each a platelet, which by passing through the
  • Steps a), b) and c) is produced.
  • Steps a), b) and c) is produced.
  • the at least one length dimension to be determined is a dimension of the test specimen perpendicular to the solidified layer.
  • the first and the second specimens are produced by carrying out steps a), b) and c) 'at least twice, preferably many times
  • the first and the second specimen are each an upwardly open, filled with unverif remained powder cylindrical container, wherein the two specimens have the same geometric inner dimensions.
  • a defined pressure is preferably applied in each case to the unconsolidated powder surface of the test specimen.
  • the resulting change in height of the powder surface is the at least one length dimension.
  • the method can be carried out by machine and is essentially independent of a subjective assessment by an executing person.
  • each of the first and second specimens is an object having n recesses, where n is a natural number, and wherein each recess comprises a non-solidification region of a given length dimension in which one or more layers have been excluded from solidification, and the length dimensions associated with the specimens are those given length dimensions of the non-solidification areas, taking into account only the non-solidification areas visible after completion of the specimens.
  • the relative powder bed density for example, be assessed visually without much effort of the Ab messengers.
  • the powder bed density can thus be assessed with the naked eye.
  • each of the first and second specimens is a three-dimensional object having n non-solidification areas, where n is 1, and wherein at least two, preferably all n, non-solidification areas differ from one another in their predetermined length dimensions perpendicular to the layer course of the powdered building material.
  • optical assessment can be simplified, for example.
  • adhering powder grains are removed after their completion on the test specimens, in particular on the recesses, preferably by blasting. This increases the accuracy of the judgment.
  • At least two, preferably a multiplicity of first test specimens and / or at least two, preferably a plurality of second specimens are produced and / or at least two, preferably a multiplicity of length dimensions are determined on the test specimens and the length dimensions of the first specimen or specimens ( s) and the length dimensions of the or second specimen (s) is compared by means of a suitable index number, the index number preferably being an average value or a frequency distribution of the length dimensions.
  • the method according to the invention serves to produce at least one three-dimensional object by layer-wise application and selective solidification of a pulverulent construction material.
  • the method comprises the following steps:
  • the building material is solidified such that at least a first specimen is produced and the following steps are carried out to determine a relative powder bed density:
  • At least one determined length dimension with at least one corresponding length dimension of at least one second test piece.
  • at least one object and at least one first and / or second test specimen are produced.
  • the programmable control unit serves for a device for producing at least one three-dimensional object by layer-wise application and selective solidification of a pulverulent building material.
  • the control unit is designed to control the device such that it carries out all steps a) and c) and optionally b) and / or d) of a method as defined above.
  • the device according to the invention is used for producing at least one three-dimensional object by layered application and selective solidification of a powdered on aumateri- as.
  • the apparatus comprises a field movable coater for applying a layer of building material within the building field, compacting means for compacting the applied layer of building material, the compacting means optionally being integrally formed with the coater, and a solidification apparatus for selective solidification the applied layer at locations corresponding to a cross section of the at least one object to be fabricated, the device being configured and / or controlled to repeat the steps of application and selective solidification until the at least one object is completed;
  • the above-described control unit according to the invention comprises.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an apparatus for producing three-dimensional objects according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic perspective side view of the powder application with the coater and a compaction blade from FIG. 1
  • FIG. 3 a) -c) a schematic representation of the cross section of three compressor blades which can be used in the example of FIG
  • Fig. 6 a) -c) is a schematic representation of the cross-section of a manufactured component with unconsolidated powder inside and applying a compressibility force according to a third embodiment
  • FIG. 7 General overview of the process steps
  • a laser sintering or laser melting apparatus 1 for the method according to the invention will be described with reference to FIG. 1 as an exemplary production apparatus according to the invention.
  • it contains a process chamber 3 with a chamber wall 4.
  • object 2 here both the component to be formed and a test specimen are understood.
  • an upwardly open container 5 is arranged with a container wall 6. Furthermore, in the container 5 there is arranged a carrier 7 which is movable in the vertical direction V and which carries the object 2 to be formed directly or indirectly.
  • a base plate 8 may be arranged in the container 5 between the object 2 to be formed and the carrier 7.
  • the carrier 7 is adjusted in the vertical direction so that the layer of the object to be consolidated in each case lies in a working plane 9.
  • a reservoir 10 for an electromagnetic radiation solidifiable powdery building material 11 and a movable in a horizontal direction H coater 12 for applying the building material 11 is provided.
  • the coater 12 extends transversely to its direction of movement over the entire area to be coated.
  • the building material 11 is preferably a powder.
  • a metal powder, plastic powder, ceramic powder, sand, filled or mixed powder is used.
  • a plastic powder for example a polymer powder such as polyamide, in particular polyamide 12, or polystyrene.
  • the powder can be present as virgin, old or mixed powder.
  • the device further comprises a laser 13.
  • the laser beam 14 generated by the laser 13 is directed by a deflector 15 and by a focusing device 16 on a coupling window 17 and from this into the process chamber 3 passed through and focused at a predetermined point in the working plane 9.
  • the applied layer of the building material is selectively solidified at the locations which correspond to a cross section of the object to be produced.
  • control unit 18 through which the components of the apparatus are controlled in a coordinated manner for carrying out the building process.
  • a control unit 18 according to the invention is designed as described below.
  • the laser sintering apparatus 1 may further include a compacting apparatus for compacting powdery building material 11. This may for example be formed as shown in Fig. 2.
  • the coater 12 has two jaws 51, 52 arranged at a distance from each other and at a distance above the working plane, between which a powder reservoir 20 is located.
  • the jaws extend over the entire width of the construction field.
  • At the mutually facing inner sides of the jaws each have a blade 60, 61 is provided, which also extends over the entire field width and which protrudes downwards on the jaw in the direction of the working plane.
  • the underside of the blade has a distance d from the carrier surface or the last solidified layer which corresponds to the layer thickness of the desired layer.
  • the blades At the underside facing the working plane, the blades have inclined surfaces 60c, 61c.
  • the sloping surfaces form an order surface. Due to their shape, the blade 60, 61 can both coat and compact the powder and is therefore referred to below as a compressor blade. 2
  • the illustrated instantaneous travel direction of the coater 12 is indicated by B.
  • the build-up material 11 is additionally supplied before each coating operation in the coater 12 in an amount sufficient to apply a layer of the powder. Subsequently, the coater 12 moves over the construction field, wherein the compressor blade 60 a layer 21 with the predetermined powder ⁇ layer thickness d applies.
  • This powder layer thickness d corresponds to the above-mentioned preset, predetermined distance between the underside of the blade, in this case the lower edge of the blade 60, 61 and the carrier surface or the last solidified layer.
  • the inclined in the coating direction B surface 60c is applied to the powder to be distributed, which is located in the front of the compactor blade 60 powder column, a force which is directed into the working plane exerted.
  • the powder 20 is compressed during the application of the layer. Applying the powder layer and compression can thus take place substantially simultaneously.
  • An applied and compacted powder layer corresponds in height or thickness to the above-mentioned predetermined thickness d, which may for example be 0.10 mm, 0.12 mm or 0.15 mm thick.
  • the cross section of the object 3 in the respective layer is irradiated with the laser beam and thus the powder is solidified.
  • the coater 5 is filled again with powder and is moved in a direction opposite to the direction B shown in FIG.
  • the second compressor blade 61 which is mirror-symmetrical to the first compressor blade 60, acts as a coater and applies a new powder layer to the last solidified layer or the powder surrounding the solidified region.
  • the compression device may also be designed differently.
  • the blade may be in the form of a flat blade F having a surface 60c 'substantially parallel to the surface of the powder (Figure 3a), a radius blade R having a rounded surface 60c''( Figure 3b) or a roof blade D having two surfaces sloping towards one another 60c '''and60c''''(FIG. 3c).
  • the compacting device can also be designed, for example, as a roller or as a roller.
  • the compression essentially proceeds analogously to what has been described above. It can essentially be done at the same time or after the application. Preferably, application and compression take place simultaneously.
  • the at least one first specimen PI after the optional compaction of the powder bed has a higher powder bed density than the at least one second specimen P2 after the different compaction step or without the compaction step.
  • the respective first specimens PI which are generated from a powder with a higher compression in comparison to a respective second specimen P2, in FIGS. 4a), 5a) and 6a), in each case the second specimen P2, which consists of a powder are generated with a lower compression, shown in Figs. 4b), 5b) and 6b).
  • FIG. 7 A general overview of the method steps (VS) is shown in FIG. 7.
  • At least one first specimen PI made of a building material, preferably a powder is produced as an object to be produced (see also FIG VS1-VS3).
  • at least one powder layer is applied to the construction field (FIG. 7, VS1) and compacted (FIG. 7, VS2), for example by the compression devices described above.
  • the application of the powder layer and the compacting of the powder take place simultaneously instead of.
  • the compressed powder layer has a predetermined thickness d to be solidified.
  • the at least one first specimen PI in the form of a platelet PI ' e.g. of a rectangular plate manufactured by the method described above by selectively solidifying at positions corresponding to the cross section of the plate to be produced ( Figure 7, VS3).
  • the construction process preferably takes place under standard conditions known to those skilled in the art. Preferably, only a single
  • the plate PI is then, as shown in Fig. 4a), in the midst of unconsolidated powder material and has a perpendicular to the powder flow dimension, the thickness dl on.
  • first specimens e.g. 2 to 50 simultaneously or sequentially, i. made by repeating the above steps.
  • At least a second sample P2 is repeated by the process described above in the same or a comparable laser sintering or laser melting apparatus, preferably using the same powder (Figs. 4b, 7, VS1-VS3).
  • all construction conditions such as, for example, building temperature and construction time, correspond to those of the production process of the abovementioned first test specimen.
  • the predetermined powder layer thickness d to be solidified likewise preferably corresponds to the predetermined powder layer thickness d in the production process of the abovementioned first test specimen by appropriate adjustment of the coater and / or the compacting device.
  • the compression device used above either a different compression device or no compression device is used.
  • the applied powder layer before solidification regardless of the optional or different compression step has the same thickness d mentioned above.
  • the second specimen P2 After preparation of the second specimen P2 in the form of a small plate P2 'by exposure at selective points (FIG. 7, VS3), eg a rectangular plate, this has a length perpendicular to the powder path, the thickness d2 and lies as shown in FIG. 4b ) in the midst of unconsolidated powder material.
  • several second test specimens for example 2 to 50, are produced simultaneously or in succession.
  • the platelets are preferably cleaned after completion, for example by blasting with glass beads or by cleaning with a brush.
  • the lengths running perpendicular to the course of the layer, the thicknesses of the above-mentioned first and second specimens d1 and d2, are subsequently measured (FIG. 7, VS4), for example with an outside micrometer, preferably after removal of the test specimens from the machine.
  • the thicknesses d1 and d2 of the first specimen PI 'and the second specimen P2' are compared with each other (S5).
  • a suitable index number is selected, which is preferably an average or a frequency distribution of the respective thickness di or d2.
  • a small plate PI ' which was manufactured from a previously compacted powder, has a smaller thickness compared with a small plate P2' without a compacting step.
  • the second specimen or bodies P2 can also be produced before or simultaneously with the first specimen PI within a production process. However, the second specimen P2 can also be produced as a reference body independently of the first specimen PI, ie in an earlier manufacturing process.
  • the determination of the thickness di or d2 perpendicular to the course of the layer does not have to take place at the same time as that of the first specimen PI. It can also be done once as a reference value and, for example, noted and used for later produced first or further specimens.
  • the comparison can also be made indirectly, for example by determining a quotient of platelet thickness in relation to the preset powder layer thickness before solidification and subsequent comparison of the quotients.
  • a different powder bed density can also be independent of the optional compaction step from the.
  • Choice of a different powder or a different powder material result.
  • an at least first test specimen PI from a new or mixed powder and an at least second test specimen P2 from a corresponding waste powder can be prepared as explained above.
  • Platelets which were prepared with a relatively fresher powder material have a comparatively clotting ⁇ Gere thickness (mixed powder ⁇ waste powder).
  • a different first and second specimen PI ", P2" are produced by means of the method and building material described above. Identical process steps and devices / materials are therefore not repeated.
  • the different powder bed density is based on the use of different compaction devices. However, as mentioned above, a different powder bed density can also depend on the age of the powder material, regardless of a compression step.
  • Slits can be formed. However, they may also be different, e.g. be formed in the form of grooves.
  • the specimen according to the second embodiment may be formed, for example, as a block in the form of a cube or cuboid.
  • the non-solidification areas may vary in size. For example, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more powder layers may be excluded from solidification in a predetermined range.
  • a powder layer may be 0.12 mm thick so that the dimensions of the non-solidification regions in the x-direction (perpendicular to the powder profile) are 0.12 mm, 0.24 mm, 0.36 mm, 0.48 mm, 0, 60 mm and more.
  • the sequence, number, size and position of the non-solidification areas can be chosen arbitrarily, taking into account the above. It is convenient, however, to choose them equally in the first and second specimens.
  • Adhering powder grains are preferably removed after completion of the sample or sample, in particular by blasting.
  • the dimension of the recess (s) running perpendicular to the course of the layer, i. the height h is determined ( Figure 7, VS4).
  • the number of the smallest recesses in the respective specimen is optically determined (FIG. 7, VS4). For example, such that the respective specimen is lifted against the light and the number of visible smallest recesses is determined by eye. The number then represents the code number to be compared (FIG. 7, VS5).
  • the perpendicular to the layer running height of the recesses can be measured.
  • the number of the smallest recesses in combination with the height of the recesses is determined. As shown schematically in FIG.
  • Recesses in a first specimen PI '' which is made of compacted powder, larger compared to a second sample P2 "made of non-compacted powder.
  • the height of the recess in a second specimen made of a powder having a comparatively lower powder bed density is lower as compared with the corresponding recess in a first specimen made of powder having a comparatively higher powder bed density.
  • Each 12 test pieces per compression device (in the z-two layers of six specimens in a range with the same powder bed temperature) were prepared in a laser sintering machine according to the method described above according to the second execution ⁇ form.
  • the building temperature was 170 ° C.
  • a PA2200 powder was used for this a PA2200 powder.
  • powder blankets i. unexposed powder layers, applied with a total thickness of 6 mm.
  • Each individual powder layer was 0.12 mm thick and was compacted in time with the application of a roof, radius or flat blade.
  • the layer thicknesses were in each case the same size with and without compression step before solidification with 0.12 mm.
  • the powder layers to be exposed which were applied according to the respective vacant layers. In each case twelve areas of 3, 4 or 5 powder layers were selected, respectively
  • Test specimens which have been produced with a higher efficiency compaction step have a comparatively larger number of smallest recesses (roof blade> radius blade> flat blade). For example, the twelve smallest slots can be counted.
  • test specimens which were compacted in the manufacturing process by means of a roof blade the twelve smallest slots still seven open slots, which before solidifying the height of 0.36 mm and 5 open slots, which before solidification of the height 0.48 mm corresponded.
  • specimens compacted in the manufacturing process by means of a radius blade had as the twelve smallest slits only one open slit which before solidification of the height corresponded to 0.36 mm and eleven open slits which corresponded before solidification of the height 0.48 mm ,
  • test specimens which were compacted in the manufacturing process by means of a flat blade had as the twelve smallest slits only twelve open slits, which corresponded before solidification of the height 0.48 mm.
  • a further first PI '' 'and second test body P2' '' are produced by means of the method and building material described above. Identical process steps and devices / materials are therefore not repeated.
  • a test specimen PI " 1 , P2"" which is hollow inside and filled with unconsolidated powder is produced with a side wall which is open on the upper side and closed by a bottom on the underside.
  • the specimen is an upwardly open cylinder He may also be shaped differently, for example in the form of an upwardly open cube or cuboid.
  • the first PI '''and the second sample P2''' are made to have the same inner dimensions, respectively. Consequently, they also have an equal size powder surface AI and A2.
  • a first height of the powder surface is determined relative to the side wall of the respective specimen.
  • a defined, in each case equal, force K is exerted on the powder surface by means of a compression device, for example by means of a compression punch or a compression plate with the surface A (shown schematically in FIG. 6c). This force is perpendicular to the powder surface and pushes it evenly downwards, ie towards the ground.
  • the measurement of the first height and the exertion of the force K is preferably carried out after removal of the specimen from the machine.
  • the compression is carried out in a powder rheometer.
  • a second height of the powder surface relative to the respective side wall is measured, and the height difference Ah between the first and the second measurement result is determined (shown schematically in FIG. 6c, FIG. 7, VS4).
  • the height difference is thus associated with the respective specimen, perpendicular to the course of the layer Length dimension. It corresponds to the distance the compression agent travels through the compression of the powder.
  • the compaction is defined, for example, as a percentage of compressibility, wherein the height difference (x%) is set in relation to the respective height of the powder surface before the application of the force K (100%).
  • Ah is larger in a second specimen P2 ''', which was produced from powder of lower powder density (FIG. 7, VS5).
  • a "maximum" reference value for example, a cylinder produced in this way can be produced from and filled with homogenized, uncompacted powder.
  • the specimens were then removed from the laser sintering machine.
  • the non-solidified powder inside the sample remained inside.
  • the height of the powder surface relative to the respective specimen was determined as described above.
  • a powder rheometer for example a Freemann FT 4 powder rheometer, was used with a compression punch. Subsequently, with the stamp a uniform pressure
  • a control unit according to the invention is furthermore so pro grammable ⁇ that it so controls laser sintering or laser melting apparatus according to the invention that at least the
  • Steps of applying powder material, as well as the selective solidification for producing a first inventive ⁇ specimen are executed.
  • a He ⁇ invention according to "control unit is programmed so that at least the steps of applying powder material, and the se ⁇ -selective solidification are carried out for producing a first erfindungsge- MAESSEN specimen.
  • contemporary control unit is programmed so that at least the Steps of applying powder material, the optional compaction and the selective solidification are carried out for producing a first specimen according to the invention and these steps are optionally repeated.
  • the imagesetter may comprise, for example, one or more gas or solid-state lasers or any other type of laser such as laser diodes, in particular Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) or Vertical External Cavity Surface Emitting Laser (VECSEL), or a line of these lasers.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • VECSEL Vertical External Cavity Surface Emitting Laser
  • any device can be used as an imagesetter, with the energy as wave or particle radiation selectively to a
  • Layer of the building material can be applied.
  • a laser for example, another light source, an electron beam or any other energy or radiation source can be used, which is suitable to solidify the building material.
  • deflecting a beam it is also possible to use exposure with a movable line imagesetter.
  • selective mask sintering using an extended light source and a mask, or high-speed sintering (HSS), which selectively applies to the build material a material that increases the radiation absorption at the respective sites (absorption sintering) ) or reduced (inhibition sintering), and then exposed nonselectively over a large area or with a movable line exposer the invention can be applied.
  • HSS high-speed sintering
  • the selective solidification of the applied build-up material can also be done by 3D printing, for example by applying an adhesive.
  • the invention relates to the generative production of an object by means of layered application and selective solidification of a building material, regardless of the manner in which the building material is solidified.
  • various materials may be used, preferably powder, in particular metal powder, plastic powder, ceramic powder, sand, filled or mixed powder.

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Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Bestimmung einer relativen Pulverbettdichte in einer Vorrichtung zum Herstellen zumindest eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumaterials. Das Verfahren umfasst zumindest einen ersten Probekörper und die Schritte: a) Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials innerhalb eines Baufelds mittels eines über das Baufeld fahrenden Beschichters, b) optionales Verdichten der aufgebrachten Schicht des Aufbaumaterials, c) selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die einem Querschnitt des zumindest einen herzustellenden ersten Probekörpers entsprechen, mittels einer Verfestigungsvorrichtung und d) optionales Wiederholen der Schritte a) bis c), bis der zumindest eine erste Probekörper fertiggestellt ist. Des Weiteren umfasst das Verfahren die Schritte: Bestimmen zumindest einer dem zumindest einen ersten Probekörper zugeordneten Längenabmessung senkrecht zu einem Schichtverlauf des pulverförmigen Aufbaumaterials und Vergleichen der zumindest einen ermittelten Längenabmessung mit zumindest einer entsprechenden Längenabmessung zumindest eines zweiten Probekörpers.

Description

Verfahren zur Bestimmung einer relativen Pulverbettdichte in einer Vorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung einer relativen Pulverbettdichte in einer Vorrichtung zum genera- tiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials, vorzugsweise eines Pulvers.
Vorrichtungen und Verfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts werden beispielsweise beim Rapid Pro- totyping, Rapid Tooling oder Additive Manufacturing verwendet. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist unter dem Namen "Selektives Lasersintern oder Laserschmelzen" bekannt. Dabei wird wiederholt eine dünne Schicht eines pulverförmigen Aufbauma;te- rials aufgebracht und das Auf aumaterial in jeder Schicht durch selektives Bestrahlen von einem Querschnitt des herzustellenden Objekts entsprechenden Stellen mit einem Laserstrahl selektiv verfestigt .
Dabei spielt die Pulverbettdichte vor der Verfestigung im Hinblick auf die Qualität des herzustellenden oder hergestellten Objekts und die Prozessstabilität eine große Rolle. Die
DE 102006023484 AI beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfah- ren zum Verdichten von pulverförmigem Aufbaumaterial , wobei das Aufbaumaterial vorzugsweise ein Mischpulver aus Neu- und Altmaterial ist.
Durch die in der DE 102006023484 AI beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren kann durch Erhöhung der Pulverbettdichte sowohl die Auffrischrate, d.h. den Anteil des Neupulvers im Mischpulver, verringert, als auch ermöglicht werden, ein Pulver zu verwenden, welches wegen zu geringer Schmelzviskosität nicht oder nur bedingt für den Lasersinterprozess ge- eignet ist.
Die Pulverbettdichte wird darin wie folgt quantitativ ermittelt: Ein geschlossenes hohles dünnwandiges quaderförmiges Lasersinter-Bauteil wird derart belichtet, dass das beim Belich- ten eingeschlossene Volumen einen sich aus den Innenabmessungen des Behälters in den Richtungen xyz ergebenden Wert hat, wobei sich die z-Richtung senkrecht zum Pulververlauf erstreckt. Das so gebaute Teil wird von außen von anhaftenden Pulverresten befreit und gewogen. Anschließend wird das Teil aufgeschnitten und das im Inneren befindliche Pulver entleert, sowie das leere Teil wieder gewogen. Die Differenz der Massen entspricht der Masse des eingeschlossenen Pulvervolumens. Da das Pulvervolumen bekannt ist, lässt sich daraus die Dichte des Pulverbetts berechnen. Allerdings ist die absolute Dichtemessung aufgrund zahlreicher Unwägbarkeiten oft kompliziert. Folglich besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein alternatives bzw. verbessertes Verfahren bzw. eine alternative bzw. verbesserte Vorrichtung zum Bestimmen der Pulverbettdichte bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 12 bzw. eine Steuereinheit gemäß Anspruch 15. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben. Dabei kann das Verfahren auch durch die untenstehen- den bzw. in den Unteransprüchen ausgeführten Merkmale der Vorrichtungen weitergebildet sein oder umgekehrt, bzw. die Merkmale der Vorrichtungen können auch jeweils untereinander zur Weiterbildung genutzt werden. Merkmale verschiedener vorteilhafter Weiterbildungen und Ausführungsformen können ferner un- tereinander kombiniert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Bestimmung einer relativen Pulverbettdichte in einer Vorrichtung zum Herstellen zumindest eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumaterials . Das Verfahren umfasst zumindest einen ersten Probekörper und die Schritte
a) Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials innerhalb eines Baufelds mittels eines über das Baufeld fahren- den Beschichters,
b) optionales Verdichten der aufgebrachten Schicht des Aufbaumaterials,
c) selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die einem Querschnitt des zumindest einen herzustellenden ers- ten Probekörpers entsprechen, mittels einer Verfestigungsvorrichtung und d) optionales Wiederholen der Schritte a) bis c) , bis der zumindest eine erste Probekörper fertiggestellt ist. Des Weiteren umfasst das Verfahren die Schritte:
Bestimmen zumindest einer dem zumindest einen ersten Probekör- per zugeordneten Längenabmessung senkrecht zu einem Schichtverlauf des pulverförmigen Aufbaumaterials und
Vergleichen der zumindest einen ermittelten Längenabmessung mit zumindest einer entsprechenden Längenabmessung zumindest eines zweiten Probekörpers.
Durch die relative Bestimmung der Pulverbettdichte kann beispielsweise im Vergleich zur quantitativen Bestimmung der Pulverbettdichte eine genauere Aussage über die Dichte getroffen werden. Die Genauigkeit kann im Falle exakt gleicher Baubedin- gungen des ersten und zweiten Probekörpers dadurch gegeben sein, dass die Temperaturabhängigkeit des Bauprozesses bei einer relativen Bestimmung der Pulverbettdichte gleichermaßen miteinfließt . Vorzugsweise wird der zumindest eine zweite Probekörper mittels eines pulverbasierten generativen Schichtbauverfahrens hergestellt, vorzugsweise unter Verwendung des gleichen pulverförmi- gen Aufbaumaterials wie zur Herstellung des zumindest einen ersten Probekörpers. Dies erleichtert den Abgleich zwischen dem ersten und dem zweiten Probekörper erheblich, da den beiden
Probekörpern dann - bildlich gesprochen analog zu einem gemeinsamen Koordinatensystem - bestimmte gemeinsame technische Ausgangsvoraussetzungen zugrunde liegen, aufgrund derer die Unterschiede beim Vergleich der beiden Probekörper dann besonders signifikant und auswertbar sind. Vorzugsweise wird zur Herstellung des ersten Probekörpers ein Verdichtungsschritt b) durchgeführt und zur Herstellung des zweiten Probekörpers kein Verdichtungsschritt b) durchgeführt. Dadurch kann beispielsweise die Effizienz einer Verdichtungsmethode im direkten Vergleich mit unverdichtetem Pulver verglichen werden.
Alternativ werden zur Herstellung des ersten und des zweiten Probekörpers unterschiedliche Verdichtungsschritte b) durchgeführt .
Dadurch können beispielsweise die Effizienzen zweier verschiedener Verdichtungsmethoden im direkten Vergleich miteinander verglichen werden.
Vorzugsweise wird oder werden der erste und/oder der zweite Probekörper vor Ermitteln der zumindest einen Längenabmessung aus der Vorrichtung heraus entnommen, was die Vermessbarkeit erheblich vereinfachen kann.
Vorzugsweise werden die Schritte a) des Pulveraufbringens und b) des Verdichtens derart durchgeführt, dass die im Schritt c) zu verfestigende Schichtdicke des ersten Probekörpers genauso groß ist wie die im Schritt c) zu verfestigende Schichtdicke des zweiten Probekörpers. Auch diese Maßnahme dient u.a. der Bereitstellung einer verbesserten Basis für den Vergleich der beiden Probekörper. Vorzugsweise erfolgen der Schritt a) des Pulveraufbringens und der Schritt b) des Verdichtens der aufgebrachten Schicht gleichzeitig. Vorzugsweise ist der erste und der zweite Probekörper jeweils ein Plättchen, welches durch einmaliges Durchführen der
Schritte a) , b) und c) hergestellt wird. Vorzugsweise
ist die zumindest eine zu bestimmende Längenabmessung eine Abmessung des Probekörpers senkrecht zur verfestigten Schicht.
Alternativ werden der erste und der zweite Probekörper durch mindestens zweimaliges, bevorzugt vielmaliges, Durchführen der Schritte a) , b) und c)' hergestellt
Dabei sind vorzugsweise der erste und der zweite Probekörper jeweils ein nach oben offener, mit unverfestigt gebliebenem Pulver gefüllter zylinderförmiger Behälter, wobei die beiden Probekörper die gleichen geometrischen Innenabmessungen aufweisen. Zum Bestimmen der zumindest einen einem Probekörper zugeordneten Längenabmessung wird vorzugsweise jeweils ein definierter Druck auf die unverfestigt gebliebene Pulveroberfläche des Probekörpers aufgebracht. Bevorzugt ist die daraus resul- tierende Höhenänderung der Pulveroberfläche die zumindest eine Längenabmessung.
Dadurch kann das Verfahren maschinell durchgeführt werden und ist im Wesentlichen unabhängig von einer subjektiven Beurtei- lung durch eine ausführende Person.
Alternativ ist der erste und der zweite Probekörper jeweils ein Objekt mit n Ausnehmungen, wobei n eine natürliche Zahl ist, und wobei jede Ausnehmung einen Nichtverfestigungsbereich einer vorgegebenen Längenabmessung umfasst, in welchem eine oder mehrere Schichten von der Verfestigung ausgenommen wurden und die den Probekörpern zugeordneten Längenabmessungen jene vorgegebenen Längenabmessungen der Nichtverfestigungsbereiche sind, wobei nur die Nichtverfestigungsbereiche berücksichtigt werden, die nach Fertigstellung der Probekörper sichtbar sind.
Dadurch kann die relative Pulverbettdichte beispielsweise optisch ohne großen Aufwand des Abmessens beurteilt werden. Die Pulverbettdichte kann so auch mit dem bloßen Auge beurteilt werden .
Vorzugsweise ist der erste und der zweite Probekörper jeweils ein dreidimensionales Objekt mit n Nichtverfestigungsbereichen, wobei n ^ 1 ist und wobei sich zumindest zwei, vorzugsweise alle n, Nichtverfestigungsbereiche in ihren vorgegebenen Län- genabmessungen senkrecht zum Schichtverlauf des pulverförmigen Aufbaumaterials voneinander unterscheiden.
Dadurch kann die optische Beurteilung beispielsweise vereinfacht sein.
Vorzugsweise werden an den Probekörpern, insbesondere an den Ausnehmungen, anhaftende Pulverkörner nach ihrer Fertigstellung entfernt, vorzugsweise durch Abstrahlen. Dies erhöht die Genauigkeit der Beurteilung.
Vorzugsweise werden zumindest zwei, bevorzugt eine Vielzahl von ersten Probekörpern und/oder zumindest zwei, bevorzugt eine Vielzahl von zweiten Probekörpern hergestellt und/oder zumin- dest zwei, bevorzugt eine Vielzahl von Längenabmessungen an den Probekörpern ermittelt und die Längenabmessungen des oder der ersten Probekörper ( s ) und die Längenabmessungen des oder der zweiten Probekörper ( s ) anhand einer geeigneten Kennziffer verglichen, wobei die Kennziffer vorzugsweise ein Mittelwert oder eine Häufigkeitsverteilung der Längenabmessungen ist. Dadurch kann die relative Pulverbettdichte noch genauer bestimmt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Herstellen zumindest eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumateri- als. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
a) Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials innerhalb eines Baufelds mittels eines über das Baufeld fahrenden Beschichters,
b) optionales Verdichten der aufgebrachten Schicht des Aufbaumaterials,
c) selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die einem Querschnitt des zumindest einen herzustellenden Objekts entsprechen, mittels einer Verfestigungsvorrichtung und d) optionales Wiederholen der Schritte a) bis c) , bis das zumindest eine Objekt fertiggestellt ist,
wobei das Aufbaumaterial derart verfestigt wird, dass zumindest ein erster Probekörper hergestellt wird und zur Bestimmung einer relativen Pulverbettdichte folgende Schritte durchgeführt werden:
Bestimmen zumindest einer dem zumindest einen ersten Probekörper zugeordneten Längenabmessung senkrecht zu einem Schichtverlauf des pulverförmigen Aufbaumaterials und
Vergleichen der zumindest einen ermittelten Längenabmessung mit zumindest einer entsprechenden Längenabmessung zumindest eines zweiten Probekörpers. Vorzugsweise werden zumindest ein Objekt und zumindest ein erster und/oder zweiter Probekörper hergestellt.
Die erfindungsgemäße programmierbare Steuereinheit dient für eine Vorrichtung zum Herstellen zumindest eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumaterials . Die Steuereinheit ist ausgebildet, die Vorrichtung so zu steuern, dass sie alle Schritte a) und c) sowie optional b) und/oder d) eines Verfahrens wie oben definiert ausführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Herstellen zumindest eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Auf aumateri- als. Die Vorrichtung weist einen über ein Baufeld bewegbaren Beschichter zum Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials innerhalb des Baufelds auf, eine Verdichtungseinrichtung zum Verdichten der aufgebrachten Schicht des Aufbaumaterials , wobei die Verdichtungseinrichtung optional integral mit dem Beschich- ter ausgebildet sein kann, und eine Verfestigungsvorrichtung zum selektiven Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die einem Querschnitt des zumindest einen herzustellenden Objekts entsprechen, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet und/oder gesteuert ist, die Schritte des Aufbringens und des selektiven Verfestigens zu wiederholen, bis das zumindest eine Objekt fertiggestellt ist, und wobei die Vorrichtung des Weitern die oben beschriebene erfindungsgemäße Steuereinheit um- fasst . Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen, die nicht zwangsläufig als maßstäblich zu verstehen sind.
Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Objekte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Fig. 2: eine schematische perspektivische Seitenansicht des Pulverauftragens mit dem Beschichter und ei- ner Verdichtungsklinge aus Fig. 1
Fig. 3 a)-c): eine schematische Darstellung des Querschnitts dreier Verdichterklingen die im Beispiel aus Fig. 2 zur Anwendung kommen können
Fig. 4 a) , b) : eine schematische Darstellung des Querschnitts von Plättchen gemäß einer ersten Ausführungsform in einem Pulverbett Fig. 5 a), b) : eine schematische Darstellung des Querschnitts von Schlitzen gemäß einer zweiten Ausführungsform in einem gefertigten Bauteil
Fig . 6 : a) -c) eine schematische Darstellung des Querschnitts eines gefertigten Bauteils mit unverfestigtem Pulver im Inneren und Aufbringen einer Kompressibilitätskraft gemäß einer dritten Ausführungsform
Fig. 7: Allgemeine Übersicht über die Verfahrensschritte Im Folgenden wird mit Bezug auf Fig. 1 als beispielhafte erfindungsgemäße Herstellvorrichtung eine Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 für das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. Zum Aufbauen eines Objekts 2 enthält sie eine Pro- zesskammer 3 mit einer Kammerwandung 4. Als Objekt 2 wird hier sowohl das zu bildende Bauteil, als auch ein Probekörper verstanden .
In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben hin offenen Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6 angeordnet. Des Weiteren ist in dem Behälter 5 ein darin in vertikaler Richtung V bewegbarer Träger 7 angeordnet, der das zu bildende Objekt 2 direkt oder indirekt trägt. Beispielsweise kann zwischen dem zu bildenden Objekt 2 und dem Träger 7 eine Grundplatte 8 in dem Behälter 5 angeordnet sein. Der Träger 7 wird in vertikaler Richtung so eingestellt, dass die jeweils zu verfestigende Schicht des Objekts in einer Arbeitsebene 9 liegt. Weiter ist ein Vorratsbehälter 10 für ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares pulverförmiges Aufbaumaterial 11 und ein in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter 12 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 11 vorgesehen. Vorzugsweise erstreckt sich der Beschichter 12 quer zu seiner Bewegungsrichtung über den ganzen zu beschichtenden Bereich. Das Aufbaumaterial 11 ist vorzugsweise ein Pulver. Insbesondere wird ein Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver verwendet. Bevorzugt wird ein Kunststoffpulver, beispielsweise ein Polymerpulver wie Polyamid, insbesondere Polyamid 12, oder Polystyrol verwendet. Das Pulver kann als Neu-, Alt- oder Mischpulver vorliegen. Die Vorrichtung weist ferner einen Laser 13 auf. Der durch den Laser 13 erzeugte Laserstrahl 14 wird durch eine Ablenkeinrichtung 15 und durch eine Fokussiervorrichtung 16 auf ein Einkoppelfenster 17 gelenkt und von diesem in die Prozesskammer 3 hindurch gelassen und in einem vorbestimmten Punkt in der Arbeitsebene 9 fokussiert. Durch den Laserstrahl 14 wird die aufgebrachte Schicht des Aufbaumaterials an den Stellen, welche einem Querschnitt des herzustellenden Objekts entsprechen, selektiv verfestigt.
Es ist ferner eine Steuereinheit 18 vorgesehen, über die die Bestandteile der Vorrichtung in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Eine erfindungsgemäße Steuereinheit 18 ist wie unten beschrieben ausgebildet.
Die Lasersintervorrichtung 1 kann des Weiteren eine Verdichtungsvorrichtung zum Verdichten von pulverförmigen Aufbaumaterial 11 aufweisen. Diese kann beispielsweise wie in Fig. 2 gezeigt ausgebildet sein. Der Beschichter 12 weist zwei in einem Abstand zueinander und in einem Abstand oberhalb der Arbeitsebene angeordnete Backen 51, 52 auf, zwischen denen sich ein Pulvervorrat 20 befindet. Die Backen erstrecken sich über die gesamte Breite des Baufelds. An den einander zugewandten Innenseiten der Backen ist jeweils eine Klinge 60, 61 vorgesehen, die sich ebenfalls über die gesamte Baufeldbreite erstreckt und die an der Backe jeweils in Richtung der Arbeitsebene nach unten hervorsteht. Die Klingenunterseite weist von der Trägeroberfläche bzw. der zuletzt verfestigten Schicht einen Abstand d auf, der der Schichtdicke der gewünschten Schicht entspricht. An der der Arbeitsebene zugewandten Unterseite weisen die Klingen schräge Flächen 60c, 61c auf. Die schrägen Flächen bilden eine Auftragsfläche. Durch ihre Form kann die Klinge 60, 61 sowohl beschichten, als auch das Pulver verdichten und wird daher im Folgenden als Verdichterklinge bezeichnet. In Fig.2 ist die dargestellte momentane Verfahrrichtung des Beschichters 12 mit B angegeben.
Beim Betrieb der Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 mit einer oben beschriebenen Verdichtungsvorrichtung wird zusätzlich das Aufbaumaterial 11 vor jedem Beschichtungsvorgang in dem Beschichter 12 in einer solchen Menge zugeführt, die ausreicht, eine Schicht des Pulvers aufzutragen. Anschließend fährt der Beschichter 12 über das Baufeld, wobei die Verdichterklinge 60 eine Schicht 21 mit der vorbestimmten Pulver¬ schichtdicke d aufbringt. Diese Pulverschichtdicke d entspricht dem oben genannten voreingestellten, vorbestimmten Abstand zwischen der Unterseite der Klinge, in diesem Falle der Unterkante der Klinge 60, 61 und der Trägeroberfläche bzw. der zuletzt verfestigten Schicht. Durch die in Beschichtungsrichtung B schräg angestellte Fläche 60c wird auf das zu verteilende Pulver, das sich in der vor der Verdichterklinge 60 befindlichen Pulversäule befindet, eine Kraft, die in die Arbeitsebene hineingerichtet ist, ausgeübt. Damit wird das Pulver 20 beim Aufbringen der Schicht kompri- miert . Auftragen der Pulverschicht und Kompression können so im Wesentlichen gleichzeitig stattfinden. Eine aufgetragene und verdichtete Pulverschicht entspricht in ihrer Höhe bzw. Dicke der oben genannten vorbestimmten Dicke d, welche beispielsweise 0,10 mm, 0,12 mm oder 0,15 mm hoch bzw. dick sein kann. Anschließend wird mit dem Laserstrahl der Querschnitt des Objekts 3 in der jeweiligen Schicht bestrahlt und das Pulver somit verfestigt. Danach wird der Beschichter 5 wieder mit Pulver befüllt und wird in einer Richtung entgegen der in Fig. 2 ge- zeigten Richtung B bewegt. Dabei wirkt die zweite Verdichterklinge 61, die spiegelsymmetrisch zu der ersten Verdichterklinge 60 ausgebildet ist, als Beschichter und trägt eine neue Pulverschicht auf die zuletzt verfestigte Schicht bzw. das den verfestigten Bereich umgebende Pulver auf.
Alternativ zu den Klingen der oben beschriebenen Verdichtungsvorrichtung kann die Verdichtungsvorrichtung auch andersartig ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Klinge als Flachklinge F mit einer der Pulveroberfläche im Wesentlichen paral- lelen Fläche 60c' (Fig. 3 a) , als Radiusklinge R mit einer abgerundeten Oberfläche 60c'' (Fig. 3b) oder Dachklinge D mit zwei schräg aufeinander zulaufende Flächen 60c' ' ' und 60c' ' ' ' (Fig. 3c) ausgebildet sein. Alternativ kann die Verdichtungsvorrichtung auch beispielsweise als Rolle bzw. als Walze ausge- bildet sein. Die Verdichtung läuft im Wesentlichen analog zum oben Beschriebenen ab. Sie kann im Wesentlichen zeitgleich oder nach dem Auftragen erfolgen. Vorzugsweise laufen Auftragen und Verdichten gleichzeitig ab. Eine unterschiedliche Dichte des Pulverbettes vor Verfestigung kann sich aber auch aus der Wahl unterschiedlicher Pulver oder unterschiedlichen Pulvermaterials ergeben. Im Falle des gleichen Pulvers kann beispielsweise ein Altpulver im Vergleich zum entsprechenden Neu- oder Mischpulver eine geringere Pulver- dichte aufweisen. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Eindringtiefe des Energiestrahls bei unverfestigtem Pulver von geringer Verdichtung im Vergleich zu unverfestigtem Pulver von höherer Verdichtung erhöht ist. Die relative Erhöhung der Pulverbettdichte, z.B. mittels der oben beschriebenen Klingen kann so durch die im Folgenden beschriebenen Verfahren bestimmt werden.
Zur besseren Veranschaulichung werden alle hier vorliegenden Ausführungsformen und Bespiele so beschrieben, dass der mindestens eine erste Probekörper PI nach dem optionalen Verdichten des Pulverbettes eine höhere Pulverbettdichte aufweist als der mindestens eine zweite Probekörper P2 nach dem andersartigen Verdichtungsschritt bzw. ohne den Verdichtungsschritt. Selbstverständlich kann es sich aber auch umgekehrt verhalten. Entsprechend sind die jeweils ersten Probekörper PI, welche im Vergleich zu einem jeweils zweiten Probekörper P2 aus einem Pulver mit einer höheren Verdichtung generiert werden, in den Fig. 4a), 5a) und 6a), die jeweils zweiten Probekörper P2, welche aus einem Pulver mit einer geringeren Verdichtung generiert werden, in den Fig. 4b), 5b) und 6b) dargestellt. Eine allgemeine Übersicht der Verfahrensschritte (VS) zeigt Fig. 7.
In einer ersten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens wird z.B. in einer oben beschriebenen Lasersinter- oder Laser- Schmelzvorrichtung wird wie aus Fig. 4a) ersichtlich als herzustellendes Objekt mindestens ein erster Probekörper PI aus einem Aufbaumaterial , vorzugsweise einem Pulver, hergestellt (siehe auch Fig. 7, VS1-VS3) . Hierzu wird mindestens eine Pulverschicht auf das Baufeld aufgebracht (Fig. 7, VS1) und ver- dichtet (Fig. 7, VS2), z.B. durch die oben beschriebenen Verdichtungsvorrichtungen. Vorzugsweise finden das Aufbringen der Pulverschicht und das Verdichten des Pulvers gleichzeitig statt. Die komprimierte Pulverschicht weist eine vorbestimmte, zu verfestigende Dicke d auf.
Anschließend wird der mindestens eine erste Probekörper PI in Form eines Plättchens PI', z.B. eines rechteckigen Plättchens, nach dem oben beschriebenen Verfahren durch selektives Verfestigen an Stellen, welche dem Querschnitt des herzustellenden Plättchens entsprechen, gefertigt (Fig. 7, VS3). Der Bauprozess findet vorzugsweise unter dem Fachmann geläufigen Standardbe- dingungen statt. Vorzugsweise wird lediglich eine einzige
Schicht belichtet (Fig. 7, VS3) . Das Plättchen PI' liegt dann, wie aus Fig. 4a) ersichtlich, inmitten von unverfestigtem Pulvermaterial vor und weist eine zum Pulververlauf senkrecht verlaufende Abmessung, die Dicke dl auf. Vorzugsweise werden meh- rere erste Probekörper, z.B. 2 bis 50 gleichzeitig oder nacheinander, d.h. durch Wiederholen der oben genannten Schritte hergestellt .
Im Anschluss wird mindestens ein zweiter Probekörper P2 durch den oben beschriebenen Prozess in derselben oder einer vergleichbaren Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung vorzugsweise unter Verwendung des gleichen Pulvers wiederholt (Fig. 4b, Fig. 7, VS1-VS3) . Vorzugsweise entsprechen alle Baubedingungen, wie z.B. Bautemperatur und Bauzeit, denen des Herstel- lungsprozesses des oben genannten ersten Probekörpers. Vorzugsweise entspricht auch die vorbestimmte, zu verfestigende Pulverschichtdicke d der vorbestimmten Pulverschichtdicke d im Herstellungsprozesses des oben genannten ersten Probekörpers durch entsprechende Einstellung des Beschichters und/oder der Verdichtungsvorrichtung. Anstelle der oben verwendeten Verdichtungsvorrichtung wird entweder eine andere Verdichtungsvorrichtung oder keine Verdichtungsvorrichtung verwendet. Die aufgebrachte Pulverschicht weist vor Verfestigung unabhängig von dem optionalen bzw. andersartigen Verdichtungsschritt die gleiche oben genannte Dicke d auf. Nach Herstellung des zweiten Probekörpers P2 in Form eines Plättchens P2 ' durch Belichten an selektiven Stellen (Fig. 7, VS3) , z.B. eines rechteckigen Plättchens, weist dieses eine zum Pulververlauf senkrecht verlaufende Länge, die Dicke d2 auf und liegt wie aus Fig. 4b) ersichtlich inmitten von unverfestigtem Pulvermaterial vor. Vorzugsweise werden mehrere zweite Probekörper, z.B. 2 bis 50 gleichzeitig oder nacheinander hergestellt. Die Plättchen werden nach Fertigstellung vorzugsweise gereinigt beispielsweise durch Strahlen mit Glaskugeln oder durch Reinigung mit einem Pinsel.
Die senkrecht zum Schichtverlauf verlaufenden Längen, die Dicken der oben genannten ersten und zweiten Probekörper dl und d2, werden anschließend vermessen (Fig. 7, VS4), beispielsweise mit einer Bügelmessschraube, vorzugsweise nach Entfernen der Probekörper aus der Maschine. Nach Ermittlung der Messwerte werden die Dicken dl und d2 des ersten Probekörpers PI' und des zweiten Probekörpers P2 ' miteinander verglichen (S5) . Im Falle mehrerer erster und/oder zweiter Probekörper wird eine geeignete Kennziffer gewählt, welche vorzugsweise ein Mittelwert o- der eine Häufigkeitsverteilung der jeweiligen Dicke di bzw. d2 ist .
Wie aus Fig. 4 a) und b) ersichtlich weist ein Plättchen PI', welches aus einem zuvor verdichteten Pulver gefertigt wurde, im Vergleich zu einem Plättchen P2 ' ohne Verdichtungsschritt eine geringere Dicke auf. Der oder die zweiten Probekörper P2 können auch vor oder gleichzeitig zu dem ersten Probekörper PI innerhalb eines Herstellungsprozesses hergestellt werden. Der zweite Probekörper P2 kann aber auch als Referenzkörper unabhängig von dem ersten Probekörper PI, d.h. in einem früheren Herstellungsprozess hergestellt sein. Die Bestimmung der senkrecht zum Schichtverlauf verlaufenden Dicke di bzw. d2 muss nicht zeitgleich mit der des ersten Probekörpers PI erfolgen. Sie kann auch einmalig als Referenzwert erfolgen und beispielsweise notiert und für später hergestellte erste oder weitere Probekörper herangezogen werden. Des Weiteren kann der Vergleich auch indirekt erfolgen, beispielsweise durch Ermittlung eines Quotienten aus Plättchendicke in Relation zu der voreingestellten Pulverschichtdicke vor Verfestigung und anschließendem Vergleich der Quotienten.
Wie oben erwähnt kann sich eine unterschiedliche Pulverbettdichte auch unabhängig von dem optionalen Verdichtungsschritt aus der. Wahl eines unterschiedlichen Pulvers oder eines unterschiedlichen Pulvermaterials ergeben. So können beispielsweise ein mindestens erster Probekörper PI aus einem Neu- oder Mischpulver und ein mindestens zweiter Probekörper P2 aus einem entsprechenden Altpulver wie oben erläutert hergestellt sein.
Beispiel 1
Jeweils sechs Plättchen pro Herstellungsbedingung (unterschiedliche Klingen, unterschiedliches Pulvermaterial) wurden in einer Lasersintermaschine nach dem oben beschriebenen Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform hergestellt. Die Bautemperatur betrug 170° C. Hierzu wurde ein PA2200 Misch- oder Altpulver verwendet. PA2200 ist der Handelsname des von der Anmelderin vertriebenen PA12- Pulvers . Zuerst wurden Pulverleerschichten, d.h. nicht belichtete Pulverschichten, mit einer Gesamtdicke von 6 mm aufgetra- gen. Jede einzelne Pulverschicht war 0,12 mm dick und wurde zeitglich mit dem Auftragen mittels einer Dach-, Radius- oder Flachklinge verdichtet. Die voreingestellten Schichtdicken waren mit und ohne Verdichtungsschritt vor dem Verfestigen mit 0,12 mm jeweils gleich groß. Dann erfolgte jeweils eine zu be- lichtende Pulverschicht, welche entsprechend den jeweiligen
Leerschichten aufgetragen wurde. Im Anschluss wurde die. jeweils eine Pulverschicht selektiv in x- und y-Richtung belichtet, so dass ein rechteckiges Plättchen hergestellt wurde. Die Plättchen wurden nach der Herstellung aus der Lasersintermaschine entfernt und in ihrer senkrecht zur Pulverauftragung verlaufenden Dicken vermessen. Aus den ermittelten Werten einer jeden Herstellungsbedingung (jeweilige Klinge, jeweiliges Pulvermaterial) wurde der Mittelwert, sowie die Standardabweichung - im Diagramm 1 durch jeweils einen senkrechten Strich dargestellt - bestimmt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 und teilweise in Diagramm 1 zusammengefasst . Plättchen, welche mit einem Verdichtungsschritt höherer Effizienz hergestellt wurden (Dachklinge > Ra- diusklinge > Flachklinge) , weisen eine vergleichsweise geringere Dicke auf (Dachklinge < Radiusklinge < Flachklinge) .
Plättchen, welche mit einem vergleichsweise frischerem Pulvermaterial hergestellt wurden, weisen eine vergleichsweise gerin¬ gere Dicke auf (Mischpulver < Altpulver) .
Tabelle 1 Klingenart Dac kiinge Radiuskl ge F!ac klmge
Plättehen- Mischpulver 0,215 0,221 0,226
dicke [mm] Ältpulver 0,283 0,321 0,321
Diagramm 1
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Radiusklinge Dachklinge flachklinge
In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird wie aus Fig. 5 ersichtlich ein andersartiger erster und zweiter Probekörper PI ' ' , P2 ' ' mittels des oben beschriebenen Verfahrens und Aufbaumaterials hergestellt. Identische Verfahrensschritte und Vorrichtungen/Materialien werden deshalb nicht wiederholt .
Im Folgenden beruht die unterschiedliche Pulverbettdichte auf der Verwendung unterschiedlicher Verdichtungsvorrichtungen. Wie oben erwähnt kann eine unterschiedliche Pulverbettdichte jedoch auch unabhängig von einem Verdichtungsschritt vom Alter des Pulvermaterials abhängen.
Zur Herstellung des ersten und zweiten Probekörpers, PI'' und P2 ' ' werden die oben beschriebenen Schritte des Aufbringens von Aufbaumaterial (Fig. 7, VS1), des optionalen Verdichtens
(Fig. 7, VS2, VS2 ' ) und des selektiven Verfestigens (Fig. 7, VS3) für jeweils jeden Probekörper mindestens dreimal, vorzugsweise vielmalig (Fig. 7, d) ) durchgeführt. Dabei werden in dem ersten PI und in dem zweiten Probekörper P2 eine oder mehrere Pulverschichten einer vorbestimmten Längenabmessung selektiv von der Verfestigung ausgenommen. Die Pulverschichten sind vorzugsweise so von der Verfestigung ausgenommen, dass sich der Nichtverfestigungsbereich entweder über die gesamte Breite oder über die gesamte Länge des Probekörpers erstreckt (x- oder y- Richtung) . Die Anzahl dieser Nichtverfestigungsbereiche entspricht einer natürlichen Zahl n, wobei die Null ausgeschlossen ist. So entstehen nach Verfestigung ein erster und ein zweiter Probekörper gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Ausnehmungen S,s, welche beispielsweise als
Schlitze ausgebildet sein können. Sie können jedoch auch andersartig, z.B. in Form von Nuten ausgebildet sein. Der Probekörper gemäß der zweiten Ausführungsform kann beispielsweise als Block in Form eines Würfels oder Quaders ausgebildet sein.
Je nach Anzahl der von der Verfestigung ausgenommenen Pulverschichten können die Nichtverfestigungsbereiche unterschiedlich groß sein. Beispielsweise können 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr Pulverschichten in einem vorbestimmten Bereich von der Verfestigung ausgenommen sein. Eine Pulverschicht kann beispielsweise 0,12 mm dick sein, so dass die Abmessungen der Nichtverfestigungsbereiche in x-Rich- tung (senkrecht zum Pulververlauf) 0,12 mm, 0,24 mm, 0,36 mm, 0,48 mm, 0,60 mm und mehr betragen können. Die Reihenfolge, An- zahl, Größe und Position der Nichtverfestigungsbereiche kann dabei unter Berücksichtigung des oben Beschriebenen beliebig gewählt sein. Es ist jedoch zweckmäßig, sie in dem ersten und zweiten Probekörper gleich zu wählen. Anhaftende Pulverkörner werden vorzugsweise nach Fertigstellung des oder der Probekör- per entfernt, insbesondere durch Abstrahlen.
Nach Fertigstellung des oder der Probekörper wird die senkrecht zum Schichtverlauf verlaufende Abmessung der Ausnehmung (en) , d.h. die Höhe h bestimmt (Fig. 7, VS4) . Insbesondere wird die Anzahl der kleinsten Ausnehmungen im jeweiligen Probekörper optisch bestimmt (Fig. 7, VS4). Z.B. so, dass der jeweilige Probekörper gegen das Licht gehoben und die Anzahl der sichtbaren kleinsten Ausnehmungen mit dem Auge ermittelt wird. Die Anzahl stellt dann die zu vergleichende Kennziffer dar (Fig. 7, VS5) . Zusätzlich oder alternativ kann die senkrecht zum Schichtverlauf verlaufende Höhe der Ausnehmungen vermessen werden. Vorzugsweise wird die Anzahl der kleinsten Ausnehmungen in Kombination mit der Höhe der Ausnehmungen bestimmt. Wie schematisch in Fig. 5 dargestellt werden Ausnehmungen s in einem zweiten Probekörper P2 ' ' , welcher aus Pulver mit geringerer Verdichtung hergestellt ist, aufgrund der hohen Eindringtiefe des Energiestrahls eher mit aufgeschmolzen als Ausnehmungen in einem ersten Probekörper PI'' mit vergleichsweise höhe- rer Pulverdichte. Folglich ist auch die Anzahl der kleinsten
Ausnehmungen in einem ersten Probekörper PI ' ' , welcher aus verdichtetem Pulver hergestellt ist, größer im Vergleich zu einem zweiten Probekörper P2 ' ' , welcher aus nichtverdichtetem Pulver hergestellt ist. Gleichzeitig ist die Höhe der Ausnehmung in einem zweiten Probekörper, welcher aus einem Pulver mit vergleichsweise geringerer Pulverbettdichte hergestellt wurde, im Vergleich zu der jeweils korrespondierenden Ausnehmung in einem ersten Probekörper, welcher aus einem Pulver mit vergleichsweise höherer Pulverbettdichte hergestellt wurde, geringer.
Beispiel 2
Jeweils 12 Probekörper pro Verdichtungsvorrichtung (in zwei z- Lagen jeweils sechs Probekörper in einem Bereich mit gleicher Pulverbetttemperatur) wurden in einer Lasersintermaschine nach dem oben beschriebenen Verfahren gemäß der zweiten Ausführungs¬ form hergestellt. Die Bautemperatur betrug 170° C.
Hierzu wurde ein PA2200 Pulver verwendet. Zuerst wurden Pulverleerschichten, d.h. nicht belichtete Pulverschichten, mit einer Gesamtdicke von 6 mm aufgetragen. Jede einzelne Pulverschicht war 0,12 mm dick und wurde zeitglich mit dem Auftragen mittels einer Dach-, Radius- oder Flachklinge verdichtet. Die Schichtdicken waren mit und ohne Verdichtungsschritt vor dem Verfestigen mit 0,12 mm jeweils gleich groß. Dann erfolgten die zu belichtenden Pulverschichten, welche entsprechend den jeweiligen Leerschichten aufgetragen wurden. Selektiv wurden jeweils zwölf Bereiche von 3, 4, oder 5 Pulverschichten, entsprechend
0,36 mm, 0,48 mm und 0,60 mm, und einer vorbestimmten Längenabmessung nicht verfestigt. Die Probekörper wurden dann aus der Lasersintermaschine entfernt. Anhaftende Pulverkörner wurden mittels Abstrahlen entfernt. Die Anzahl der zwölf kleinsten ge- öffneten Ausnehmungen, hier in Form von Schlitzen, wurde durch gegen das Licht halten der Probekörper optisch bestimmt. Die Ergebnisse sind in Diagramm 2 zusammengefasst . Probekörper, welche mit einem Verdichtungsschritt höherer Effizienz hergestellt wurden (Dachklinge > Radiusklinge > Flachklinge), weisen eine vergleichsweise größere Anzahl an kleinsten Ausnehmungen aus (Dachklinge > Radiusklinge > Flachklinge). Beispielsweise können die zwölf kleinsten Schlitze gezählt werden. Im gezeigten Beispiel wiesen Probekörper, welche im Herstellungsprozess mittels einer Dachklinge verdichtet wurden, als die zwölf kleinsten Schlitze noch sieben offene Schlitze auf, welche vor Verfestigung der Höhe 0,36 mm und 5 offene Schlitze auf, welche vor Verfestigung der Höhe 0,48 mm entsprachen. Hingegen wiesen Probekörper, welche im Herstellungsprozess mittels einer Radiusklinge verdichtet wurden, als die zwölf kleinste Schlitze nur noch einen offene Schlitz, welche vor Verfestigung der Höhe 0,36 mm entsprach und elf offene Schlitze auf, welche vor Verfestigung der Höhe 0,48 mm entsprachen. Probekörper, welche im Herstellungsprozess mittels einer Flachklinge verdichtet wurden, wiesen hingegen als die zwölf kleinsten Schlitze nur noch zwölf offene Schlitze auf, welche vor Verfestigung der Höhe 0,48 mm entsprachen.
Diagramm 2
Schlitzplatten
Figure imgf000027_0001
Radiusklinge Dachklinge Flach klinge
ΆΟ,Μ ■ 0,48 Hl 0,6
In einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wie aus Fig. 6 ersichtlich ein weiterer erster PI ' ' ' und zweiter Probekörper P2 ' ' ' mittels des oben beschriebenen Verfahrens und Aufbaumaterials hergestellt. Identische Verfahrensschritte und Vorrichtungen/Materialien werden deshalb nicht wiederholt.
Zur Herstellung des ersten PI' ' ' und zweiten Probekörpers P2 ' ' ' werden die oben beschriebenen Schritte des Aufbringens von Aufbaumaterial (Fig. 7, VS1), des optionalen Verdichtens (Fig. 7, VS2)und des selektiven Verfestigens (Fig. 7, VS3) für jeweils jeden Probekörper mindestens zweimal, vorzugsweise vielmalig durchgeführt ( Fig . 7, d) ) . Dabei wird ein innen hohler, mit un- verfestigtem Pulver gefüllter Probekörper PI ' ' 1 , P2 ' ' ' mit einer Seitenwandung hergestellt, welcher auf der Oberseite offen und durch einen Boden auf der Unterseite geschlossen ist. Der so hergestellte Probekörper ist somit ein Behälter. Vorzugsweise ist der Probekörper ein nach oben offener Zylinder Er kann aber auch andersartig geformt sein, z.B. in Form eines nach oben offenen Würfels oder Quaders. Wichtig ist dabei, dass keine Deckschichten auf die letzte belichtete Fläche aufgelegt werden, so dass der Probekörper mit der Pulverbettoberfläche unangetastet entnommen und vermessen werden kann. Wie schematisch in Fig. 6 dargestellt, werden der erste PI ' ' ' und der zweite Probekörper P2 ' ' ' so hergestellt, dass sie jeweils die gleichen Innenabmessungen aufweisen. Folglich weisen sie auch eine gleich große Pulveroberfläche AI und A2 auf.
Nach Fertigstellung der Probekörper PI'1', P2 ' ' ' wird jeweils eine erste Höhe der Pulveroberfläche relativ zur Seitenwandung des jeweiligen Probekörpers bestimmt. Anschließend wird eine definierte, jeweils gleich große Kraft K mittels einer Kompressionsvorrichtung auf die Pulveroberfläche ausgeübt, beispielsweise mittels eines Kompressionsstempels oder einer Kompressionsplatte mit der Fläche A (schematisch in Fig. 6c gezeigt) . Diese Kraft verläuft senkrecht zur Pulveroberfläche und drückt diese gleichmäßig nach unten, d.h. in Richtung Boden. Das Vermessen der ersten Höhe sowie das Ausüben der Kraft K erfolgt vorzugsweise nach Entfernen der Probekörpers aus der Maschine. Beispielsweise wird die Kompression in einem Pulverrheometer ausgeführt .
Nach Ausüben der Kraft K wird jeweils eine zweite Höhe der Pulveroberfläche relativ zur jeweiligen Seitenwandung vermessen, sowie die Höhendifferenz Ah zwischen dem ersten und dem zweiten Messergebnis ermittelt (schematisch in Fig. 6c gezeigt, Fig. 7, VS4). Die Höhendifferenz ist somit eine dem jeweiligen Probekörper zugeordnete, senkrecht zum Schichtverlauf verlaufende Längenabmessung. Sie entspricht der Strecke, welche das Kompressionsmittel durch die Kompression des Pulvers zurücklegt. Die Verdichtung ist beispielsweise als prozentuale Kompressibilität definiert, wobei die Höhendifferenz (x%) in Relation zu der jeweiligen Höhe der Pulveroberfläche vor Ausübung der Kraft K (100%) gesetzt ist.
Im Vergleich zu einem ersten Probekörper PI 1 1 1 , welcher aus einem Pulver mit vergleichsweise höherer Pulverbettdichte hergestellt wurde, ist Ah in einem zweiten Probekörper P2 ' ' ' , welcher aus Pulver mit geringerer Pulverbettdichte hergestellt wurde, größer (Fig. 7, VS5) . Als "maximaler" Referenzwert kann beispielsweise ein so hergestellter Zylinder hergestellt aus und befüllt mit homogenisiertem, unverdichtetem Pulver agieren.
Beispiel 3
Jeweils sechs Probekörper pro Versuchsbedingung (unterschiedliche Klingen) in Form eines nach oben offenen Zylinders mit jeweils gleich großen Innenabmessungen wurden in einer Lasersintermaschine nach dem oben beschriebenen Verfahren gemäß der dritten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens herge¬ stellt. Die Bautemperatur betrug 170° C.
Hierzu wurde ein PA2200 Mischpulver (50% Neu-, 50% Altpulver) verwendet. Zuerst wurden Pulverleerschichten, d.h. nicht belichtete Pulverschichten, mit einer Gesamtdicke von 6 mm aufgetragen. Jede einzelne Pulverschicht war 0,12 mm dick und wurde zeitglich mit dem Auftragen mittels einer Dach-, Radius- oder Flachklinge verdichtet. Die Schichtdicken waren mit und ohne Verdichtungsschritt vor dem Verfestigen mit 0, 12 mm jeweils gleich groß. Dann erfolgten die zu belichtenden Pulverschich- ten, welche entsprechend den jeweiligen Leerschichten aufgetragen wurden. . Des Weiteren wurden sechs Probekörper aus dem gleichen, jedoch homogenisierten und unverdichteten Mischpulver hergestellt. Die Probekörper waren nach Herstellung 25,2 mm hoch (Außenmaß) . Die Höhe der Pulverzylinder betrug 12,6 mm ( Innenmaß ) .
Die Probekörper wurden anschließend aus der Lasersintermaschine entfernt. Das nichtverfestigte Pulver im Innenbereich der Pro- bekörper verblieb darin. Die Höhe der Pulveroberfläche relativ zum jeweiligen Probekörper wurde wie oben beschrieben bestimmt. Hierzu wurde ein Pulverrheometer , beispielsweise ein Freemann FT 4 Pulverrheometer, mit einem Kompressionsstempel verwendet. Anschließend wurde mit dem Stempel ein gleichmäßiger Druck
(Kraft K) von 0,5; 2; 4; 6; 8; 10; 12; 14; 16 oder 18 kPa auf die jeweilige Pulveroberfläche A ausgeübt (Normalspannung). Wie oben beschrieben wurden die Höhendifferenzen Ah zwischen dem jeweiligen ersten und dem zweiten Messergebnis ermittelt und mit den Höhendifferenzen der anderen Probekörper verglichen. Die Höhendifferenzen sind hier als % in Relation zur Höhe vor Ausübung der Kraft K (100%) ausgedrückt.
Die Ergebnisse sind in Diagramm 3 zusammengefasst . Probekörper, welche mit einem Verdichtungsschritt höherer Effizienz hergestellt wurden (Dachklinge > Radiusklinge > Flachklinge > unver- dichtet), weisen eine vergleichsweise kleinere Höhendifferenz auf (Dachklinge < Radiusklinge < Flachklinge < unverdichtet ) . Diagramm 3
Verdichtungszylinder
Figure imgf000031_0001
Eine erfindungsgemäße Steuereinheit ist des Weiteren so pro¬ grammierbar, dass sie die erfindungsgemäßen Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung so steuert, dass mindestens die
Schritte des Aufbringens von Pulvermaterial, sowie des selek- tiven Verfestigens zum Herstellen eines ersten erfindungsgemä¬ ßen Probekörpers ausgeführt werden. Vorzugsweise ist eine er¬ findungsgemäße " Steuereinheit so programmiert, dass mindestens die Schritte des Aufbringens von Pulvermaterial, sowie des se¬ lektiven Verfestigens zum Herstellen eines ersten erfindungsge- mäßen Probekörpers ausgeführt werden. Insbesondere ist eine er¬ findungsgemäße Steuereinheit so programmiert, dass mindestens die Schritte des Aufbringens von Pulvermaterial, des optionalen Verdichtens sowie des selektiven Verfestigens zum Herstellen eines ersten erfindungsgemäßen Probekörpers ausgeführt werden und diese Schritte gegebenenfalls wiederholt werden. Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand einer Lasersinterbzw. Laserschmelzvorrichtung beschrieben wurde, ist sie nicht auf das Lasersintern oder Laserschmelzen eingeschränkt. Sie kann auf beliebige Verfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials angewendet werden . Der Belichter kann beispielsweise einen oder mehrere Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z.B. Laserdioden, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser), oder eine Zeile dieser Laser umfassen. Allgemein kann als Belichter jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie als Wellen- oder Teilchenstrahlung selektiv auf eine
Schicht des Aufbaumaterials aufgebracht werden kann. Anstelle eines Lasers können beispielsweise eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl oder jede andere Energie- bzw. Strahlenquelle verwendet werden, die geeignet ist, das Aufbaumaterial zu verfestigen. Statt des Ablenkens eines Strahls kann auch das Belichten mit einem verfahrbaren Zeilenbelichter angewendet werden. Auch auf das selektive Maskensintern, bei dem eine ausgedehnte Lichtquelle und eine Maske verwendet werden, oder auf das High-Speed-Sintern (HSS), bei dem auf dem Aufbaumaterial selektiv ein Material aufgebracht wird, das die Strahlungsabsorption an den entsprechenden Stellen erhöht (Absorptionssintern) oder verringert (Inhibitionssintern), und dann unselektiv großflächig oder mit einem verfahrbaren Zeilenbelichter belich- tet wird, kann die Erfindung angewendet werden. Anstelle des Einbringens von Energie kann das selektive Verfestigen des aufgetragenen Aufbaumaterials auch durch 3D-Drucken erfolgen, beispielsweise durch Aufbringen eines Klebers. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf das generative Herstellen eines Objekts mittels schichtweisen Auftragens und selektiven Verfestigens eines Aufbaumaterials unabhängig von der Art und Weise, in der das Aufbaumaterial verfestigt wird.
Als Aufbaumaterial können verschiedene Materialien verwendet werden, vorzugsweise Pulver, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver .

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Bestimmung einer relativen Pulverbettdichte in einer Vorrichtung zum Herstellen zumindest eines dreidimen- sionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumaterials ,
wobei das Verfahren die Herstellung zumindest eines ersten Probekörpers umfasst mit den Schritten
a) Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen Aufbaumate- rials innerhalb eines Baufelds mittels eines über das Baufeld fahrenden Beschichters,
b) optionales Verdichten der aufgebrachten Schicht des Aufbaumaterials ,
c) selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die einem Querschnitt des zumindest einen herzustellenden ersten Probekörpers entsprechen, mittels einer Verfestigungsvorrichtung und
d) optionales Wiederholen der Schritte a) bis c) , bis der zumindest eine erste Probekörper fertiggestellt ist,
wobei das Verfahren weiter die Schritte umfasst:
Bestimmen zumindest einer dem zumindest einen ersten Probekörper zugeordneten Längenabmessung senkrecht zu einem
Schichtverlauf des pulverförmigen Aufbaumaterials und
Vergleichen der zumindest einen ermittelten Längenabmes- sung mit zumindest einer entsprechenden Längenabmessung zumindest eines zweiten Probekörpers.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine zweite Probekörper mittels eines pulverbasierten generativen Schicht- bauverfahrens hergestellt wird, vorzugsweise unter Verwendung des gleichen pulverförmigen Aufbaumaterials wie zur Herstellung des zumindest einen ersten Probekörpers.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Herstellung des ersten Probekörpers ein Verdichtungsschritt b) durchgeführt wird und zur Herstellung des zweiten Probekörpers kein Verdich- tungsschritt b) durchgeführt wird oder wobei zur Herstellung des ersten und des zweiten Probekörpers unterschiedliche Verdichtungsschritte b) durchgeführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste und/oder der zweite Probekörper vor Ermitteln der zumindest einen Längenabmessung aus der Vorrichtung heraus entnommen wird oder werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schritte a) des Pulveraufbringens und b) des Verdichtens derart durchgeführt werden, dass die im Schritt c) zu verfestigende Schichtdicke des ersten Probekörpers genauso groß ist wie die im Schritt c) zu verfestigende Schichtdicke des zweiten Probekörpers .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste und der zweite Probekörper jeweils ein Plättchen ist, welches durch einmaliges Durchführen der Schritte a) , b) und c) hergestellt wird,
und die zumindest eine zu bestimmende Längenabmessung eine
Abmessung des Probekörpers senkrecht zur verfestigten Schicht ist .
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste und der zweite Probekörper durch mindestens zweimaliges, bevorzugt vielmaliges, Durchführen der Schritte a) , b) und c) hergestellt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der erste und der zweite Probekörper jeweils ein nach oben offener, mit unverfestigt gebliebenem Pulver gefüllter Behälter, vorzugsweise ein zylinder- förmige Behälter, sind,
wobei die beiden Probekörper die gleichen geometrischen Innenabmessungen aufweisen und
zum Bestimmen der zumindest einen einem Probekörper zugeordneten Längenabmessung jeweils ein definierter Druck auf die unverfestigt gebliebene Pulveroberfläche des Probekörpers aufgebracht wird und die zumindest eine Längenabmessung die daraus resultierende Höhenänderung der Pulveroberfläche ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der erste und der zweite Probekörper jeweils ein Objekt mit n Ausnehmungen ist, wobei n eine natürliche Zahl ist, und
wobei jede Ausnehmung einen Nichtverfestigungsbereich einer vorgegebenen Längenabmessung umfasst in welchem eine oder mehrere Schichten von der Verfestigung ausgenommen wurden und die den Probekörpern zugeordneten Längenabmessungen jene vorgegebenen Längenabmessungen der Nichtverfestigungsbereiche sind, wobei bevorzugt nur die Nichtverfestigungsbereiche berücksichtigt werden, die nach Fertigstellung der Probekörper sichtbar sind.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der erste und der zweite Probekörper jeweils ein dreidimensionales Objekt mit n Nichtverfestigungsbereichen ist, wobei n ^ 1 ist und
wobei sich zumindest zwei, vorzugsweise alle n, Nichtver- festigungsbereiche in ihren vorgegebenen Längenabmessungen senkrecht zum Schichtverlauf des pulverförmigen Aufbaumaterials voneinander unterscheiden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zumin- dest zwei, bevorzugt eine Vielzahl von ersten Probekörpern und/oder zumindest zwei, bevorzugt eine Vielzahl von zweiten Probekörpern hergestellt werden und/oder zumindest zwei, bevorzugt eine Vielzahl von Längenabmessungen an den Probekörpern ermittelt werden und
die Längenabmessungen des oder der ersten Probekörper (s ) und die Längenabmessungen des oder der zweiten Probekörper ( s ) anhand einer geeigneten Kennziffer verglichen werden, wobei die Kennziffer vorzugsweise ein Mittelwert oder eine Häufigkeitsverteilung der Längenabmessungen ist.
12. Verfahren zum Herstellen zumindest eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumaterials , mit den Schritten: a) Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen Aufbaumate- rials innerhalb eines Baufelds mittels eines über das Baufeld fahrenden Beschichters,
b) optionales Verdichten der aufgebrachten Schicht des Aufbaumaterials ,
c) selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die einem Querschnitt des zumindest einen herzustellenden Objekts entsprechen, mittels einer Verfestigungsvorrichtung und
d) optionales Wiederholen der Schritte a) bis c) , bis das zumindest eine Objekt fertiggestellt ist, wobei das Aufbaumaterial derart verfestigt wird, dass zumindest ein erster Probekörper hergestellt wird und zur Bestimmung einer relativen Pulverbettdichte folgende Schritte durchgeführt werden:
Bestimmen zumindest einer dem zumindest einen ersten Probekörper zugeordneten Längenabmessung senkrecht zu einem
Schichtverlauf des pulverförmigen Aufbaumaterials und
Vergleichen der zumindest einen ermittelten Längenabmessung mit zumindest einer entsprechenden Längenabmessung zumin- dest eines zweiten Probekörpers.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei zumindest ein Objekt und zumindest ein erster und/oder zweiter Probekörper hergestellt werden .
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Vergleichen der ermittelten Längenabmessungen indirekt erfolgt, vorzugsweise durch Vergleichen eines Quotienten gebildet aus der dem ersten Probekörper zugeordneten ermittelten Längenab- messung und mindestens einer zu verfestigenden Schichtdicke mit einem entsprechenden Quotienten des zumindest einen zweiten Probekörpers und/oder Objekts.
15. Programmierbare Steuereinheit für eine Vorrichtung zum Herstellen zumindest eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumaterials , wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, die Vorrichtung so zu steuern, dass sie alle Schritte a) und c) sowie optional b) und/oder d) mindestens eines der Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 ausführt.
16. Vorrichtung zum Herstellen zumindest eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumaterials mit
einem über ein Baufeld bewegbaren Beschichter zum Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials innerhalb des Baufelds, optional einer Verdichtungseinrichtung zum Verdichten der aufgebrachten Schicht des Aufbaumaterials , wobei die Verdichtungseinrichtung optional integral mit dem Beschichter ausgebildet sein kann, und
einer Verfestigungsvorrichtung zum selektiven Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die einem Querschnitt des zumindest einen herzustellenden Objekts entsprechen,
wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet und/oder gesteuert ist, die Schritte des Aufbringens und des selektiven Verfestigens zu wiederholen, bis das zumindest eine Objekt fertiggestellt ist, und
wobei die Vorrichtung weiter eine Steuereinheit gemäß Anspruch 15 umfasst und/oder mit einer solchen Steuereinheit signaltechnisch verbunden ist.
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