WO2018188757A1 - Verfahren zum pulverbettbasierten additiven herstellen eines werkstücks, verfahren zum erstellen von korrekturparametern für das erstgenannte verfahren und computerprogrammprodukt für das zweitgenannte verfahren - Google Patents

Verfahren zum pulverbettbasierten additiven herstellen eines werkstücks, verfahren zum erstellen von korrekturparametern für das erstgenannte verfahren und computerprogrammprodukt für das zweitgenannte verfahren Download PDF

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correction
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Darya KASTSIAN
Daniel Reznik
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method for powder bed-based additive manufacturing of a workpiece, wherein the workpiece is produced layer by layer in a powder bed, wherein the respective uppermost layer of the powder bed is solidified for producing the workpiece by an energy beam. Moreover, the invention relates to a method for creating a contour function for use in the aforementioned method. Furthermore, the invention relates to a method for generating correction parameters for a correction function relating to process parameters of the additive manufacturing method for use in the first-mentioned method. Furthermore, the invention relates to a computer program product for creating a contour function and a computer program product for Trustel ⁇ len of correction parameters for a correction function.
  • a method for the additive production of a workpiece in a powder bed is described in DE 10 2015 205 316. Thereafter, a workpiece in a powder bed is prepared by melting the powder by a laser beam. This can be problematic for certain materials, such as nickel-base superalloys, because the high cooling rates in the molten bath of the laser can lead to stresses in the component and to formation of an undesirable metallic structure.
  • the powder bed be preheated by means of a heater, so that the temperature difference of the powder and the already produced component is lower compared to the molten bath and so the cooling rate can be reduced.
  • the introduced by the amount of laser energy can be adapted to a laser sintering, by the duration of a preceding solidification step of the preceding position is taken into account, at least in a partial region of the produced layer to the energy input in to determine the current situation.
  • a correction factor is determined, which takes into account how high the energy input in pre ⁇ forth positions of the component already produced. This is intended to counteract unwanted component distortion who ⁇ .
  • a further possibility according to WO 2016/049621 A1 is that a preheating of the currently to be solidified La ge can be accomplished by an external energy source.
  • a required heat profile of the ver ⁇ consolidating layer is calculated, in which case subsequent layers still to be produced can be taken into account.
  • Procedures are to be understood as powder bed additive manufacturing method based in the sense of this application, in which the material from which a workpiece is to be prepared, is the workpiece during the formation of layer-wise added ⁇ . In this case, the workpiece is already in its final shape or at least approximately in this Ge ⁇ stalt by solidification of the workpiece defining contours in the powder bed.
  • the workpiece becomes descriptive data (CAD model) for the selected additive
  • Production process processed The data is converted to data of the workpiece adapted to the manufacturing process to produce instructions for the manufacturing plant so that the appropriate process steps for the successive production of the workpiece can take place in the production plant.
  • the data are processed in such a way that the geometric data for the contour of the layers to be produced in each case (FIG. ces) of the workpiece are available, which is also referred to as slicing.
  • selective laser melting also known as SLM for selective laser melting
  • electron beam melting also known as EBM for electron beam
  • the starting point for carrying out an additive Ferti ⁇ off procedure is a description of the workpiece in a geometry data set, for example as STL file (STL stands for Standard Tessellation Language).
  • STL file contains the three-dimensional data for preparation by the additive manufacturing process.
  • the STL file is used to generate a production data record, for example a CLI file (CLI stands for Common Layer Interface), which contains a preparation of the geometry of the workpiece in the contour describing disks (so-called slices) which is suitable for additive production.
  • CLI file Common Layer Interface
  • the transformation of the data is called slicing.
  • the result of the slicing is that the layers of the workpiece to be produced with a certain z-height, z. B. 50 ym, ⁇ are permitted.
  • the machine requires further example, preferences for herstel ⁇ len, the amount of the produced documents, the orientation of the writing vectors, ie the direction and length of the path which the energy beam on the surface of the powder bed describes, and the division of the workpiece position to be generated in sectors in which certain process parameters apply. Furthermore, focus diameter and power of the energy beam used are to be determined.
  • the CLI file and the production data together define a flow chart according to which the workpiece is described in the STL file can be made in the manufacturing plant location ⁇ additive for location.
  • the individual workpiece layers with their stored contour information from which a Belichtungsstra ⁇ strategy will be determined on the work preparation This consists essentially of steps of a contour exposure and tension relief.
  • the energy beam travels one or more times the contour line of the workpiece position.
  • the area of the workpiece position is typically filled with exposure vectors carried in groups in parallel, the groups typically forming a rectangular pattern of individual segments.
  • the object of the invention is to specify a method for powder-bed-based additive production of a workpiece, with which the probability of overheating of the molten bath is comparatively low.
  • This object is achieved with the method for powder bed-based additive manufacturing according to the invention by the fact that in the solidification of the uppermost layer of the powder bed, the underlying geometry of the already produced workpiece is taken into account.
  • This consideration according to the invention causes the time-averaged power introduced by the energy beam per unit area of the powder bed to be reduced by using correction parameters if the heat flow into the workpiece already produced is reduced depending on the workpiece depth available below the energy beam.
  • the available ⁇ de workpiece depth represents the available at this point workpiece ⁇ volume from which the heat dissipation from the molten bath is directly dependent.
  • the larger the workpiece volume the more heat can be absorbed from the molten bath and the derived ⁇ . With a smaller workpiece volume, the heat dissipation is hindered because the powder bed, which surrounds this workpiece volume , has a significantly lower thermal conductivity and also a lower heat capacity.
  • the correction parameters advantageously cause the energy input by the energy beam in critical zones of the To be produced workpiece position is reduced.
  • the energy ⁇ entry can be described by the per unit area of the powder bed ⁇ introduced time-averaged power. This results in the possibilities for defining correction parameters. These can be selected individually or in combination to influence the energy input.
  • a first option is to lower the power of the energy beam. Regardless of the exposure Strate ⁇ energy thereby the introduced into the component energy ⁇ density is proportionately reduced. Another possibility is ⁇ to increase the feed rate of the energy beam on the powder bed. This reduces the per unit area of the powder bed introduced power, since the energy beam sweeps over a given unit area of the powder ⁇ bed in a shorter time. Another possibility is that an irradiation break is maintained between the scanning of the exposure vector and the departure of an adjacent exposure vector.
  • the Belichtungsvek ⁇ gates define respective portions of the path, which leaves the Ener ⁇ giestrahl for solidification of the powder bed, so that the pause between the retraction of adjacent exposure vectors to leads that power is Ringert published in the time average.
  • the fall below the energy beam available to work piece ⁇ depth is calculated from a geometry of the workpiece descriptive record. These data are available anyway because of the required work preparation for the additive manufacturing of the workpiece. It is possible, as the geometry of the descriptive data set to the workpiece Geomet ⁇ riertzsatz (for example as STL file executed) or the manufacturing data set (for example, as CLI-File out ⁇ leads) to be used. According to another embodiment of the invention, below the energy beam available to workpiece ⁇ depth can be only up to a specified maximum depth considered. It has been shown that see critical states of overheating of the melt and there ⁇ only occur with associated beading when the heat dissipation flux is significantly hampered the already manufactured component. From a certain workpiece depth however, it is un ⁇ much how much component volume below this particular workpiece depth is additionally available, as the
  • the maximum depth to be considered can be set to at least 0.5 mm and at most 2 mm, preferably to 1 mm.
  • the maxi ⁇ can times Hoechsmann ⁇ least 40 layers are to be considered depth to at least 10, and preferably set to 20 layers.
  • the maximum depth to be considered depends in detail on the boundary conditions of the selected additive manufacturing process and the material to be processed.
  • the heat capacity and the thermal conductivity form an essential role.
  • Wei ⁇ terhin are the process parameters, particularly the default provided energy input, so the introduced time-averaged power by the energy beam per unit area of the powder bed, tor an essential apprenticefak-.
  • each of them is located below the energy source.
  • Gies beam available workpiece depth for each ⁇ Weils uppermost layer is described as a contour function location-dependent for the surface area of the top layer to be solidified .
  • the proportion to be solidified surface of the uppermost layer of the powder bed is thus the area ratio, which defines the work ⁇ exposure and lies within the contour which is described by the contour function.
  • the area fraction can thus be described in an xy coordinate system in a location-dependent manner.
  • the contour function can advantageously be stored in tabular form from a grid of interpolation points (x, y). This can be used, for example, to create a modified CLI file.
  • the contour function is normalized to 1, where the value 1 is reached where the maximum depth to be considered is reached.
  • a correction value of the contour function can be easily taken into account, for example, depending on the support location, by using the value of the contour function as a correction factor. If the uncritical maximum depth to be taken into account in the workpiece already produced is reached, then this factor is 1, ie no correction of the introduced energy of the energy beam is necessary. Reaches the correction value is 0, it means that the workpiece was in the as ⁇ lying down position is not made at this point. ⁇ all recently allowed here introduced by the energy beam energy can not be set to 0, but malwert a mini, which is necessary for forming an unsupported by former erzeug ⁇ te workpiece layers new workpiece position.
  • the contour function may also be assigned a correction function in which the correction parameters for the temporally averaged value introduced by the energy beam per unit area of the powder bed are location-dependent Performance be filed.
  • the correction function can also be stored in tabular form for a grid of interpolation points (x; y). This makes it possible to take account of empirical values as to how the energy introduced by the energy beam must be reduced as a function of the already produced workpiece volume. If there is sufficient knowledge of experience, the correction function can advantageously be fed from a library which makes available possible correction parameters.
  • the correction parameters of the correction function to be assigned are determined as a function of the averaged value of the correction function or of the minimum value of the correction function along an exposure vector, wherein the exposure vector is a rectilinear element of the advance of the energy beam.
  • the exposure vector is treated as the smallest unit to be corrected. This can be corrected with the correction factor of the correction function individually or in groups with other, in particular, parallel exposure vectors of a segment within the contour to be exposed.
  • a correction is smaller than if the minimum value is used to determine the correction parameters.
  • the worst-case scenario for the exposure vector concerned is taken into account and the correction is correspondingly stronger.
  • Egg ⁇ ne decision which value should be taken into account, for example, can be made depending on the environment of the component.
  • a Distance to the edge of the contour to be considered in addition in a peripheral area of the contour in accordance with another Substituted ⁇ staltung of the invention in the determination of the correction parameters a Distance to the edge of the contour to be considered.
  • kriti ⁇ shear In the edge zone of the contour of a reduction in the molten bath lying below the workpiece volume kriti ⁇ shear normally precipitates out because the edge is in any case in a direction transverse to the Z-direction component less volume.
  • the minimum value of the correction function along an exposure vector may be used, for example, while au ⁇ ßer Halb the edge zone, the mean value is used.
  • the above-mentioned object is achieved by a Ver ⁇ drive to create a contour function is achieved in that each is below a available for the preparation to USAGE ⁇ Denden energy beam workpiece depth for the processed layers of the powder bed as a contour function depending on the location for the to be solidified surface portion of the layer is calculated.
  • the respective position to be produced, for which the contour function is calculated is the uppermost layer during production in the production method already described above.
  • the contour functions of all the layers to be produced can also be calculated in advance, since the information required for this purpose is already available in the data sets describing the workpiece.
  • the object specified above is achieved according to the invention by a method for generating correction parameters for a correction function, which can be used in the above-described method for additive manufacturing. It is according to the invention provided that the measure for the Ver ⁇ ring réelle the introduced through the beam of energy per unit area of the powder bed time-averaged power is determined by preparing a specimen.
  • the correction parameters can be derived from the determined measure and stored with boundary conditions valid for the correction for the production. An iterative procedure for checking the correction parameters is possible.
  • the Correction parameters can then be stored in a library, for example. The values can then be retrieved as needed if comparable structures result in the component to be produced as in the sample or 5 previously produced workpieces.
  • the object can also be achieved by calculating the measure for the reduction of the time-related power introduced by the energy beam per unit area of the powder bed with a simulation program in order to derive the correction partners from the measure. These can also be stored with marginal conditions for the production that are valid for the correction.
  • the simulation program can be applied to the production of specimens or to the manufacture of structural components. It is also possible, the method described above, comprising the preparation of a pro ⁇
  • a computer program product for creating a contour function 25 which is suitable for use in the additive manufacturing method described above.
  • a computer program product for creating a contour function 25 which is suitable for use in the additive manufacturing method described above.
  • a computer program product for creating a contour function 25 which is suitable for use in the additive manufacturing method described above.
  • a computer program product for creating a contour function 25 which is suitable for use in the additive manufacturing method described above.
  • a computer program product for creating a contour function 25 which is suitable for use in the additive manufacturing method described above.
  • a computer program product for creating a contour function 25 which is suitable for use in the additive manufacturing method described above.
  • Creation program module on a second interface for Ausga ⁇ be said contour function.
  • the creation program module with the required data for the creation ⁇ be supplied to the contour function and then output the calculated contour function.
  • the object stated at the outset is also achieved by a computer program product for creating correction parameters for a correction function, wherein the contour function can be used in the additive manufacturing method described above.
  • the object specified in the introduction is achieved by providing a simulation program module with which the measure for the reduction of the time-averaged power introduced per unit area by the energy beam can be calculated.
  • This simulation program module comprises a third interface for entranc ⁇ be one of the geometry of a simulated workpiece to be produced descriptive record because this record is required for the simulation calculation.
  • the simulation program module has a fourth interface for outputting said measure. Then be in consideration of the extent of the boundary conditions used in the simulation for production simulation as Korrekturpa ⁇ parameters store.
  • FIG. 1 shows an arrangement for carrying out an exemplary embodiment of the method according to the invention with a sectional schematic representation of a laser melting system and exemplary embodiments of the computer program products according to the invention as a block circuit diagram
  • Figure 2 shows an embodiment of the method according to the invention for determining correction parameters by a test method three-dimensional
  • Figure 3 is a schematic representation of the inventive
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment for the determination of correction factors as a function of exposure vectors according to an exemplary embodiment of the invention
  • Figure 5 shows an embodiment of the method according to the invention as a flowchart.
  • FIG. 1 schematically shows a system 11 for laser melting.
  • This has a process chamber 12, in which a powder bed 13 can be produced.
  • a distribution device in the form of a doctor blade 14 via a powder supply 15, and then moves across the powder bed 13, whereby a thin layer is formed of powder in the powder bed 13, a top layer 25 of the powder bed forms.
  • a laser 16 then generates a laser beam 17, which is moved by means of an optical deflecting device with mirror 18 over the surface of the powder ⁇ bed 13. In this case, the powder is melted at the point of incidence ⁇ the laser beam 17, whereby a workpiece 19 is formed.
  • the powder bed 13 is formed on a building platform 20, which can be gradually lowered by an actuator 21 in a pot-shaped housing 22 by one powder layer thickness.
  • heaters 23 in the form of electrical resistance heaters (al- ternatively also induction coils are possible) are provided, which can preheat the work in progress 19 and the Par ⁇ particles of the powder bed 13.
  • To the Energybe ⁇ must be limited to preheat, located on the Gepatiu- se 22 outside an insulation 24 with low thermal conductivity.
  • the system 11 for laser melting is controlled by a control inputs CRL direction, which must be previously provided with appropriate Pro ⁇ process data.
  • CRL direction which must be previously provided with appropriate Pro ⁇ process data.
  • the geometry data set STL thus generated is input via a fifth interface S5
  • a computer program product 26 is installed on the one hand, which has a Er einspro ⁇ program module CON, and a transformation program module SLC up.
  • Konstrukti ⁇ onsquelsatz STL is (received via the first interface Sl) into a manufacturing data set CLI.
  • PRT program module transformation process parameters
  • the builder module CON is used to determine correction factors vf which are to be taken into account in the manufacturing parameters PRT, so it does not come to an over ⁇ overheating of the melt. These are passed to the He ⁇ position via an interface S2 to the control device CRL to the system 11, possibly supplemented by the control device CRL advantageously with specific data of the plant. 11 For this purpose, the control device CRL also requires the manufacturing data set CLI, which contains the geometry of the machines divided into workpiece layers. The control device communicates with the system via a ninth interface S9.
  • the creation program module CON is initially calculated according to the invention Depth information supplemented contour functions gcf a workpiece to be produced, which in addition to the information of the extent of the workpiece layer to be consolidated also contains a location-dependent information about how large the workpiece depth z available under the energy beam (see Figure 2). This information depends on the variables x and y, which can be expressed by the expression gcf (x, y). From the contour function, the correction parameters vf, which are likewise dependent on the variables x and y, can then be determined spatially resolved, for which reason vf can also be written as a function vf (x, y).
  • the build program module CON requires data that can come from a library LIB. This is shown according to Figure 1 as an external Biblio ⁇ theque LIB and is connected via a sixth interface with the creation program module CON (communication in both directions).
  • a simulation program module SIM which is implemented in a second computer program product 27. This receives, via a third interface S3, the production data set CLI and the production parameter PRT, with which data an additive production of the
  • Workpiece can be simulated.
  • typical partial structures of workpieces or specimens can be calculated with the simulation program.
  • the result of these simulation calculations can be stored in the library LIB via a sieve interface S7.
  • test equipment TST with equipment 11 or other equipment to determine if overheating of the molten bath occurs. In this way also correction parameters can be tried out. These results can be stored in the S8 Bib ⁇ liothek LIB taking advantage of an eighth interface.
  • the test results of the Tests TST or the simulation calculations in the simulation program module SIM are also passed through a fourth interface S4 to the creation program module CON, so that from this the correction parameters vf can be determined.
  • FIG. 2 shows a possible structure of a test specimen 28, which is shown with a part of the powder bed 13 surrounding the specimen 28. This one has a wedge-shaped
  • the values for the available component depth z become tabular for a given number of in-frame
  • Support points (x; y) are stored and can according to the above calculation method between 0 and 1 are.
  • the calculation rule there is thus a normalization of the contour function gcf, wherein the maximum depth of the specimen 28 to be considered is equated with 1.
  • FIG. 3 a certain contour described by the contour function gcf (x, y) is shown, which may also consist of several subregions.
  • the areas in which are z ⁇ z m are shown shaded in Figure 3 and ⁇ the delimited by a dash-dot line. These can lie on an outer contour 31 of the workpiece layer 32 to be produced or else the interior thereof.
  • JE in Figure 3 wells an edge zone 33 of the manufactured workpiece position indicated by a dash-double dot line, can be taken into account in the determination of correction factors in the ⁇ to additionally applicable to the edge zone boundary conditions.
  • a section 34 of the exposed surface of a workpiece is shown.
  • a segment 35 which is to be exposed with a number of Belich ⁇ tion vectors 36. These each have a certain length and run in the segment 35 with a certain distance (hatch) h parallel to each other.
  • the average value zi or the minimum value Z2 can be determined. This is stored for the relevant exposure vector 36 as a base value in the contour function gcf under the relevant coordinates (x; y). It is clear from FIG. 4 that these values z change for each of the exposure vectors 36, since the Under the segment 35 located component volume is indicated by a wireframe model 37.
  • the method according to the invention for additively producing a workpiece is shown as a flowchart.
  • the method of creating a geometry data set for a near, STL ⁇ alternate workpiece begins. This is transformed in a manner known per se in a subsequent step into a production data set CLI which describes the workpiece to be produced in slices.
  • This manufacturing data set CLI can be used to produce the workpiece with standardized production parameters, whereby a test TST can be performed in which the workpiece is manufactured in an additive manufacturing plant. Alternatively, the production can also be checked by a simulation calculation CAL. In both cases, it is then determined whether DEV form deviations are due to overheating of the molten bath.
  • a modified contour function must gcf (x, y) are created workpiece been made of the function of the depths ⁇ information z of the correction parameter of the correction function vf (x, y) is determined can be NEN. These are then taken into account in another test TST or in another simulation calculation CAL, again determining the shape deviations DEV. These iterations are repeated until the form deviations DEV are smaller than the maximum permissible tolerances tmax ⁇

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks (19) in einer additiven Herstellungsanlage (11) in einem Pulverbett (13). Hierbei können in Bauteilbereichen, wo unterhalb eines Energiestrahls (17) wenig Bauteilvolumen des bereits hergestellten Bauteils zur Verfügung steht, kritische Überhitzungen des erzeugten Schmelzbads auftreten. Um dies zu verhindern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine Konturfunktion (gcf) unter Berücksichtigung des unterhalb der herzustellenden Lage (25) befindlichen Bauteils (19) berücksichtigt. Hieraus können Korrekturparameter (vf) abgeleitet werden, die die eingebrachte Energiemenge des Energiestrahls (17) drosseln, um eine Überhitzung des Schmelzbads zu verhindern. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Ermittlung einer Konturfunktion (gcf) bzw. zum Erstellen von Korrekturparametern einer Korrekturfunktion (vf) und Computerprogrammprodukte (26, 27), mit denen die vorgenannten Verfahren durchgeführt werden können.

Description

Beschreibung
Verfahren zum pulverbettbasierten additiven Herstellen eines Werkstücks, Verfahren zum Erstellen von Korrekturparametern für das erstgenannte Verfahren und Computerprogrammprodukt für das zweitgenannte Verfahren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum pulverbettbasierten additiven Herstellen eines Werkstücks, bei dem das Werkstück Lage für Lage in einem Pulverbett hergestellt wird, wobei die jeweils oberste Lage des Pulverbetts zur Herstellung des Werkstücks durch einen Energiestrahl verfestigt wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erstellen einer Konturfunktion zur Anwendung in dem vorgenannten Verfahren. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erstellen von Korrekturparametern für eine Korrekturfunktion betreffend Verfahrensparameter des additiven Fertigungsverfahrens zur Anwendung in dem erstgenannten Verfahren. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt zum Erstellen einer Konturfunktion sowie ein Computerprogrammprodukt zum Erstel¬ len von Korrekturparametern für eine Korrekturfunktion.
Ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Werkstücks in einem Pulverbett ist in der DE 10 2015 205 316 beschrieben. Danach wird ein Werkstück in einem Pulverbett dadurch hergestellt, dass das Pulver durch einen Laserstrahl aufgeschmolzen wird. Dies kann bei bestimmten Werkstoffen, wie beispielsweise Nickel-Basis-Superlegierungen, problematisch sein, weil die hohen Abkühlgeschwindigkeiten im Schmelzbad des Lasers zu Spannungen im Bauteil und zu einer Ausbildung eines nicht gewünschten metallischen Gefüges führen können. Als Gegenmaßnahme wird vorgeschlagen, dass das Pulverbett mittels einer Heizeinrichtung vorgewärmt wird, so dass die Temperaturdifferenz des Pulvers und des bereits hergestellten Bauteils im Vergleich zum Schmelzbad geringer ausfällt und so auch die Abkühlgeschwindigkeit verringert werden kann. Gemäß der US 2016/0332379 AI wird vorgeschlagen, dass bei¬ spielsweise bei einem Lasersintern die durch den Laser eingebrachte Energiemenge angepasst werden kann, indem zumindest in einer Teilregion der herzustellenden Lage die Dauer eines vorhergehenden Verfestigungsschritts der vorhergehenden Lage berücksichtigt wird, um den Energieeintrag in die aktuelle Lage zu bestimmen. Hierbei wird ein Korrekturfaktor ermittelt, der berücksichtigt, wie hoch der Energieeintrag in vor¬ hergehende Lagen des schon hergestellten Bauteils war. Hier- mit soll einem ungewollten Bauteilverzug entgegengewirkt wer¬ den .
Eine weitere Möglichkeit besteht gemäß der WO 2016/049621 AI darin, dass eine Vorheizung der aktuell zu verfestigenden La- ge durch eine externe Energiequelle bewerkstelligt werden kann. Hierbei wird ein erforderliches Wärmeprofil der zu ver¬ festigenden Lage berechnet, wobei hierbei auch nachfolgende noch herzustellende Lagen berücksichtigt werden können. Als pulverbettbasierte additive Fertigungsverfahren im Sinne dieser Anmeldung sollen Verfahren verstanden werden, bei denen das Material, aus dem ein Werkstück hergestellt werden soll, dem Werkstück während der Entstehung lagenweise hinzu¬ gefügt wird. Dabei entsteht das Werkstück bereits in seiner endgültigen Gestalt oder zumindest annähernd in dieser Ge¬ stalt durch Verfestigung der das Werkstück definierenden Konturen im Pulverbett.
Um das Werkstück herstellen zu können, werden das Werkstück beschreibende Daten (CAD-Modell) für das gewählte additive
Fertigungsverfahren aufbereitet. Die Daten werden zur Erstellung von Anweisungen für die Fertigungsanlage in an das Fertigungsverfahren angepasste Daten des Werkstücks umgewandelt, damit in der Fertigungsanlage die geeigneten Prozessschritte zur sukzessiven Herstellung des Werkstücks ablaufen können.
Die Daten werden dafür so aufbereitet, dass die geometrischen Daten für die Kontur der jeweils herzustellenden Lagen (Sli- ces) des Werkstücks zur Verfügung stehen, was auch als Slicen bezeichnet wird.
Als Beispiele für das additive Fertigen können das selektive, Laserschmelzen (auch SLM für Selective Laser Melting) und das Elektronenstrahlschmelzen (auch EBM für Electron Beam
Melting) genannt werden. Diese Verfahren eignen sich insbesondere zur Verarbeitung von metallischen Werkstoffen in Form von Pulvern, mit denen Konstruktionsbauteile hergestellt wer- den können.
Ausgangspunkt für die Durchführung eines additiven Ferti¬ gungsverfahrens ist eine Beschreibung des Werkstücks in einem Geometriedatensatz, beispielsweise als STL-File (STL steht für Standard Tessellation Language) . Das STL-File enthält die dreidimensionalen Daten für eine Aufbereitung zwecks Herstellung durch das additive Fertigungsverfahren. Aus dem STL-File wird ein Fertigungsdatensatz, beispielsweise ein CLI-File (CLI steht für Common Layer Interface) erzeugt, welcher eine zum additiven Herstellen geeignete Aufbereitung der Geometrie des Werkstücks in die Kontur beschreibenden Scheiben (sog. Slices) enthält. Die Transformation der Daten wird als Slicen bezeichnet . Das Ergebnis des Slicens ist, dass die herzustellenden Lagen des Werkstücks mit einer bestimmten z-Höhe, z. B. 50 ym, aus¬ gestattet sind. Dies bedeutet, dass bei einem Werkstück, wel¬ ches beispielsweise 100 mm hoch ist, 2000 Werkstücklagen de¬ finiert werden müssen. Jede dieser Werkstücklagen beinhaltet neben ihrer Höhe in z-Richtung auch eine Konturinformation in einer x-y-Ebene, welche aus einem oder mehreren geschlossenen Polygonzügen besteht, in deren Inneren sich das Material der Werkstücklage befindet, während außerhalb kein Werkstückmate¬ rial vorgesehen ist, d. h. die Lage des Pulverbetts unbehan- delt bleibt.
Außerdem benötigt die Maschine weitere Vorgaben zum Herstel¬ len, z.B. die Höhe der herzustellenden Lagen, die Ausrichtung der Schreibvektoren, also Richtung und Länge des Weges, welchen der Energiestrahl auf der Oberfläche des Pulverbettes beschreibt, und die Aufteilung der zu erzeugenden Werkstücklage in Sektoren, in denen bestimmte Verfahrensparameter gel- ten. Desweiteren sind Fokusdurchmesser und Leistung des verwendeten Energiestrahls festzulegen. Das CLI-File und die Herstellungsdaten bestimmen zusammen einen Ablaufplan, nach dem das im STL-File beschriebene Werkstück in der Fertigungs¬ anlage Lage für Lage additiv hergestellt werden kann.
Grundlage der Erstellung des Ablaufplans sind die einzelnen Werkstücklagen mit ihren abgelegten Konturinformationen, anhand derer bei der Arbeitsvorbereitung eine Belichtungsstra¬ tegie festgelegt wird. Diese besteht im Wesentlichen aus Schritten einer Konturbelichtung und Straffurbelichtung . Im Rahmen der Konturbelichtung fährt der Energiestrahl einfach oder mehrfach die Konturlinie der Werkstücklage nach. Im Rah¬ men der Schraffurbelichtung (hatch) geschieht ein Ausfüllen der Fläche der Werkstücklage typischerweise mit gruppenweise parallelgeführten Belichtungsvektoren, wobei die Gruppen typischerweise ein Rechteckmuster einzelner Segment bilden.
Bei der Abarbeitung der vorstehend beschriebenen Ablaufpläne in einem additiven Herstellungsverfahren werden immer wieder Fertigungsprobleme beobachtet, die im schlimmsten Fall zu
Prozessabbrüchen führen können. Insbesondere bei Bauteilen, bei denen filigrane Strukturen mit einem geringen Bauteilvolumen hergestellt werden, kommt es immer wieder zu einer Überhitzung - verbunden mit einer Vergrößerung des Schmelz- bads, so dass zu viele Pulverpartikel geschmolzen werden. Im Verfahrensablauf lässt sich dann die Ausbildung einer
Schmelzperle beobachten, die nach ihrer Erstarrung aus dem Pulverbett herausragt und die Erzeugung nachfolgender Pulverlagen behindert oder sogar unmöglich macht, da der zur Her- Stellung der Pulverlage verwendete Pulverschieber an der erstarrten Perle hängenbleibt, was zu einem Prozessabbruch führt . Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum pulverbettbasierten additiven Herstellen eines Werkstücks anzugeben, mit die Wahrscheinlichkeit von Überhitzungen des Schmelzbads vergleichsweise gering ist. Außerdem ist es Auf- gäbe der Erfindung, ein Verfahren zum Erstellen einer Konturfunktion anzugeben, welche bei dem vorstehend genannten Verfahren Anwendung finden kann. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erstellen von Korrekturparametern anzugeben, die in dem vorstehend genannten Verfahren zum Herstellen eines Bauteils Verwendung finden können. Zum
Schluss ist es Aufgabe der Erfindung Computerprogrammprodukte anzugeben, die die Erstellung einer Konturfunktion bzw. die Erstellung von Korrekturparametern entsprechend der diesbezüglichen vorstehend angegebenen Verfahren ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Verfahren zum pulverbettbasierten additiven Herstellen erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei dem Verfestigen der obersten Lage des Pulverbettes die unter der obersten Lage liegende Geometrie des bereits hergestellten Werkstückes berücksichtigt wird. Diese Berücksichtigung bewirkt erfindungsgemäß, dass die durch den Energiestrahl pro Flächeneinheit des Pulverbettes eingebrachte zeitlich gemittelte Leistung unter Anwendung von Korrekturparametern verringert wird, wenn der Wärmeabfluss in das bereits hergestellte Werkstück abhängig von der unterhalb des Energiestrahls zur Verfügung stehenden Werkstücktiefe verringert ist. Dabei repräsentiert die zur Verfügung stehen¬ de Werkstücktiefe das an dieser Stelle verfügbare Werkstück¬ volumen, von dem die Wärmeabführung aus dem Schmelzbad direkt abhängig ist. Je größer das Werkstückvolumen ist, desto mehr Wärme kann aus dem Schmelzbad aufgenommen und abgeleitet wer¬ den. Bei einem kleineren Werkstückvolumen ist die Wärmeabführung behindert, da das Pulverbett, was dieses Werkstückvolu¬ men umgibt, eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit und auch eine geringere Wärmekapazität aufweist.
Die Korrekturparameter bewirken vorteilhaft, dass der Energieeintrag durch den Energiestrahl in kritischen Zonen der herzustellenden Werkstücklage verringert wird. Der Energie¬ eintrag lässt sich durch die pro Flächeneinheit des Pulver¬ betts eingebrachte zeitlich gemittelte Leistung beschreiben. Daraus ergibt sich, welche Möglichkeiten bestehen, um Korrek- turparameter zu definieren. Diese können einzeln oder in Kombination zur Beeinflussung des Energieeintrags ausgewählt werden .
Eine erste Möglichkeit besteht darin, die Leistung des Ener- giestrahls abzusenken. Unabhängig von der Belichtungsstrate¬ gie wird hierdurch die in das Bauteil eingebrachte Energie¬ dichte proportional verringert. Eine andere Möglichkeit be¬ steht darin, die Vorschubgeschwindigkeit des Energiestrahls auf dem Pulverbett zu erhöhen. Hierdurch verringert sich die pro Flächeneinheit des Pulverbetts eingebrachte Leistung, da der Energiestrahl eine bestimmte Flächeneinheit des Pulver¬ betts in kürzerer Zeit überstreicht. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass zwischen dem Abfahren des Belichtungsvektors und dem Abfahren eines benachbarten Belichtungsvektors eine Bestrahlungspause eingehalten wird. Die Belichtungsvek¬ toren definieren jeweils Teilstücke des Wegs, die der Ener¬ giestrahl zur Verfestigung des Pulverbetts abfährt, so dass die Pause zwischen dem Abfahren benachbarter Belichtungsvektoren dazu führt, dass im zeitlichen Mittel die Leistung ver- ringert wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die unterhalb des Energiestrahls zur Verfügung stehende Werk¬ stücktiefe aus einem die Geometrie des Werkstücks beschrei- benden Datensatz berechnet wird. Diese Daten liegen aufgrund der erforderlichen Arbeitsvorbereitung für das additive Herstellen des Werkstücks ohnehin vor. Es ist möglich, als die Geometrie des Werkstücks beschreibenden Datensatz den Geomet¬ riedatensatz (beispielsweise als STL-File ausgeführt) oder den Fertigungsdatensatz (beispielsweise als CLI-File ausge¬ führt) zu verwenden. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann die unterhalb des Energiestrahls zur Verfügung stehende Werkstück¬ tiefe nur bis zu einer festgelegten maximalen Tiefe berücksichtigt werden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die kriti- sehen Zustände einer Überhitzung des Schmelzbads und die da¬ mit verbundene Perlenbildung nur auftreten, wenn der Wärmeab- fluss in das bereits hergestellte Bauteil deutlich behindert ist. Ab einer bestimmten Werkstücktiefe ist es allerdings un¬ bedeutend, wie viel Bauteilvolumen unterhalb dieser bestimm- ten Werkstücktiefe zusätzlich zur Verfügung steht, da das
Werkstückvolumen bis zu dieser Tiefe ausreicht, um eine aus¬ reichende Wärmeabführung zu gewährleisten. Deshalb bleiben die nicht wesentlich an der Wärmeabführung beteiligten Werkstückbereiche unterhalb dieser maximalen Tiefe bei der Be- rechnung unberücksichtigt.
Vorteilhaft kann die maximale zu berücksichtigende Tiefe auf mindestens 0,5 mm und höchstens 2 mm, bevorzugt auf 1 mm, festgelegt werden. Alternativ ist es möglich, die maximal zu berücksichtigende Tiefe in bereits hergestellten Werkstückla¬ gen anzugeben, da diese aufgrund der Erstellung des Ablaufplans eine definierte Dicke aufweisen. Danach kann die maxi¬ mal zu berücksichtigende Tiefe auf mindestens 10 und höchs¬ tens 40 Lagen bevorzugt auf 20 Lagen festgelegt werden.
Die maximal zu berücksichtigende Tiefe hängt im Einzelnen von den Randbedingungen des ausgewählten additiven Herstellungsverfahrens und des zu verarbeitenden Materials ab. Bei dem zu verarbeitenden Material bilden beispielsweise die Wärmekapa- zität und das Wärmeleitvermögen eine wesentliche Rolle. Wei¬ terhin sind die Verfahrensparameter, insbesondere der standardmäßig vorgesehene Energieeintrag, also die durch den Energiestrahl pro Flächeneinheit des Pulverbetts eingebrachte zeitlich gemittelte Leistung, ein wesentlicher Einflussfak- tor.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann derart vorgegangen werden, dass die jeweils unterhalb des Ener- giestrahls zur Verfügung stehende Werkstücktiefe für die je¬ weils oberste Lage (also für jede Lage, da jede Lage im Pro- zess einmal die oberste Lage darstellt, während sie gerade hergestellt wird) als Konturfunktion ortsabhängig für den zu verfestigenden Flächenanteil der obersten Lage beschrieben wird. Der zu verfestigende Flächenanteil der obersten Lage des Pulverbetts ist somit der Flächenanteil, der die Werk¬ stücklage definiert und innerhalb der Kontur liegt, die durch die Konturfunktion beschrieben wird. Der Flächenanteil ist somit in einem x-y-Koordinatensystem ortsabhängig beschreibbar. Die Konturfunktion kann dabei vorteilhaft in tabellarischer Form aus einen Raster von Stützpunkten (x;y) abgespeichert werden. Hiermit kann beispielsweise ein modifiziertes CLI-File erstellt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Konturfunktion auf 1 normiert wird, wobei der Wert 1 dort erreicht wird, wo die maximal zu berücksichtigende Tiefe erreicht wird. Hierdurch lässt sich ein Korrekturwert der Konturfunktion beispielsweise stütz- stellenabhängig einfach berücksichtigen, indem der Wert der Konturfunktion als Korrekturfaktor verwendet wird. Wird die unkritische maximal zu berücksichtigende Tiefe in dem bereits hergestellten Werkstück erreicht, so liegt dieser Faktor bei 1, d. h., dass keine Korrektur der eingebrachten Energie des Energiestrahls notwendig ist. Erreicht der Korrekturwert 0, bedeutet dies, dass das Werkstück an dieser Stelle in der da¬ runter liegenden Lage noch nicht hergestellt wurde. Aller¬ dings darf hier die durch den Energiestrahl eingebrachte Energie nicht auf 0 gesetzt werden, sondern auf einen Mini- malwert, der zur Ausbildung einer nicht durch vormals erzeug¬ te Werkstücklagen unterstützten neuen Werkstücklage notwendig ist .
Alternativ kann gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Er- findung auch vorgesehen werden, dass der Konturfunktion eine Korrekturfunktion zugeordnet wird, in der ortsabhängig die Korrekturparameter für die durch den Energiestrahl pro Flächeneinheit des Pulverbettes eingebrachte zeitlich gemittelte Leistung abgelegt werden. Auch die Korrekturfunktion kann in tabellarischer Form für ein Raster aus Stützpunkten (x;y) abgespeichert werden. Dies ermöglicht die Berücksichtigung von Erfahrungswerten, wie die durch den Energiestrahl eingebrach- te Energie abhängig von dem bereits hergestellten Werkstückvolumen verringert werden muss. Bei Vorliegen eines genügenden Erfahrungswissens kann die Korrekturfunktion vorteilhaft aus einer Bibliothek gespeist werden, die mögliche Korrekturparameter zur Verfügung stellt. Diese Korrekturparameter kön- nen beispielweise für bestimmte zu bearbeitende Materialien, für bestimmte charakteristische Bauteilgeometrien oder für bestimmte additive Fertigungsverfahren zusammengestellt wer¬ den .
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Korrekturparameter der zuzuordnenden Korrekturfunktion in Abhängigkeit des gemittelten Wertes der Korrekturfunktion oder des Minimalwertes der Korrekturfunktion längs eines Belichtungsvektors bestimmt werden, wobei der Belichtungsvektor ein geradliniges Element des Vorschubs des Energiestrahls ist. Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird also der Belichtungsvektor als kleinste zu korrigierende Einheit behandelt. Dieser kann mit dem Korrekturfaktor der Korrekturfunktion einzeln oder gruppenweise mit anderen insbesondere parallel verlaufenden Belichtungsvektoren eines Segments innerhalb der zu belichtenden Kontur korrigiert werden.
Wird der gemittelte Wert der Korrekturfunktion verwendet, so fällt eine Korrektur geringer aus, als wenn der Minimalwert zur Bestimmung der Korrekturparameter verwendet wird. Bei Verwendung des Minimalwerts wird sozusagen das Worst-Case- Szenario für den betreffenden Belichtungsvektor berücksichtigt und die Korrektur fällt dementsprechend stärker aus. Ei¬ ne Entscheidung, welcher Wert berücksichtigt werden soll, kann beispielsweise von der Umgebung des Bauteils abhängig gemacht werden. Insbesondere kann gemäß einer weiteren Ausge¬ staltung der Erfindung bei der Bestimmung der Korrekturparameter innerhalb einer Randzone der Kontur zusätzlich eine Entfernung zum Rand der Kontur berücksichtigt werden. In der Randzone der Kontur fällt üblicherweise eine Verringerung des unterhalb des Schmelzbads liegenden Werkstückvolumens kriti¬ scher aus, weil am Rand ohnehin in einer Richtung quer zur Z- Richtung weniger Bauteilvolumen zur Verfügung steht. Hier kann beispielsweise der Minimalwert der Korrekturfunktion längs eines Belichtungsvektors verwendet werden, während au¬ ßerhalb der Randzone der Mittelwert verwendet wird. Weiterhin wird die eingangs angegebene Aufgabe mit einem Ver¬ fahren zum Erstellen einer Konturfunktion dadurch gelöst, dass die jeweils unterhalb eines zur Herstellung zu verwen¬ denden Energiestrahls zur Verfügung stehende Werkstücktiefe für zu bearbeitende Lagen des Pulverbettes als Konturfunktion ortsabhängig für den zu verfestigenden Flächenanteil der Lage berechnet wird. Die jeweils herzustellende Lage, für die die Konturfunktion berechnet wird, ist während der Herstellung in dem oben bereits beschriebenen Fertigungsverfahren die oberste Lage. Allerdings können die Konturfunktionen aller herzu- stellenden Lagen auch im Voraus bereits berechnet werden, da die hierzu erforderlichen Informationen in den das Werkstück beschreibenden Datensätzen bereits zur Verfügung stehen. Mit dem Verfahren lassen sich die oben bereits erläuterten Vorteile bei der Verfahrensführung erreichen, wonach eine Über- hitzung des Schmelzbads verhindert werden kann.
Weiterhin wird die oben angegebene Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Erstellen von Korrekturparametern für eine Korrekturfunktion, die in dem oben beschriebe- nen Verfahren zum additiven Herstellen Anwendung finden kann. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Maß für die Ver¬ ringerung der durch den Energiestrahl pro Flächeneinheit des Pulverbetts eingebrachten zeitlich gemittelten Leistung durch Herstellen eines Probekörpers bestimmt wird. Aus dem ermit- telten Maß können die Korrekturparameter abgeleitet werden und mit für die Korrektur gültigen Randbedingungen für die Fertigung abgespeichert werden. Hierbei ist ein iteratives Vorgehen zur Überprüfung der Korrekturparameter möglich. Die Korrekturparameter können dann beispielsweise in einer Bibliothek abgelegt werden. Die Werte können dann bei Bedarf abgerufen werden, wenn sich bei dem herzustellenden Bauteil vergleichbare Strukturen ergeben wie bei dem Probekörper oder 5 vormals hergestellten Werkstücken.
Alternativ kann die Aufgabe auch dadurch gelöst werden, dass das Maß für die Verringerung der durch den Energiestrahl pro Flächeneinheit des Pulverbetts eingebrachten zeitlich gemit- l t) telten Leistung mit einem Simulationsprogramm berechnet wird, um aus dem Maß die Korrekturpartner abzuleiten. Auch diese können mit für die Korrektur gültigen Randbedingungen für die Fertigung abgespeichert werden. Auch hier ist ein iteratives Vorgehen zur Überprüfung der ermittelten Korrekturparameter
15 möglich, indem das Simulationsprogramm mehrfach durchlaufen wird. Das Simulationsprogramm kann auf die Herstellung von Probekörpern oder auf die Herstellung von Konstruktionsbauteilen angewandt werden. Auch ist es möglich, das vorstehend beschriebene Verfahren, aufweisend die Herstellung eines Pro¬
20 bekörpers mit dem Verfahren, aufweisend eine Simulation, zu kombinieren .
Die eingangs angegebene Aufgabe wird zuletzt auch durch ein Computerprogrammprodukt zum Erstellen einer Konturfunktion 25 gelöst, die zur Anwendung in dem vorstehend beschriebenen additiven Fertigungsverfahren geeignet ist. Dabei ist vorgese¬ hen, dass in dem Computerprogrammprodukt ein Erstellungspro¬ grammmodul vorgesehen ist, mit dem die jeweils unterhalb ei¬ nes zur Herstellung zu verwendenden Energiestrahls zur Verfü- 30 gung stehende Werkstücktiefe für eine zu bearbeitende Lage als Konturfunktion ortsabhängig für den zu verfestigenden Flächenanteil dieser Lage des Pulverbetts berechenbar ist. Das Erstellungsprogrammmodul weist eine erste Schnittstelle zur Eingabe von einen die Geometrie eines herzustellenden 35 Werkstücks beschreibenden Datensatz auf. Außerdem weist das
Erstellungsprogrammmodul eine zweite Schnittstelle zur Ausga¬ be der besagten Konturfunktion auf. Damit kann das Erstellungsprogrammmodul mit den erforderlichen Daten zur Erstel¬ lung der Konturfunktion versorgt werden und die berechnete Konturfunktion anschließend ausgeben.
Zuletzt wird die eingangs angegebene Aufgabe auch durch ein Computerprogrammprodukt zum Erstellen von Korrekturparametern für eine Korrekturfunktion gelöst, wobei die Konturfunktion in dem eingangs beschriebenen additiven Fertigungsverfahren zur Anwendung kommen kann. Die eingangs angegebene Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Simulationsprogrammmodul vorge- sehen ist, mit dem das Maß für die Verringerung der pro Flächeneinheit durch den Energiestrahl eingebrachten zeitlich gemittelten Leistung berechenbar ist. Das Simulationsprogrammmodul weist hierfür eine dritte Schnittstelle zur Einga¬ be von einem die Geometrie eines simuliert herzustellenden Werkstücks beschreibenden Datensatz auf, da dieser Datensatz für die Simulationsberechnung benötigt wird. Außerdem weist das Simulationsprogrammmodul eine vierte Schnittstelle zur Ausgabe des besagten Maßes auf. Aus dem Maß lässt sich dann unter Berücksichtigung der bei der Simulation verwendeten Randbedingungen für die simulierte Fertigung als Korrekturpa¬ rameter abspeichern.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszei¬ chen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen : Figur 1 eine Anordnung zur Ausführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer geschnittenen schematischen Darstellung einer Laserschmelzanlage und Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukte als Block- Schaltbild, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung von Korrekturparametern durch ein Testverfahren dreidimensional, Figur 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Konturfunktion als Aufsicht,
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel für die Ermittlung von Korrekturfaktoren abhängig von Belichtungsvektoren ge- mäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens schematisch dreidimensional und
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens als Ablaufdiagramm.
In Figur 1 ist eine Anlage 11 zum Laserschmelzen schematisch darstellt. Diese weist eine Prozesskammer 12 auf, in der ein Pulverbett 13 hergestellt werden kann. Zur Herstellung je¬ weils einer Lage des Pulverbettes 13 wird eine Verteilungs- einrichtung in Form einer Rakel 14 über einen Pulvervorrat 15 und anschließend über das Pulverbett 13 bewegt, wodurch eine dünne Schicht an Pulver im Pulverbett 13 entsteht, die eine oberste Lage 25 des Pulverbettes bildet. Ein Laser 16 erzeugt dann einen Laserstrahl 17, der mittels einer optischen Um- lenkvorrichtung mit Spiegel 18 über die Oberfläche des Pul¬ verbettes 13 bewegt wird. Dabei wird das Pulver am Auftreff¬ punkt des Laserstrahls 17 aufgeschmolzen, wodurch ein Werkstück 19 entsteht. Das Pulverbett 13 entsteht auf einer Bauplattform 20, welche über einen Aktor 21 in einem topfförmigen Gehäuse 22 schrittweise um jeweils eine Pulverlagendicke abgesenkt werden kann. In dem Gehäuse 22 sowie der Bauplattform 20 sind Heizeinrichtungen 23 in Form von elektrischen Widerstandsheizungen (al- ternativ sind auch Induktionsspulen möglich) vorgesehen, welche das in Entstehung befindliche Werkstück 19 sowie die Par¬ tikel des Pulverbettes 13 vorwärmen können. Um den Energiebe¬ darf zur Vorwärmung zu begrenzen, befindet sich an dem Gehäu- se 22 außen eine Isolation 24 mit geringer thermischer Leitfähigkeit .
Die Anlage 11 zum Laserschmelzen wird durch eine Steuerein- richtung CRL kontrolliert, welche vorher mit geeigneten Pro¬ zessdaten versorgt werden muss. Zur Vorbereitung der Herstellung des Werkstücks 19 ist es zunächst erforderlich, in einem Konstruktionsprogramm CAD die drei dimensionalen Geometriedaten des Werkstücks zu erzeugen. Der so erzeugte Geometrieda- tensatz STL wird über eine fünfte Schnittstelle S5 an ein
System zur Fertigungsvorbereitung CAM gegeben. Auf dem System zur Fertigungsvorbereitung CAM ist einerseits ein Computerprogrammprodukt 26 installiert, welches ein Erstellungspro¬ grammmodul CON und ein Transformationsprogrammmodul SLC auf- weist. Im Transformationsprogrammmodul wird der Konstrukti¬ onsdatensatz STL (empfangen über die erste Schnittstelle Sl) in einen Fertigungsdatensatz CLI umgewandelt. Außerdem werden von dem Transformationsprogrammmodul Verfahrensparameter PRT festgelegt, die mit dem Fertigungsdatensatz CLI über die ers- te Schnittstelle Sl an das Erstellungsprogrammmodul CON wei¬ tergegeben werden. Hierbei handelt es sich um standardisierte Fertigungsparameter .
Das Erstellungsprogrammmodul CON dient zur Ermittlung von Korrekturfaktoren vf, welche bei den Fertigungsparametern PRT berücksichtigt werden sollen, damit es nicht zu einer Über¬ hitzung des Schmelzbads kommt. Diese werden nach deren Er¬ stellung über eine Schnittstelle S2 an die Steuereinrichtung CRL für die Anlage 11 weitergegeben und gegebenenfalls durch die Steuereinrichtung CRL vorteilhaft mit spezifischen Daten der Anlage 11 ergänzt. Hierfür benötigt die Steuereinrichtung CRL auch den Fertigungsdatensatz CLI, der die Geometrie des in Werkstücklagen aufgeteilten Maschinen enthält. Die Steuereinrichtung kommuniziert über eine neunte Schnittstelle S9 mit der Anlage.
Damit Korrekturparameter vf erzeugt werden können, berechnet das Erstellungsprogrammmodul CON zunächst erfindungsgemäß mit Tiefeninformationen ergänzte Konturfunktionen gcf eines herzustellenden Werkstücks, die neben der Information der Ausdehnung der zu verfestigenden Werkstücklage auch eine ortsabhängige Information darüber enthält, wie groß die unter dem Energiestrahl zur Verfügung stehende Werkstücktiefe z (vgl. Figur 2) ist. Diese Information ist von den Variablen x und y abhängig, was durch den Ausdruck gcf (x,y) zum Ausdruck gebracht werden kann. Aus der Konturfunktion lassen sich dann ortsaufgelöst die Korrekturparameter vf, die ebenfalls von den Variablen x und y abhängig sind, ermitteln, weswegen ebenfalls vf als Funktion vf (x,y) geschrieben werden kann.
Zur Berechnung der Korrekturfunktion vf benötigt das Erstellungsprogrammmodul CON Daten, die aus einer Bibliothek LIB stammen können. Diese ist gemäß Figur 1 als externe Biblio¬ thek LIB dargestellt und über eine sechste Schnittstelle mit dem Erstellungsprogrammmodul CON verbunden (Kommunikation in beide Richtungen möglich) . Um Daten für die Erstellung von Korrekturparametern vf zu erhalten, kann auch ein Simulationsprogrammmodul SIM verwendet werden, welches in einem zweiten Computerprogrammprodukt 27 implementiert ist. Dieses erhält über eine dritte Schnitt¬ stelle S3 den Fertigungsdatensatz CLI und Fertigungsparameter PRT, wobei mit diesen Daten eine additive Herstellung des
Werkstücks simuliert werden kann. Alternativ können typische Teilstrukturen von Werkstücken oder Probekörper mit dem Simulationsprogramm berechnet werden. Das Ergebnis dieser Simulationsberechnungen kann in der Bibliothek LIB über eine sie- bente Schnittstelle S7 abgespeichert werden.
Ein alternatives Vorgehen besteht darin, dass Teststrukturen TST mit der Anlage 11 oder anderen Anlagen hergestellt werden können, um zu ermitteln, ob es zu Überhitzungen des Schmelz- bads kommt. Auf diesem Wege können auch Korrekturparameter ausprobiert werden. Auch diese Ergebnisse können in der Bib¬ liothek LIB unter Ausnutzung einer achten Schnittstelle S8 gespeichert werden. Alternativ können die Testergebnisse der Tests TST oder der Simulationsberechnungen im Simulationsprogrammmodul SIM auch über eine vierte Schnittstelle S4 an das Erstellungsprogrammmodul CON weitergegeben werden, so dass hieraus die Korrekturparameter vf ermittelt werden können.
Figur 2 zeigt eine mögliche Struktur eines Probekörpers 28, der mit einem Teil des den Probekörper 28 umgebenden Pulverbetts 13 dargestellt ist. Dieser weist eine keilförmige
Struktur auf, wobei sich hierdurch eine Kante 29 in der obersten Lage ergibt, unter der kein Material des Probekörpers 28 im Pulverbett 13 vorhanden ist. Hierdurch kommt es zu einer Schmelzbadüberhitzung (nicht dargestellt) , welche dazu führt, dass mehr Material verfestigt wird, als aufgrund des Verfahrensablaufes vorgesehen. Deshalb weicht die tatsächli- che Bauteilgeometrie des bisher hergestellten Probekörpers 28 von der Sollgeometrie ab, die durch die gestrichelten Kante angedeutet lässt. Es wird also mehr Material verfestigt, so dass die Kante 29 aus der Oberfläche des Pulverbetts 13 her¬ ausragt. Der gestrichelt angedeutete keilförmige Bereich ist wegen einer begrenzten Tiefe z des Bauteils bis zum Übergang zum Pulverbett 13 als kritisch hinsichtlich einer evtl. Überhitzung des Schmelzbades zu bewerten.
Um dieses Problem zu bewältigen, wird von dem Probekörper 28 (wie auch von einem Werkstück 19, welches gemäß Figur 1 herzustellen ist) folgende Konturfunktion gcf (x,y) berechnet: gcf(x, y) = -2- f px, y, z) dz ;
(l, (χ,γ,ζ) im Werkstück
p{x,y,z) 'y'
{0, sonst mit z = tatsächliche Tiefe des Probekörpers 28 unterhalb einer Oberfläche 30 des Pulverbetts
zm = die maximal zu berücksichtigende Tiefe des Probekörpers 28. Die rechnerische Ermittlung kann auf der Grundlage des
Konstruktionsdatensatzes STL oder auf Grundlage des Ferti¬ gungsdatensatzes CLI erfolgen. Typischerweise werden die Wer- te für die zur Verfügung stehende Bauteiltiefe z tabellarisch für eine bestimmte Anzahl von in einem Raster liegenden
Stützpunkten (x;y) abgespeichert und können nach der oben stehenden Berechnungsmethode zwischen 0 und 1 liegen. Durch die Berechnungsvorschrift erfolgt somit eine Normierung der Konturfunktion gcf, wobei die maximal zu berücksichtigende Tiefe des Probekörpers 28 mit 1 gleichgesetzt wird.
Gemäß Figur 3 ist eine bestimmte durch die Konturfunktion gcf (x,y) beschriebene Kontur dargestellt, wobei diese auch aus mehreren Teilgebieten bestehen kann. Die Bereiche, in denen z < zm sind, sind in Figur 3 schraffiert dargestellt und wer¬ den von einer Strich-Punkt-Linie begrenzt. Diese können an einer Außenkontur 31 der herzustellenden Werkstücklage 32 liegen oder auch deren Inneren. Außerdem ist in Figur 3 je- weils eine Randzone 33 der herzustellenden Werkstücklage durch eine Strich-Doppelpunkt-Linie angedeutet, in der zu¬ sätzlich für die Randzone geltende Randbedingungen bei der Ermittlung von Korrekturfaktoren berücksichtigt werden können .
Gemäß Figur 4 ist ein Ausschnitt 34 der zu belichtenden Oberfläche eines Werkstücks dargestellt. In diesem Ausschnitt liegt ein Segment 35, welches mit einer Anzahl von Belich¬ tungsvektoren 36 belichtet werden soll. Diese weisen jeweils eine bestimmte Länge auf und verlaufen in dem Segment 35 mit einem bestimmten Abstand (hatch) h parallel zueinander. Zur Bestimmung der unter einem Belichtungsvektor 36 liegenden Tiefe z des Werkstücks kann entweder der durchschnittliche Wert z i oder der minimale Wert Z2 ermittelt werden. Dieser wird für den betreffenden Belichtungsvektor 36 als Stützwert in der Konturfunktion gcf unter den betreffenden Koordinaten (x;y) abgelegt. Aus Figur 4 wird deutlich, dass sich diese Werte z für jeden der Belichtungsvektoren 36 ändern, da das unter dem Segment 35 befindliche Bauteilvolumen durch ein Drahtgittermodell 37 angedeutet ist.
Gemäß Figur 5 ist das erfindungsgemäße Verfahren zum additi- ven Herstellen eines Werkstücks als Ablaufdiagramm dargestellt. Wie zu Figur 1 beschrieben, beginnt das Verfahren mit der Erstellung eines Geometriedatensatzes STL für ein herzu¬ stellendes Werkstück. Dieser wird in an sich bekannter Weise in einem nachfolgenden Schritt in einen Fertigungsdatensatz CLI, der das herzustellende Werkstück in Slices beschreibt, transformiert. Dieser Fertigungsdatensatz CLI kann zur Erzeugung des Werkstücks mit standardisierten Fertigungsparametern dienen, wobei ein Test TST durchgeführt werden kann, in dem das Werkstück in einer Anlage zum additiven Fertigen herge- stellt wird. Alternativ kann die Herstellung auch durch eine Simulationsberechnung CAL überprüft werden. In beiden Fällen wird anschließend festgestellt, ob wegen einer Überhitzung des Schmelzbads Formabweichungen DEV festzustellen sind.
Hierbei ist zu bemerken, dass Formabweichungen auch andere Gründe haben können, so dass insbesondere in kritischen Zonen nach Formabweichungen gesucht werden muss, welche auf eine Schmelzbadüberhitzung schließen lassen. Diese kritischen Zonen sind, wie bereits erläutert, dort zu finden, wo bei der Herstellung der betreffenden Lage nur ein geringes Werkstück- volumen unterhalb des Energiestrahls zur Verfügung steht.
Wenn die Formabweichungen DEV kleiner sind, als maximal zulässige Toleranzen tmax, kann mit einer Produktion PRD des Werkstücks begonnen werden. Die Daten, die für die Herstel- lung dieses Bauteils notwendig sind, können als Korrekturda¬ ten gespeichert werden und zur Erstellung späterer Fertigungsdatensätze CLI herangezogen werden.
Sollten die Formabweichungen DEV größer als die zulässigen Toleranzen tmax sein, so muss eine modifizierte Konturfunktion gcf (x,y) erstellt werden, aus der in Abhängigkeit der Tiefen¬ information z des bisher hergestellten Werkstücks Korrekturparameter der Korrekturfunktion vf (x,y) ermittelt werden kön- nen. Diese werden dann in einem weiteren Test TST oder einer weiteren Simulationsberechnung CAL berücksichtigt, wobei wiederum die Formabweichungen DEV bestimmt werden. Diese Iterationen werden so lange wiederholt, bis die Formabweichungen DEV kleiner sind, als die maximal die zugelassenen Toleranzen tmax ·

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum pulverbettbasierten additiven Herstellen eines Werkstücks (19), bei dem das Werkstück (19) Lage für Lage in einem Pulverbett (13) hergestellt wird, wobei die jeweils oberste Lage (25) des Pulverbettes (13) zur Herstellung des Werkstückes durch einen Energiestahl verfestigt wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass bei dem Verfestigen der obersten Lage (25) des Pulver- bettes (13) die unter der obersten Lage (25) liegende Geomet¬ rie des bereits hergestellten Werkstückes berücksichtigt wird, wobei die durch den Energiestrahl (17) pro Flächeneinheit des Pulverbettes eingebrachte zeitlich gemittelte Leis¬ tung unter Anwendung von Korrekturparametern verringert wird, wenn der Wärmeabfluss in das bereits hergestellte Werkstück
(19) abhängig von der unterhalb des Energiestrahls zur Verfü¬ gung stehenden Werkstücktiefe (z) verringert ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die pro Flächeneinheit des Pulverbettes eingebrachte zeitlich gemittelte Leistung verringert wird, indem folgende Korrekturparameter angewendet werden:
• die Leistung des Energiestahls (17) wird abgesenkt
und/oder
• eine Vorschubgeschwindigkeit des Energiestrahls (17) auf dem Pulverbett (13) wird erhöht und/oder
• zwischen dem Abfahren eines Belichtungsvektors (36) und dem Abfahren eines benachbarten Belichtungsvektors (36) wird eine Bestrahlungspause eingehalten, wobei die Be¬ lichtungsvektoren jeweils Teilstücke des Weges beschrei¬ ben, den der Energiestrahl (17) zur Verfestigung des Pulverbettes (13) abfährt. 3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die unterhalb des Energiestrahls zur Verfügung stehende Werkstücktiefe (z) aus einem die Geometrie des Werkstücks (19) beschreibenden Datensatz berechnet wird. 4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die unterhalb des Energiestrahls zur Verfügung stehende Werkstücktiefe (z) nur bis zu einer festgelegten maximalen Tiefe (zm) berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die maximale zu berücksichtigende Tiefe (zm) auf mindes¬ tens 0,5 mm und höchstens 2 mm, bevorzugt auf 1 mm festgelegt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die maximale zu berücksichtigende Tiefe (zm) auf mindes- tens 10 und höchstens 40 Lagen, bevorzugt auf 20 Lagen fest¬ gelegt wird.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die jeweils unterhalb des Energiestrahls zur Verfügung stehende Werkstücktiefe (z) für die oberste Lage (25) als Konturfunktion (gcf) ortsabhängig für den zu verfestigenden Flächenanteil der obersten Lage (25) beschrieben wird. 8. Verfahren nach dem auf einen der Ansprüche 4, 5 oder 6 zurückbezogenen Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Konturfunktion (gcf) auf 1 normiert wird, wobei der Wert 1 dort erreicht wird, wo die maximale zu berücksichti- gende Tiefe (zm) erreicht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Konturfunktion (gcf) eine Korrekturfunktion (vf) zugeordnet wird, in der ortsabhängig die Korrekturparameter für die durch den Energiestrahl (17) pro Flächeneinheit des Pul¬ verbettes eingebrachte zeitlich gemittelte Leistung abgelegt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Korrekturparameter der zuzuordnenden Korrekturfunk- tion (vf) in Abhängigkeit des gemittelten Wertes der Korrekturfunktion (vf) oder des Minimalwertes der Korrekturfunktion (vf) längs eines Belichtungsvektors bestimmt werden, wobei der Belichtungsvektor ein geradliniges Element des Vorschubs des Energiestrahls ist.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass bei der Bestimmung der Korrekturparameter innerhalb einer Randzone (33) der Kontur zusätzlich eine Entfernung zum Rand der Kontur berücksichtigt wird.
12. Verfahren zum Erstellen einer Konturfunktion (gcf) zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die jeweils unterhalb eines zur Herstellung zu verwen¬ denden Energiestrahls (17) zur Verfügung stehende Werkstücktiefe (z) für zu bearbeitende Lagen (25) des Pulverbettes als Konturfunktion (gcf) ortsabhängig für den zu verfestigenden Flächenanteil der Lage (25) berechnet wird.
13. Verfahren zum Erstellen von Korrekturparametern für eine Korrekturfunktion (vf) zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass
• das Maß für die Verringerung der durch den Energiestrahl (17) pro Flächeneinheit des Pulverbettes eingebrachten zeitlich gemittelte Leistung durch Herstellen eines Probekörpers (28) bestimmt wird,
• aus dem Maß die Korrekturparameter abgeleitet werden und
• die Korrekturparameter mit für die Korrektur gültigen Randbedingungen für die Fertigung abgespeichert werden.
14. Verfahren zum Erstellen von Korrekturparametern einer Korrekturfunktion (vf) zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass
• das Maß für die Verringerung der durch den Energiestrahl (17) pro Flächeneinheit des Pulverbettes eingebrachten zeitlich gemittelte Leistung mit einem Simulationspro¬ gramm berechnet wird,
• aus dem Maß die Korrekturparameter abgeleitet werden und
• die Korrekturparameter mit für die Korrektur gültigen Randbedingungen für die Fertigung abgespeichert werden.
15. Computerprogrammprodukt zum Erstellen einer Konturfunkti¬ on (gcf) zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass
• ein Erstellungsprogrammmodul (CON) vorgesehen ist, mit dem die jeweils unterhalb eines zur Herstellung zu ver¬ wendenden Energiestrahls (17) zur Verfügung stehende Werkstücktiefe (z) für eine herzustellende Lage (25) als Konturfunktion (gcf) ortsabhängig für den zu verfestigenden Flächenanteil einer Lage (25) des Pulverbettes berechenbar ist,
• das Erstellungsprogrammmodul (CON) eine erste Schnitt¬ stelle (Sl) zur Eingabe von einem die Geometrie eines herzustellenden Werkstücks (19) beschreibenden Datensatz aufweist und
• das Erstellungsprogrammmodul (CON) eine zweite Schnitt¬ stelle (S4) zur Ausgabe der besagten Konturfunktion (gcf) aufweist.
16. Computerprogrammprodukt zum Erstellen von Korrekturpara¬ metern für eine Korrekturfunktion (vf) zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass
• ein Simulationsprogrammmodul (SIM) vorgesehen ist, mit dem das Maß für die Verringerung der pro Flächeneinheit durch den Energiestrahl (17) eingebrachten zeitlich ge- mittelte Leistung berechenbar ist,
• das Simulationsprogrammmodul (SIM) eine dritte Schnitt¬ stelle (S3) zur Eingabe von einem die Geometrie eines simuliert herzustellenden Werkstücks (19) beschreibenden Datensatz aufweist und
das Simulationsprogrammmodul (SIM) eine vierte Schnittstelle (S4) zur Ausgabe des besagten Maßes aufweist.
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