WO2018233866A1 - Verfahren zur additiven fertigung von mindestens einem bauteil, stützstruktur oder element einer stützstruktur, bauteil mit derselben/demselben und anlage zur durchführung eines derartigen verfahrens - Google Patents

Verfahren zur additiven fertigung von mindestens einem bauteil, stützstruktur oder element einer stützstruktur, bauteil mit derselben/demselben und anlage zur durchführung eines derartigen verfahrens Download PDF

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Vasily Ploshikhin
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Definitions

  • the present invention relates to a method for, in particular powder bed-based, additive production of at least one component, one, in particular powder bed-based, additively manufactured plate-shaped support structure and a, in particular powder bed-based, additively manufactured plate-shaped element of a support structure, in particular powder bed -based, additively manufactured rod-shaped support structure and a, in particular powder bed-based, additively manufactured rod-shaped element of a support structure, a component, in particular powder bed-based, additively manufactured component with a support structure or an element of a support structure and a system for carrying out the method.
  • the present invention relates to a method for the automated design of component-specific support structures for an additively manufactured component.
  • Support structures are used to ensure thermal and mechanical stability of the building process, especially in the production of so-called down-faces (such as overhangs).
  • An important task of a support structure is to derive the process heat from the component surface in order to avoid heat build-up. Heat accumulation on a built-up surface can lead to the following unwanted effects, which can significantly degrade the quality of the component:
  • a support structure Another important function of a support structure is to ensure mechanical process stability. After melting the powder solidifies the consolidated material. During further cooling, the material continues to contract according to its thermal expansion and thus exerts pressure on the lower layers of the component. The stresses that arise in this case lead to deformations in the component already during the build-up process. In the area of, for example, overhangs, the components must therefore be provided with a support structure in order to counteract these stresses. Otherwise, the resulting stresses would cause the component to lift out of the powder bed. When applying the next powder layer, the powder slide (eg doctor blade or roller) would then collide with the component, which usually leads to the process being aborted.
  • the powder slide eg doctor blade or roller
  • a support structure is merely an aid to facilitate manufacturing. It must be removed after the end of the process. It is therefore desirable to reduce the mass of the support structure to a minimum. This lower construction times, less reworking and less reworking times and a lower material usage are achieved.
  • the support structures are designed purely geometrically on the basis of empirical experience and usually oversized in order to ensure the functions described above.
  • This is achieved according to a first aspect by a method for the additive production of a three-dimensional component of several component layers by multiple incremental, in particular layer by layer, adding pulverdraht- or bandförmigem, in particular metallic, component starting material and in particular incremental shaping consolidation by each selective melting and / or Sintering of the component starting material by means of at least one energy source, wherein together with the at least one component a support structure is produced additively, which supports the at least one component at one or more support points or support surfaces, and wherein the support structure based on, in particular simulation based, determined values of physical, in particular a thermal, field or a function thereof is designed on the surface and / or inside the component.
  • the present invention is based on a knowledge-based design of a support structure starting from a specific physical field, i. quantitative distribution of a specific physical quantity in the component.
  • physical quantities considered are primarily "thermal” quantities, such as temperature, cooling rate or heat dissipation capability, as well as “mechanical” quantities, e.g. Tension, strain or displacement.
  • this object is achieved by an additively manufactured plate-shaped support structure or an additively manufactured plate-shaped element of a support structure, wherein its thickness at a connection point between the support structure or the element and the supported surface of the component at least in a partial region of the support structure or of the element is variable.
  • this object is achieved by an additively manufactured rod-shaped support structure or an additively manufactured rod-shaped element of a support structure, wherein the surface of the support structure or the element decreases in cross-section to the mounting direction at least in a partial region of the support structure or the element in the direction against the mounting direction.
  • a system for carrying out a method according to one of claims 1 to 18, comprising a package housing with a build platform for supporting one or more powder bed-based additive to be manufactured component / components, a layer preparation device for preparing respective powder layers on the build platform , an irradiation device for irradiating the respectively last-prepared powder layer on the construction platform in accordance with Geometriebepoursnah of or to be manufactured component / components according to claim 23 and / or an associated support structure according to any one of claims 19 to 22 and a control device for controlling the irradiation device in accordance with the geometry description data.
  • the present invention provides one or more computer-readable media / media that includes computer-executable instructions that, when executed by a computer, cause the computer to perform the method of any one of claims 1 to 18 perform and / or interpret the support structure or the element of a support structure according to any one of claims 19 to 22.
  • the support structure may be one or more parts. It can consist of one or more elements.
  • the support structure is designed on the basis of a, in particular simulation-based, determined local heat dissipation capability or based on a function thereof.
  • the support point (s) or support surface (s) can be based on a comparison of the simulation-based values of the physical field, in particular the field of local heat dissipation capability, on the surface of the component with a predefinable limit value of the physical field, in particular of the field of local heat dissipation capability.
  • the support points or support surfaces are defined as regions in which the local heat dissipation capability is lower than a predefinable limit value.
  • at least one element of the support structure is designed so that the line of its contact with the surface of the component is perpendicular with a maximum deviation of ⁇ 45 degrees to the physical field isolines, in particular the local thermal dissipation capability field the surface runs.
  • the orientation of the element / elements of the support structure perpendicular to the isolines of a physical field automatically means the orientation in the direction of the gradient (ie in the direction of the maximum slope of the physical quantity) of this field. This spans the areas with the different values of a specific physical size over the shortest path. For example, in the case of a heat dissipation capability, this means a very efficient heat removal from the overheated component areas in the component areas, which can dissipate the heat better.
  • At least one element of the support structure is designed so that the line of its contact with the surface of the device along the isolines of the physical field, in particular the field of local heat dissipation capability, extends on that surface with a maximum deviation of ⁇ 45 degrees.
  • the orientation of the elements of the support structure along the isolines of a physical field leads to a stabilization of these elements. This spans the areas with the same values of a given physical size. For example, in the case of mechanical stretching, this means the constant mechanical stress (strain) of the element of the support structure along its contact surface with the component.
  • Also advantageous is a combination of at least one element oriented perpendicular to the isolines of a physical field and at least one element oriented along the isolines of the same or another physical field.
  • Elements oriented perpendicular to the isolines lead to an efficient balancing (stabilization) of the physical field by overvoltage of the regions with different values of the physical quantities over the shortest possible path.
  • stabilization stabilization of the physical field by overvoltage of the regions with different values of the physical quantities over the shortest possible path.
  • oriented elements connect over the shortest way the vertical elements and thus serve to stabilize the entire support structure.
  • the spatial distance or the spatial density of the support points or support surfaces on the surface of the component as a function of the local value of the physical field, in particular the field of local heat dissipation capability.
  • the spatial distance between the support points or support surfaces on the surface of the component decreases with a decreasing value of the physical value, in particular with a decreasing local heat dissipation ability, or increases the spatial density of the support points or support surfaces.
  • the spatial distance between the support points or support surfaces on the surface of the component decreases with an increasing value of the physical value, in particular with an increasing local mechanical displacement on the surface or increases the spatial density of the support points.
  • At least one geometric parameter of the support surface, in particular its width, between an element of the support structure and the supported surface of the component is calculated as a function of the local value of the physical value, in particular the field of heat dissipation capability ,
  • At least two non-adjacent local areas on the surface of the component having unequal values of a physical field, in particular the field of local heat dissipation capability, are interconnected by the support structure or an element thereof.
  • a local location or area on a surface of a component having a minimum value of one physical field, in particular the field of local heat dissipation capability, with another local location or surface on the surface of the component, in particular with a maximum value of the physical field, in particular the field of local heat dissipation capability, is connected by the support structure or an element thereof.
  • at least one local area or area on one surface of a component and a local area on a surface of another component, which have unequal values of a physical field, in particular the field of local heat dissipation capability, through the support structure or an element of the same are interconnected.
  • the local heat dissipation capability is calculated by a temporal derivative of the local temperature or by a function thereof, in particular as a time integral of the negative product of the temporal derivative of the local temperature, the heat capacity of the component starting material and the density of the component starting material in a specific time interval.
  • a numerical simulation of the temperature distribution in the entire component based on an initial temperature distribution is performed to determine the local heat dissipation capabilities.
  • the initial temperature is assumed to increase in the body direction.
  • the initial temperature is assumed to be transverse to the direction of construction as constant.
  • its / its center line does not extend in a straight line transversely to the construction direction at least in a partial region of the support structure or of the element.
  • its / its thickness decreases in the direction opposite to the construction direction at least in a partial region of the support structure or of the element.
  • the support structure or element has at least one predetermined breaking point in the area between the surfaces connected by it.
  • a predetermined breaking point has a predefined, in particular a constant, distance from the surface of the component supported by the support structure or the element.
  • the distance between the predetermined breaking point and the surface of the component is determined based on a value of the physical field, in particular the field of local heat dissipation ability.
  • the present invention is based on the surprising finding that the heat can be removed more efficiently from the supported surfaces of the components by a suitable, preferably automated, design of component-specific support structures, and this even with a material saving in the support structures in comparison with FIG conventional support structures succeed.
  • the contact surface between the support structure or the elements of the support structure and the component is designed so that the support structure or the elements more efficiently prevent / prevent the distortion of the component during the building process and thus a better process stability ensure / guarantee.
  • the reduced mass or total mass of the support structure reduces the overall assembly time and saves expensive material.
  • the method can be used in all additive processes in which support structures are used.
  • a very relevant field of application are primarily jet-based additive methods, such.
  • additive manufacturing processes can be considered as further fields of application, in which other energy sources (for example arc or plasma) and / or other material application processes (for example powder or wire-coated welding with additive production of metallic materials or fused deposition modeling technologies for the generation of plastic components) be used.
  • energy sources for example arc or plasma
  • material application processes for example powder or wire-coated welding with additive production of metallic materials or fused deposition modeling technologies for the generation of plastic components
  • the invention is applicable to all materials and classes of materials (metals, plastics, ceramics) used in additive manufacturing.
  • Fig. 1 is a schematic diagram for explaining the definition of local heat dissipation capability
  • Fig. 2 is a schematic diagram for explaining terms
  • Fig. 3 is a schematic diagram for explaining the design of a support structure according to a particular embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a schematic representation for the design of a support structure in a cavity of a component according to a particular embodiment of the present invention
  • Fig. 5 is a schematic diagram for designing a support structure with variable thickness elements according to a particular embodiment of the present invention; a schematic representation of the design of a support structure with elements of variable thickness according to another particular embodiment of the present invention; a schematic representation of the design of a support structure with elements of variable thickness according to another particular embodiment of the present invention;
  • FIG. 8 shows two examples (a and b) of plate-shaped support structures or plate-shaped elements of a support structure according to particular embodiments of the present invention.
  • FIG. 9 shows two examples (a and b) for support structures of rod-shaped elements according to particular embodiments of the present invention.
  • the design of the support structures is based on the calculated distribution of the local heat dissipation capability.
  • the local heat dissipation capability distribution can be numerically determined by a thermal calculation for a particular component. For this reason, comments on the heat dissipation capability as a quantification value will follow.
  • the design of the trajectories and the orders of the heat input are based on the simulation-based determination of the local heat dissipation capability in a component layer.
  • the local heat dissipation capability characterizes the ability of a particular device area to carry away heat to the interior of the device.
  • the heat dissipation capability D (“dissipation") of the component layer is defined as the integral of the heat flow q over the surface s (FIG. 1):
  • the local heat dissipation capability can be calculated from the heat equation:
  • Q is the power of the heat source in volume V
  • c is the heat capacity
  • p is the density
  • t is the time.
  • the local heat dissipation capability D loc is then defined as follows:
  • the local heat dissipation capability depends not only on the material properties (heat conduction, heat capacity, density) and heat input. It is also affected by the boundary conditions, such. As the local component geometry, strongly influenced.
  • the local component geometry is also taken into account.
  • the temperature distribution and the cooling rate in the component and, accordingly, the local heat dissipation capability change with time. Therefore, it makes sense to integrate the local heat dissipation capability over a certain time and to use the resulting value for the characterization of the heat dissipation at a certain point. Assuming the absence of a heat source, the following value results:
  • AH is the change of the enthalpy in the time interval from o to ⁇ .
  • the local thermal conductivity can be characterized by the change in temperature:
  • the two representations of the local heat dissipation capability can be easily determined by calculating the temperature field (thermal calculation). Indirect physical interpretation of the value of local heat dissipation capability
  • the heat in an additive process is normally removed mainly downwards, from a generated component layer into the interior of the component.
  • the value of local heat dissipation capability indirectly indicates the amount of "cold" consolidated material below the particular point of the device layer The more "cold" material mass is below a particular point of a device layer, the higher the value of localized heat dissipation capability ,
  • the thermal simulations for determining the local heat dissipation ability can be carried out with all numerical methods for the solution of the partial heat equation, such. For example, the finite element method or the finite difference method.
  • the determination of the local heat dissipation capability can be faster.
  • an artificial temperature distribution with the temperature rising in the direction of construction and a constant temperature gradient, is used as the initial condition.
  • Such an initial condition mimics the temperature distribution in the real building process.
  • the heat flow at the beginning of the calculation takes place exclusively downwards (in the Z direction).
  • FIG. 2 serves to explain or define a surface of a component to be supported.
  • a component 1 has a cavity (or an opening) 2.
  • the cavity 2 has a surface 3.
  • FIG. 2 also shows calculated isolines of the local heat dissipation capability D in ° C. By comparing the calculated values the local heat dissipation ability on the surface 3 with a predeterminable limit value can be determined, which point (s) or surface (s) of the surface 3 are to be supported. For example, if the threshold was zero, then in the present example, the area indicated by the reference numeral 4 should be supported in the upper portion of the cavity 2.
  • a very advantageous embodiment of the method according to the invention is based on the design of contact lines 7 between the individual elements of a support structure and a region 40 to be supported of the lower surface 11 of a component perpendicular to isolines 8 of the local heat dissipation capability on the lower surface 11 in this example (see FIG 3).
  • the orientation of the elements of the support structure perpendicular to the isolines 8 of the local heat dissipation capability automatically means orientation in the direction of the gradient of local heat dissipation capability.
  • the regions with higher and lower heat dissipation capability are spanned over the shortest path. This means a very efficient removal of heat from the heated component areas in the component areas, which can dissipate the heat better.
  • the orientation of the elements of the support structure adapted to the gradients of the local heat dissipation capability will produce a further, very positive mechanical effect.
  • stresses are mainly caused by the thermally induced thermal contraction (shrinkage of the material during cooling).
  • these stresses are a result of a local difference in thermal contraction in two adjacent regions.
  • the tensions are higher, the greater a local difference of the thermal contraction between the adjacent component areas.
  • the thermal contraction in each area is linearly dependent on the local change in temperature.
  • a similar linear dependence on the temperature change also shows the local heat dissipation capability (see above).
  • the support points with the orientation described above are thus oriented perpendicular to the isolines of thermal contraction.
  • a particularly simple embodiment of the method according to the invention provides that a support structure connects the component regions with a lower heat dissipation capability to the regions of a higher heat dissipation capability (see Figure 4 (in particular (b)), thus effectively removing the heat from the overheated regions.
  • component is intended to mean not only one component in the conventional sense, but also the entire construct of several components, including a structural panel in a buildup batch of a 3D printer (the so-called “build job”). In all figures, the construction direction is shown as “z”.
  • a surface 16 to be supported of the component 1 (a surface having a low local heat dissipation capability), a base surface 17 (a surface having a high local heat dissipation capability) of the surface 3 of a cavity (or opening) 2 in the component 1 and a bridging space defined between these two surfaces 16 and 17 (see Figure 4 (a)); and a support structure 5 or member of the support structure connects the location with the low local heat dissipation capability (the surface 16 to be supported) of the device 1 to the location of high local heat dissipation capability on the base surface 17.
  • the process would continue in the form that a next element has a location with a low local heat dissipation capability on the remaining surface 16 to be supported with a location of high local heat dissipation capability on the surface remaining base surface 17 connects, taking care that this element does not cross with the already designed element in the bridging space. This process is repeated until the entire surface 16 of the component 1 to be supported has been covered with a predefinable spatial density or with a predefined spatial spacing of the support points.
  • Figures 5, 6 and 7 serve to exemplify the design of a support structure between a component 31 and a building board 30, wherein the support structure comprises a plurality of elements 5 with variable thickness.
  • Figures 5 (a), 6 (a) and 7 (a) and 5 (b), 6 (b) and 7 (b) show respective different side views.
  • a region 36 having a low local heat dissipation capability in the device 31 and a region 37 having a high local heat dissipation capability in the device plate 30 are also shown.
  • the contact lines of the elements 5 with the component 31 extend transversely to isolines of the local heat dissipation capability 38.
  • Fig. 7 shows a particularly advantageous embodiment of the elements 5 of the support structure. These elements only contact the component surface and have no contact with the building board. By providing the necessary heat dissipation capability, this embodiment allows a large saving in the overall mass of the support structure. In the mechanical sense, they represent a stiffening of the component 31 and thus automatically contribute to increasing the mechanical process stability.
  • FIG. 8 shows examples of plate-shaped or plate-like support structures or elements 5 of support structures.
  • the support structure or the element 5 runs in a straight line, while the support structure or the element 5 in FIG. 8 (b) is curved or wavy.
  • Reference numerals 52 and 53 side surfaces of the support structure and the element 5 are marked.
  • Reference numerals 50 and 51 indicate contact surfaces between the support structure and the element 5 and a component (not shown).
  • the thickness of the contact surface 51 varies depending on the local heat dissipation capability.
  • the centerline 57 of the contact surface 51 depends on the isolines of the local heat dissipation capability.
  • FIG. 9 shows examples of support structures made of rod-shaped elements 65. In FIG.
  • the support structure of elements 65 runs in a straight line, while the support structure in FIG. 9 (b) runs arcuately or wavily.
  • Reference numerals 60 and 61 indicate contact areas between the elements 65 and a component (not shown).
  • the contact area 61 varies depending on the local heat dissipation capability.
  • the centerline 67 of the contact surface 61 depends on the isolines of the local heat dissipation capability.
  • the process heat is removed not only via the elements of the support structure but also via the powder adjacent to these elements (not shown).
  • the auxiliary effect of powder in the total heat dissipation is reflected by the decrease of the cross section of the support members 5 (Fig. 8) and 65 (Fig. 9) in the direction against the mounting direction. This saves on the mass of the entire support structure.
  • Embodiments be essential.

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Abstract

Ein Verfahren zur, insbesondere Pulverbett-basierten, additiven Fertigung von mindestens einem Bauteil (1), eine, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigte plattenförmige Stützstruktur (5) und ein, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigtes plattenförmiges Element einer Stützstruktur (5), eine, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigte stabförmige Stützstruktur (5) und ein, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigtes stabförmiges Element einer Stützstruktur (5), ein, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigtes Bauteil (1) mit einer Stützstruktur (5) oder einem Element einer Stützstruktur (5) und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens. Es ist ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils (1) aus mehreren Bauteilschichten durch mehrfaches inkrementelles, insbesondere schichtweises, Hinzufügen von Pulver, draht- oder bandförmigem, insbesondere metallischem, Bauteilausgangsmaterial und insbesondere inkrementelles formgebendes Konsolidieren durch jeweils selektives Schmelzen und/ oder Sintern des Bauteilausgangsmaterials mittels mindestens einer Energiequelle vorgesehen, wobei zusammen mit dem mindestens einen Bauteil eine Stützstruktur (5) additiv hergestellt wird, die das mindestens eine Bauteil (1) an einer oder mehreren Stützstellen bzw. Stützflächen stützt, und wobei die Stützstruktur (5) auf Basis von, insbesondere simulationsbasiert, ermittelten Werten eines physikalischen, insbesondere eines thermischen, Feldes oder einer Funktion davon an der Oberfläche und/oder im Inneren des Bauteils (1) ausgelegt wird.

Description

„Verfahren zur additiven Fertigung von mindestens einem Bauteil, Stützstruktur oder Element einer Stützstruktur, Bauteil mit derselben/demselben und Anlage zur
Durchführung eines derartigen Verfahrens"
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur, insbesondere Pulverbett-basierten, additiven Fertigung von mindestens einem Bauteil, eine, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigte plattenförmige Stützstruktur und ein, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigtes plattenförmiges Element einer Stützstruktur, eine, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigte stabförmige Stützstruktur und ein, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigtes stabförmiges Element einer Stützstruktur, ein, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigtes Bauteil mit einer Stützstruktur oder einem Element einer Stützstruktur und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur automatisierten Auslegung von bauteilspezifischen Stützstrukturen für ein additiv gefertigtes Bauteil.
Stützstrukturen werden eingesetzt, um eine thermische und mechanische Stabilität des Aufbauprozesses vor allem bei der Herstellung von sogenannten„Down-Faces" (wie z. B. Überhänge) zu gewährleisten.
Eine wichtige Aufgabe einer Stützstruktur ist das Ableiten der Prozesswärme von der Bauteiloberfläche, um Wärmestaus zu vermeiden. Ein Wärmestau an einer aufgebauten Oberfläche kann zu folgenden unerwünschten Effekten, die die Bauteilqualität signifikant verschlechtern können, führen:
- Anhaftung von Pulver an der Bauteiloberfläche durch Sintereffekte
- Instabilitäten im Schmelzbad und daraus resultierende Defekte
BESTÄTIGUNGSKOPIE - vermehrte Bildung von Spritzern.
Da die Wärmeleitfähigkeit von Pulvern um Größenordnungen kleiner ist als die des konsolidierten Materials, erfolgt der Wärmetransport im Prozess fast ausschließlich über bereits verfestigte Bereiche, d. h. über das Bauteil selbst und vor allem über die Stützstellen.
Eine weitere wichtige Funktion einer Stützstruktur besteht in einer Gewährleistung der mechanischen Prozessstabilität. Nach dem Aufschmelzen des Pulvers erstarrt das konsolidierte Material. Beim weiteren Abkühlen zieht sich der Werkstoff entsprechend seiner thermischen Dehnung weiter zusammen und übt somit Druck auf die unteren Schichten des Bauteils aus. Die Spannungen, die dabei entstehen, führen zu Verformungen im Bauteil bereits während des Aufbauprozesses. Im Bereich von bspw. Überhängen müssen die Bauteile daher mit einer Stützstruktur versehen werden, um diesen Spannungen entgegenzuwirken. Andernfalls würden die entstehenden Spannungen dazu führen, dass das Bauteil sich aus dem Pulverbett hebt. Beim Auftragen der nächsten Pulverschicht würde dann der Pulverschieber (z. B. Rakel oder Walze) mit dem Bauteil kollidieren, was in der Regel zum Prozessabbruch führt.
Eine Stützstruktur stellt lediglich ein Hilfsmittel dar, um die Fertigung zu ermöglichen. Sie muss nach Prozessende wieder entfernt werden. Es wird daher angestrebt, die Masse der Stützstruktur auf ein Minimum zu reduzieren. Damit werden geringere Auf bauzeiten, ein geringerer Nachbearbeitungsaufwand bzw. geringere Nachbearbeitungszeiten und ein geringerer Materialeinsatz erreicht.
Nach dem heutigen Stand der Technik werden die Stützstrukturen rein geometrisch auf Basis von empirischen Erfahrungen ausgelegt und normalerweise überdimensioniert, um die oben beschriebenen Funktionen gewährleisten zu können.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Stützstruktur optimaler auszulegen, so dass die Basisfunktionen einer Stützstruktur wie der Wärmetransport von gestützten Oberflächen von Bauteilen sowie die mechanische Prozessstabilität effizienter erfüllt werden. Erfindungsgemäß wird dies gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils aus mehreren Bauteilschichten durch mehrfaches inkrementelles, insbesondere schichtweises, Hinzufügen von pulverdraht- oder bandförmigem, insbesondere metallischem, Bauteilausgangsmaterial und insbesondere inkrementelles formgebendes Konsolidieren durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern des Bauteilausgangsmaterials mittels mindestens einer Energiequelle, wobei zusammen mit dem mindestens einen Bauteil eine Stützstruktur additiv hergestellt wird, die das mindestens eine Bauteil an einer oder mehreren Stützstellen bzw. Stützflächen stützt, und wobei die Stützstruktur auf Basis von, insbesondere simulationsbasiert, ermittelten Werten eines physikalischen, insbesondere eines thermischen, Feldes oder einer Funktion davon an der Oberfläche und/oder im Inneren des Bauteils ausgelegt wird.
Im Gegensatz zu einer empirischen, rein geometrischen Auslegung einer Stützstruktur, beruht die vorliegende Erfindung auf einer wissensbasierten Auslegung einer Stützstruktur ausgehend von einem bestimmten physikalischen Feld, i.e. quantitativer Verteilung einer bestimmten physikalischen Größe im Bauteil. Zu den betrachteten physikalischen Größen gehören vor allem„thermische" Größen, wie z.B. Temperatur, Abkühlgeschwindigkeit oder Wärmeableitungsfähigkeit, sowie„mechanische" Größen, wie z.B. Spannung, Dehnung oder Verschiebung.
Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch eine additiv gefertigte plattenförmige Stützstruktur oder ein additiv gefertigtes plattenförmiges Element einer Stützstruktur, wobei ihre/seine Dicke an einer Verbindungstelle zwischen der Stützstruktur oder dem Element und der gestützten Oberfläche des Bauteils mindestens in einem Teilbereich der Stützstruktur bzw. des Elementes variabel ist.
Außerdem wird diese Aufgabe gelöst durch eine additiv gefertigte stabförmige Stützstruktur oder ein additiv gefertigtes stabförmiges Element einer Stützstruktur, wobei die Fläche der Stützstruktur oder des Elements im Schnitt quer zur Aufbaurichtung mindestens in einem Teilbereich der Stützstruktur bzw. des Elementes in Richtung gegen die Aufbaurichtung abnimmt. Zudem wird diese Aufgabe gelöst durch eine Anlage zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis i8, umfassend ein Bauraumgehäuse mit einer Bauplattform zur Abstützung eines oder mehrerer Pulverbett-basiert additiv zu fertigenden Bauteils/Bauteile, eine Schichtenpräparierungseinrichtung zur Präparierung jeweiliger Pulverschichten auf der Bauplattform, eine Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung der jeweils zuletzt präparierten Pulverschicht auf der Bauplattform nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des oder der zu fertigenden Bauteils/Bauteile nach Anspruch 23 und/oder einer zugehörigen Stützstruktur nach einem der Ansprüche 19 bis 22 und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Bestrahlungseinrichtung nach Maßgabe der Geometriebeschreibungsdaten.
Im Übrigen liefert die vorliegende Erfindung ein oder mehrere computerlesbare(s) Medium/Medien, das/die durch Computer ausführbare Befehle umfasst/umfassen, die, wenn sie durch einen Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 durchzuführen und/oder die Stützstruktur oder das Element einer Stützstruktur nach einem der Ansprüche 19 bis 22 auszulegen.
Die Stützstruktur kann ein- oder mehrteilig sein. Sie kann aus einem oder mehreren Elementen bestehen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens wird die Stützstruktur auf Basis einer, insbesondere simulationsbasiert, ermittelten lokalen Wärmeableitungsfähigkeit oder anhand einer Funktion derselben ausgelegt.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Stützstelle(n) bzw. Stützfläche(n) anhand eines Vergleichs der simulationsbasiert ermittelten Werte des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, an der Oberfläche des Bauteils mit einem vorab festlegbaren Grenzwert des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, definiert wird/werden.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Stützstellen bzw. Stützflächen als Bereiche definiert werden, in denen die lokale Wärmeableitungsfähigkeit niedriger als ein vordefinierbarer Grenzwert ist. Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mindestens ein Element der Stützstruktur so ausgelegt, dass die Linie seines Kontaktes mit der Oberfläche des Bauteils senkrecht mit einer Abweichung von maximal ± 45 Grad zu den Isolinien des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, auf der Oberfläche verläuft. Die Orientierung des Elements/ der Elemente der Stützstruktur senkrecht zu den Isolinien eines physikalischen Feldes bedeutet automatisch die Orientierung in Richtung des Gradienten (i.e. in Richtung der maximalen Steigung der physikalischen Größe) dieses Feldes. Damit werden über den kürzesten Weg die Bereiche mit den unterschiedlichen Werten einer bestimmten physikalischen Größe überspannt. Z.B. im Fall einer Wärmeableitungsfähigkeit bedeutet dies einen sehr effizienten Wärmeabtransport aus den überhitzten Bauteilbereichen in die Bauteilbereiche, welche die Wärme besser abführen können.
Alternativ wird mindestens ein Element der Stützstruktur so ausgelegt, dass die Linie seines Kontaktes mit der Oberfläche des Bauteils entlang den Isolinien des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, auf dieser Oberfläche mit einer Abweichung von maximal ± 45 Grad verläuft. Die Orientierung der Elemente der Stützstruktur entlang den Isolinien eines physikalischen Feldes führt zu einer Stabilisierung dieser Elemente. Damit werden die Bereiche mit den gleichen Werten einer bestimmten physikalischen Größe überspannt. Z.B. im Fall einer mechanischen Dehnung bedeutet dies die gleichbleibende mechanische Belastung (Dehnung) des Elementes der Stützstruktur entlang seiner Kontaktfläche mit dem Bauteil.
Vorteilhaft ist auch eine Kombination mindestens eines Elements, das senkrecht zu den Isolinien eines physikalischen Feldes orientiert ist, und mindestens eines Elements, das entlang den Isolinien desselben oder eines anderen physikalischen Feldes orientiert ist. Senkrecht zu den Isolinien orientierte Elemente führen zu einem effizienten Ausgleich (Stabilisierung) des physikalischen Feldes durch Überspannung der Bereiche mit unterschiedlichen Werten der physikalischen Größer über den möglichst kürzesten Weg. Entlang zu den Isolinien orientierte Elemente verbinden über den kürzesten Weg die senkrechten Elemente und dienen damit zur Stabilisierung der gesamten Stützstruktur.
Vorteilhafterweise wird der räumliche Abstand oder die räumliche Dichte der Stützstellen bzw. Stützflächen auf der Oberfläche des Bauteils als Funktion des lokalen Wertes des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, berechnet.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass sich der räumliche Abstand zwischen den Stützstellen bzw. Stützflächen auf der Oberfläche des Bauteils bei einem abnehmenden Wert des physikalischen Wertes, insbesondere bei einer abnehmenden lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, verringert oder sich die räumliche Dichte der Stützstellen bzw. Stützflächen erhöht.
Vorteilhafterweise verringert sich der räumliche Abstand zwischen den Stützstellen bzw. Stützflächen auf der Oberfläche des Bauteils bei einem zunehmenden Wert des physikalischen Wertes, insbesondere bei einer zunehmenden lokalen mechanischen Verschiebung auf der Oberfläche oder sich die räumliche Dichte der Stützstellen erhöht.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mindestens ein geometrischer Parameter der Stützstelle bzw. Stützfläche, insbesondere deren Breite, zwischen einem Element der Stützstruktur und der gestützten Oberfläche des Bauteils als Funktion des lokalen Wertes des physikalischen Wertes, insbesondere des Feldes der Wärmeableitungsfähigkeit, berechnet.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden mindestens zwei nicht benachbarte lokale Stellen bzw. Flächen auf der Oberfläche des Bauteils, die ungleiche Werte eines physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit aufweisen, durch die Stützstruktur oder ein Element derselben miteinander verbunden.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass eine lokale Stelle bzw. Fläche auf einer Oberfläche eines Bauteils mit einem minimalen Wert eines physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, mit einer anderen lokalen Stelle bzw. Fläche auf der Oberfläche des Bauteils, insbesondere mit einem maximalen Wert des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, durch die Stützstruktur oder ein Element derselben verbunden wird. Weiterhin ist denkbar, dass mindestens eine lokale Stelle bzw. Fläche auf einer Oberfläche eines Bauteils und eine lokale Stelle bzw. Fläche auf einer Oberfläche eines anderen Bauteils, welche ungleiche Werte eines physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit aufweisen, durch die Stützstruktur oder ein Element derselben miteinander verbunden werden.
Außerdem oder alternativ kann vorgesehen sein, dass mindestens eine lokale Stelle bzw. Fläche auf einer Oberfläche eines Bauteils, welche einen niedrigeren Wert des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, aufweist als eine lokale Stelle auf der Oberfläche einer Bauplatte, mit der Stelle bzw. Fläche auf der Bauplatte durch die Stützstruktur oder ein Element derselben verbunden wird.
Vorteilhafterweise wird die lokale Wärmeableitungsfähigkeit anhand einer zeitlichen Ableitung der lokalen Temperatur oder anhand einer Funktion derselben, insbesondere als Zeitintegral des negativen Produktes der zeitlichen Ableitung der lokalen Temperatur, der Wärmekapazität des Bauteilausgangsmaterials und der Dichte des Bauteilausgangsmaterials in einem bestimmten Zeitintervall, berechnet.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zur Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeiten eine numerische Simulation der Temperaturverteilung im ganzen Bauteil ausgehend von einer anfänglichen Temperaturverteilung durchgeführt.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass für die Simulation die anfängliche Temperatur als in Aufbaurichtung steigend angenommen wird.
Zudem kann dabei vorgesehen sein, dass für die Simulation die anfängliche Temperatur quer zur Auf baurichtung als konstant angenommen wird.
In einer besonderen Ausführungsform der Stützstruktur oder des Elements nach Anspruch 19 verläuft ihre/seine Mittellinie im Schnitt quer zur Aufbaurichtung mindestens in einem Teilbereich der Stützstruktur bzw. des Elementes nicht geradlinig. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass ihre/seine Dicke in Richtung entgegen der Aufbaurichtung mindestens in einem Teilbereich der Stützstruktur oder des Elementes abnimmt.
Vorteilhafterweise weist die Stützstruktur oder das Element im Bereich zwischen den von ihr/ihm verbundenen Flächen mindestens eine Sollbruchstelle auf.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass eine Sollbruchstelle einen vordefinierten, insbesondere einen konstanten, Abstand zu der, von der Stützstruktur oder dem Element gestützten Oberfläche des Bauteils aufweist.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen der Sollbruchstelle und der Oberfläche des Bauteils anhand eines Wertes des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, bestimmt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch eine geeignete, vorzugsweise automatisierte, Auslegung von bauteilspezifischen Stützstrukturen die Wärme von den gestützten Oberflächen der Bauteile effizienter abtransportiert werden kann und dies zumindest in einer besonderen Ausführungsform sogar mit einer Materialersparnis bei den Stützstrukturen im Vergleich mit konventionellen Stützstrukturen gelingt. Zumindest in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird darüber hinaus die Kontaktfläche zwischen der Stützstruktur bzw. den Elementen der Stützstruktur und dem Bauteil so ausgelegt, dass die Stützstruktur bzw. die Elemente den Verzug des Bauteils während des Aufbauprozesses effizienter verhindert/verhindern und damit eine bessere Prozessstabilität gewährleistet/gewährleisten. Zudem wird zumindest in einer besonderen Ausführungsform durch die geringere Masse bzw. Gesamtmasse der Stützstruktur die gesamte Aufbauzeit reduziert und teures Material eingespart.
Das Verfahren kann bei allen additiven Verfahren eingesetzt werden, bei denen Stützstrukturen eingesetzt werden. Ein sehr relevantes Anwendungsgebiet stellen vor allem strahlbasierte additive Verfahren dar, wie z. B. Verfahren zum selektiven Laserschmelzen und das Verfahren zum selektiven Elektronenstrahlschmelzen.
Als weitere Anwendungsgebiete können zudem additive Herstellungsverfahren betrachtet werden, bei denen auch andere Energiequellen (zum Beispiel Lichtbogen oder Plasma) und/oder andere Materialauftragsverfahren (zum Beispiel Pulver- oder Drahtauftragsschweißen bei additiver Fertigung metallischer Werkstoffe oder Fused Deposition Modelling-Technologien zur Generierung von Kunststoffbauteilen) verwendet werden.
Die Erfindung ist für alle Materialien und Materialklassen (Metalle, Kunststoffe, Keramiken), welche in der additiven Fertigung verwendet werden, anwendbar.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen erläutert werden. Dabei zeigt:
Fig. l eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Definition der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit;
Fig.2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Begriffen;
Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Auslegung einer Stützstruktur gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Auslegung einer Stützstruktur in einem Hohlraum eines Bauteils gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Auslegung einer Stützstruktur mit Elementen variabler Dicke gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; eine schematische Darstellung zur Auslegung einer Stützstruktur mit Elementen variabler Dicke gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; eine schematische Darstellung zur Auslegung einer Stützstruktur mit Elementen variabler Dicke gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 zwei Beispiele (a und b) für plattenförmige Stützstrukturen bzw. plattenförmige Elemente einer Stützstruktur gemäß besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 9 zwei Beispiele (a und b) für Stützstrukturen aus stabförmigen Elementen gemäß besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Nachfolgend werden besondere Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen die Auslegung der Stützstrukturen anhand der berechneten Verteilung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit erfolgt. Die Verteilung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit kann durch eine thermische Berechnung für ein bestimmtes Bauteil numerisch ermittelt werden. Deshalb folgen hiernach zunächst einmal Ausführungen zur Wärmeableitungsfähigkeit als Quantifizierungswert.
Die Auslegung der Trajektorien und der Reihenfolgen des Wärmeeintrags erfolgen auf Basis der simulationsbasierten Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit in einer Bauteilschicht. Die lokale Wärmeableitungsfähigkeit charakterisiert die Fähigkeit eines bestimmten Bauteilbereichs, die Wärme in das Innere des Bauteils abzutransportieren. Generell wird die Wärmeableitungsfähigkeit D („Dissipation") der Bauteilschicht als Integral des Wärmeflusses q über die Oberfläche s definiert (Figur l): Die lokale Wärmeableitungsfähigkeit kann aufgrund der Wärmeleitungsgleichung berechnet werden:
Figure imgf000013_0001
Q ist die Leistung der Wärmequelle im Volumen V, c ist die Wärmekapazität, p ist die Dichte, t ist die Zeit.
In einem bestimmten Punkt P des Bauteils (V^o) wird dann die lokale Wärmeableitungsfähigkeit Dloc wie folgt definiert:
Di0C = dw(q) = Q - cp—
Die lokale Wärmeableitungsfähigkeit hängt nicht nur von den Werkstoffeigenschaften (Wärmeleitung, Wärmekapazität, Dichte) und vom Wärmeeintrag ab. Sie wird auch von den Randbedingungen, wie z. B. die lokale Bauteilgeometrie, stark beeinflusst.
Wie die obigen Ausführungen zeigen, bestehen somit zumindest zwei mögliche
unabhängige Wege zur Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit eines Punktes einer Bauteilschicht darin,
div(q) = div(—Ägrad(T)) oder
Figure imgf000013_0002
zur Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit zu verwenden, wobei in beiden Fällen auch noch die lokale Bauteilgeometrie zu berücksichtigen ist.
Für die Zeiten einer reinen Abkühlung eines Punktes der Bauteilschicht, d.h. für die Zeiten, in denen die Wärmequelle in dem betrachteten Punkt nicht mehr wirkt (Leistung der Wärmequelle Q = o) ergibt der zweite aus den oben genannten Berechnungswegen eine noch einfachere Form der Darstellung:
Diese Darstellung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit ermöglicht eine einfache
Ermittlung der Fähigkeit eines bestimmten Punktes zur Dissipation der Wärme in einem bestimmten Zeitpunkt. Je höher die Abkühlgeschwindigkeit in dem betrachteten Punkt in einem bestimmten Zeitpunkt ist, desto höher ist die lokale Wärmeableitungsfähigkeit.
Generell ändert sich die Temperaturverteilung und die Abkühlgeschwindigkeit im Bauteil und dementsprechend die lokale Wärmeableitungsfähigkeit mit der Zeit. Daher ist es sinnvoll, die lokale Wärmeableitungsfähigkeit über eine bestimmte Zeit zu integrieren und den resultierenden Wert für die Charakterisierung der Wärmedissipation in einem bestimmten Punkt zu verwenden. Unter Annahme der Abwesenheit einer Wärmequelle ergibt sich ein folgender Wert:
Figure imgf000014_0001
AH ist die Änderung der Enthalpie im Zeitintervall vom o bis τ.
Unter Annahme der temperaturunabhängigen Materialeigenschaften kann die lokale Wärmeleitungsfähigkeit durch die Änderung der Temperatur charakterisiert werden:
D[°t c = -AH = -cpAT
Die beiden Darstellungen der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit können im Rahmen Berechnung des Temperaturfeldes (thermische Berechnung) leicht ermittelt werden. Indirekte physikalische Interpretation des Wertes der lokalen Wärmeableitungsfahigkeit
Die Wärme in einem additiven Prozess wird normalerweise hauptsächlich nach unten, von einer generierten Bauteilschicht in das Innere des Bauteils, abtransportiert. Dabei deutet der Wert einer lokalen Wärmeableitungsfahigkeit indirekt auf die Menge der unter dem bestimmten Punkt der Bauteilschicht befindlichen Masse des „kalten" konsolidierten Materials. Je mehr„kalte" Materialmasse sich unter einem bestimmten Punkt einer Bauteilschicht befindet, desto höher ist der Wert einer lokalen Wärmeableitungsfahigkeit.
Berechnungsmethode zur Ermittlung von lokaler Wärmeableitungsfahigkeit
Die thermischen Simulationen zur Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfahigkeit können mit allen numerischen Methoden für die Lösung der partiellen Wärmeleitungsgleichung durchgeführt werden, wie z. B. die Methode der Finiten Elemente oder die Methode der finiten Differenzen.
In einer vereinfachten Ausführung der numerischen Simulation kann die Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit schneller erfolgen. Dafür wird als Anfangsbedingung eine künstliche Temperaturverteilung, mit der in Aufbaurichtung aufsteigenden Temperatur und einem konstanten Temperaturgradienten, verwendet. Eine solche Anfangsbedingung imitiert die Temperaturverteilung im realen Aufbauprozess. Der Wärmefluss am Anfang der Berechnung erfolgt ausschließlich nach unten (in Z- Richtung).
Eine solche vereinfachte Simulation wird zur drastischen Reduzierung der erforderlichen Rechenzeiten führen. Für die Bestimmung der o. g. Temperaturverteilung können u.a. vereinfachte Lösungen (wie z.B. 1- oder 2-dimensionale Berechnungen des Aufbauprozesses) eingesetzt werden.
Figur 2 dient zur Erläuterung bzw. Definition einer zu stützenden Oberfläche eines Bauteils. Ein Bauteil 1 weist einen Hohlraum (bzw. eine Öffnung) 2 auf. Der Hohlraum 2 weist eine Oberfläche 3 auf. In der Figur 2 sind auch berechnete Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfahigkeit Dinc eingezeichnet. Durch Vergleich der berechneten Werte der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit an der Oberfläche 3 mit einem vorgebbaren Grenzwert kann ermittelt werden, welche Stelle(n) oder Fläche(n) der Oberfläche 3 abgestützt werden sollen. Wäre zum Beispiel der Grenzwert gleich Null, dann sollte im vorliegenden Beispiel die mit der Bezugszahl 4 gekennzeichnete Fläche im oberen Bereich des Hohlraumes 2 gestützt werden.
Eine sehr vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf der Auslegung von Kontaktlinien 7 zwischen den einzelnen Elementen einer Stützstruktur und eines zu stützenden Bereiches 40 der unteren Oberfläche 11 eines Bauteils senkrecht zu Isolinien 8 der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit auf der in diesem Beispiel unteren Oberfläche 11 (siehe Figur 3).
Die Orientierung der Elemente der Stützstruktur senkrecht zu den Isolinien 8 der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit bedeutet automatisch die Orientierung in Richtung des Gradienten der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit. Durch eine solche Orientierung der Elemente der Stützstruktur werden die Bereiche mit einer höheren und mit einer niedrigeren Wärmeableitungsfähigkeit über den kürzesten Weg überspannt. Dies bedeutet einen sehr effizienten Wärmeabtransport aus den erhitzten Bauteilbereichen in die Bauteilbereiche, welche die Wärme besser abführen können.
Darüber hinaus wird die an den Gradienten der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit angepasste Orientierung der Elemente der Stützstruktur einen weiteren, sehr positiven mechanischen Effekt hervorrufen. Im Aufbauprozess auftretende Spannungen werden vor allem durch die thermisch-bedingte Wärmekontraktion (Schrumpfung des Materials während der Abkühlung) verursacht. Im Allgemeinen sind diese Spannungen ein Resultat eines lokalen Unterschieds der Wärmekontraktionen in zwei benachbarten Bereichen. Die Spannungen sind umso höher, je größer eine lokale Differenz der Wärmekontraktion zwischen den benachbarten Bauteilbereichen ist. Dabei ist die Wärmekontraktion in jedem Bereich linear von der lokalen Änderung der Temperatur abhängig. Eine ähnliche lineare Abhängigkeit von der Temperaturänderung zeigt auch die lokale Wärmeableitungsfähigkeit (siehe oben). Die Stützstellen mit der oben beschriebenen Orientierung werden somit senkrecht zu den Isolinien der Wärmekontraktion orientiert. Ist die kürzeste Überbrückung der Bereiche mit einer niedrigeren Wärmekontraktion mit den Bereichen einer höheren Wärmekontraktion, werden die dabei auftretenden Spannungen besser ausgeglichen. Daher ist zu erwarten, dass die senkrecht zu den Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit orientierten Elemente der Stützstruktur einen besseren mechanischen Widerstand gegen die im Prozess auftretenden Spannungen und Verzug leisten werden. Damit wird die mechanische Prozessstabilität automatisch erhöht.
Eine besonders einfache Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine Stützstruktur die Bauteilbereiche mit einer niedrigeren Wärmeableitungsfähigkeit mit den Bereichen einer höheren Wärmeableitungsfähigkeit verbindet (siehe Figur 4 (insbesondere (b)). Somit erfolgt ein effektiver Abtransport der Wärme von den überhitzten Bereichen.
Sowohl vorangehend als auch nachfolgend soll unter dem Begriff„Bauteil" nicht nur ein Bauteil im herkömmlichen Sinne, sondern auch das gesamte Konstrukt aus mehreren Bauteilen inklusive Bauplatte in einer Aufbaucharge eines 3D-Druckers (der sogenannte „Baujob") gemeint sein. In allen Figuren wird als„z" die Aufbaurichtung dargestellt.
Die automatisierte Auslegung der Stützstruktur 5 bzw. eines Elements derselben kann so erfolgen:
Es werden die zu stützende Oberfläche 16 des Bauteils 1 (eine Oberfläche mit einer niedrigen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit), eine Basisoberfläche 17 (eine Oberfläche mit einer hohen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit) der Oberfläche 3 eines Hohlraums (bzw. einer Öffnung) 2 im Bauteil 1 und ein Überbrückungsraum zwischen diesen beiden Oberflächen 16 und 17 definiert (siehe Figur 4(a)); und eine Stützstruktur 5 bzw. ein Element der Stützstruktur verbindet die Stelle mit der niedrigen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit (der zu stützenden Oberfläche 16) des Bauteils 1 mit der Stelle der hohen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit auf der Basisoberfläche 17.
Wenn die Stützstruktur mehrere derartige Elemente umfassen soll, so würde das Verfahren in der Form fortgesetzt werden, dass ein nächstes Element eine Stelle mit einer niedrigen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit auf der verbliebenen zu stützenden Oberfläche 16 mit einer Stelle einer hohen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit auf der verbliebenen Basisfläche 17 verbindet, wobei darauf geachtet wird, dass sich dieses Element mit dem bereits ausgelegten Element im Überbrückungsraum nicht überkreuzt. Dieser Prozess wiederholt sich, bis die gesamte zu stützende Oberfläche 16 des Bauteils 1 mit einer vorab definierbaren räumlichen Dichte bzw. mit einem vorab definierbaren räumlichen Abstand der Stützstellen abgedeckt worden ist.
Die Figuren 5, 6 und 7 dienen zur beispielhaften Darstellung der Auslegung einer Stützstruktur zwischen einem Bauteil 31 und einer Bauplatte 30, wobei die Stützstruktur mehrere Elemente 5 mit variabler Dicke aufweist. Die Figuren 5(a), 6(a) bzw. 7(a) und 5(b), 6(b) bzw. 7(b) zeigen jeweilige unterschiedliche Seitenansichten. In den Figuren sind auch ein Bereich 36 mit einer niedrigen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit im Bauteil 31 und ein Bereich 37 mit einer hohen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit in der Bauplatte 30 dargestellt. Die Kontaktlinien der Elemente 5 mit dem Bauteil 31 verlaufen quer zu Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit 38. Die Dicke der Elemente 5 an der Kontaktfläche 51 verringert sich mit der entlang der Oberfläche des Bauteils 31 abnehmenden Wärmeableitungsfähigkeit und mit der Bezugszahl 52 ist eine Seitenfläche eines jeweiligen Elements 5 gekennzeichnet. Die Fig. 7 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Elemente 5 der Stützstruktur. Diese Elemente kontaktieren nur die Bauteiloberfläche und haben keinen Kontakt mit der Bauplatte. Bei Gewährleistung der notwendigen Wärmeableitungsfähigkeit ermöglicht diese Ausführungsform eine starke Einsparung der gesamten Masse der Stützstruktur. Im mechanischen Sinne stellen sie eine Versteifung des Bauteils 31 dar und tragen damit automatisch zur Erhöhung der mechanischen Prozessstabilität bei.
Die Figur 8 zeigt Beispiele für plattenförmige bzw. plattenartige Stützstrukturen bzw. Elemente 5 von Stützstrukturen. In der Figur 8(a) verläuft die Stützstruktur bzw. das Element 5 geradlinig, während die Stützstruktur bzw. das Element 5 in der Figur 8(b) bogenförmig bzw. wellenförmig verläuft. Mit den Bezugszahlen 52 und 53 sind Seitenflächen der Stützstruktur bzw. des Elements 5 gekennzeichnet. Die Bezugszahlen 50 und 51 geben Kontaktflächen zwischen der Stützstruktur bzw. dem Element 5 und einem Bauteil (nicht gezeigt) an. Die Dicke der Kontaktfläche 51 variiert in Abhängigkeit von der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit. Die Mittellinie 57 der Kontaktfläche 51 richtet sich nach den Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit. Schließlich zeigt die Figur 9 Beispiele für Stützstrukturen aus stabförmigen Elementen 65. In der Figur 9(a) verläuft die Stützstruktur aus Elementen 65 geradlinig, während die Stützstruktur in der Figur 9(b) bogenförmig bzw. wellenförmig verläuft. Die Bezugszahlen 60 und 61 geben Kontaktflächen zwischen den Elementen 65 und einem Bauteil (nicht gezeigt) an. Die Kontaktfläche 61 variiert in Abhängigkeit von der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit. Die Mittellinie 67 der Kontaktfläche 61 richtet sich nach den Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit.
Die Prozesswärme wird nicht nur über die Elemente der Stützstruktur, sondern auch über das an diese Elemente angrenzende Pulver (nicht gezeigt) abtransportiert. Die Hilfswirkung von Pulver in der gesamten Wärmedissipation wird durch die Abnahme des Querschnitts der Stützelemente 5 (Fig. 8) und 65 (Fig. 9) in Richtung gegen die Aufbaurichtung widergespiegelt. Dadurch wird an Masse der gesamten Stützstruktur gespart.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in den beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen
Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste Bauteil
Hohlraum
Oberfläche
abzustützende Fläche
Stützstruktur/Element(e)
Kontaktlinien
Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit
untere Oberfläche
zu stützende Oberfläche
Basisoberfläche
Bauplatte
Bauteil
Bereich mit einer niedrigen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit Bereich mit einer hohen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit Bauplatte
Bauteil
zu stützender Bereich
Kontaktfläche
Kontaktfläche
Seitenflächen
Seitenflächen

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils (1; 21; 31) aus mehreren Bauteilschichten durch mehrfaches inkrementelles, insbesondere schichtweises, Hinzufügen von pulverdraht- oder bandförmigem, insbesondere metallischem, Bauteilausgangsmaterial und insbesondere inkrementelles formgebendes Konsolidieren durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern des Bauteilausgangsmaterials mittels mindestens einer Energiequelle, wobei zusammen mit dem mindestens einen Bauteil (1; 21; 31) eine Stützstruktur (5) additiv hergestellt wird, die das mindestens eine Bauteil an einer oder mehreren Stützstellen bzw. Stützflächen stützt, und wobei die Stützstruktur auf Basis von, insbesondere simulationsbasiert, ermittelten Werten eines physikalischen, insbesondere eines thermischen, Feldes oder einer Funktion davon an der Oberfläche (3) und/oder im Inneren des Bauteils ausgelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stützstruktur (5) auf Basis einer, insbesondere simulationsbasiert, ermittelten lokalen Wärmeableitungsfähigkeit oder anhand einer Funktion derselben ausgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stützstelle(n) bzw. Stützfläche(n) anhand eines Vergleichs der simulationsbasiert ermittelten Werte des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, an der Oberfläche (3) des Bauteils (1; 21; 31) mit einem vorab festlegbaren Grenzwert des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, definiert wird/werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Stützstellen bzw. Stützflächen als Bereiche definiert werden, in denen die lokale Wärmeableitungsfähigkeit niedriger als ein vordefinierbarer Grenzwert ist.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Element (5) der Stützstruktur so ausgelegt wird, dass die Linie (7) seines Kontaktes mit der Oberfläche (3) des Bauteils (1; 21; 31) senkrecht mit einer Abweichung von maximal ± 45 Grad zu den Isolinien (7) des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, auf der Oberfläche verläuft.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens ein Element (5) der Stützstruktur so ausgelegt wird, dass die Linie seines Kontaktes mit der Oberfläche des Bauteils (1; 21; 31) entlang den Isolinien des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, auf dieser Oberfläche mit einer Abweichung von maximal ± 45 Grad verläuft.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der räumliche Abstand oder die räumliche Dichte der Stützstellen bzw. Stützflächen auf der Oberfläche (3) des Bauteils (1; 21; 31) als Funktion des lokalen Wertes des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, berechnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei sich der räumliche Abstand zwischen den Stützstellen bzw. Stützflächen auf der Oberfläche (3) des Bauteils (1; 21; 31) bei einem abnehmenden Wert des physikalischen Wertes, insbesondere bei einer abnehmenden lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, verringert oder sich die räumliche Dichte der Stützstellen bzw. Stützflächen erhöht.
9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei sich der räumliche Abstand zwischen den Stützstellen bzw. Stützflächen auf der Oberfläche (3) des Bauteils (1; 21; 31) bei einem zunehmenden Wert des physikalischen Wertes, insbesondere bei einer zunehmenden lokalen mechanischen Verschiebung auf der Oberfläche (3) verringert oder sich die räumliche Dichte der Stützstellen erhöht.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein geometrischer Parameter der Stützstelle bzw. Stützfläche, insbesondere deren Breite, zwischen einem Element der Stützstruktur und der gestützten Oberfläche des Bauteils (1; 21; 31) als Funktion des lokalen Wertes des physikalischen Wertes, insbesondere des Feldes der Wärmeableitungsfähigkeit, berechnet wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei nicht benachbarte lokale Stellen bzw. Flächen auf der Oberfläche des Bauteils (ι; 21; 31), die ungleiche Werte eines physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit aufweisen, durch die Stützstruktur oder ein Element derselben miteinander verbunden werden.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine lokale Stelle bzw.
Fläche auf einer Oberfläche eines Bauteils (1; 21; 31) mit einem minimalen Wert eines physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, mit einer anderen lokalen Stelle bzw. Fläche auf der Oberfläche des Bauteils, insbesondere mit einem maximalen Wert des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, durch die Stützstruktur oder ein Element derselben verbunden wird.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine lokale Stelle bzw. Fläche auf einer Oberfläche eines Bauteils (1; 21; 31) und eine lokale Stelle bzw. Fläche auf einer Oberfläche eines anderen Bauteils, welche ungleiche Werte eines physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit aufweisen, durch die Stützstruktur oder ein Element derselben miteinander verbunden werden.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine lokale Stelle bzw. Fläche auf einer Oberfläche eines Bauteils (1; 21; 31), welche einen niedrigeren Wert des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, aufweist als eine lokale Stelle auf der Oberfläche einer Bauplatte, mit der Stelle bzw. Fläche auf der Bauplatte durch die Stützstruktur oder ein Element derselben verbunden wird.
15. Verfahren nach Anspruch 2 bis 14, wobei die lokale Wärmeableitungsfähigkeit anhand einer zeitlichen Ableitung der lokalen Temperatur oder anhand einer Funktion derselben, insbesondere als Zeitintegral des negativen Produktes der zeitlichen Ableitung der lokalen Temperatur, der Wärmekapazität des Bauteilausgangsmaterials und der Dichte des Bauteilausgangsmaterials in einem bestimmten Zeitintervall, berechnet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 15, wobei zur Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeiten eine numerische Simulation der Temperaturverteilung im ganzen Bauteil ausgehend von einer anfänglichen Temperaturverteilung durchgeführt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei für die Simulation die anfängliche Temperatur als in Auf baurichtung steigend angenommen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei für die Simulation die anfängliche Temperatur quer zur Aufbaurichtung als konstant angenommen wird.
19. Additiv gefertigte plattenförmige Stützstruktur (5) oder additiv gefertigtes plattenförmiges Element (5) einer Stützstruktur, wobei ihre/seine Dicke im Schnitt quer zur Aufbaurichtung mindestens in einem Teilbereich der Stützstruktur bzw. des Elementes variabel ist.
20. Stützstruktur (5) oder Element (5) nach Anspruch 19, wobei ihre/seine Mittellinie im Schnitt quer zur Aufbaurichtung mindestens in einem Teilbereich der Stützstruktur bzw. des Elementes nicht geradlinig verläuft.
21. Stützstruktur (5) oder Element (5) nach Anspruch 19 oder 20, wobei ihre/seine Dicke in Richtung entgegen der Aufbaurichtung mindestens in einem Teilbereich der Stützstruktur oder des Elementes abnimmt.
22. Additiv gefertigte stabförmige Stützstruktur oder additiv gefertigtes stabförmiges Element einer Stützstruktur, wobei die Fläche der Stützstruktur oder des Elements im Schnitt quer zur Aufbaurichtung mindestens in einem Teilbereich der Stützstruktur bzw. des Elementes in Richtung gegen die Aufbaurichtung abnimmt.
23. Additiv gefertigtes Bauteil (1; 21; 31) mit einer Stützstruktur (5) oder einem Element (5) einer Stützstruktur nach einem der Ansprüche 20 bis 22.
24. Anlage zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18, umfassend - ein Bauraumgehäuse mit einer Bauplattform zur Abstützung eines oder mehrerer Pulverbett-basiert additiv zu fertigenden Bauteils/Bauteile, eine Schichtenpräparierungseinrichtung zur Präparierung jeweiliger Pulverschichten auf der Bauplattform,
- eine Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung der jeweils zuletzt präparierten Pulverschicht auf der Bauplattform nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des oder der zu fertigenden Bauteils/Bauteile nach Anspruch 23 und/oder einer zugehörigen Stützstruktur nach einem der Ansprüche 19 bis 22 und
- eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Bestrahlungseinrichtung nach Maßgabe der Geometriebeschreibungsdaten.
Ein oder mehrere computerlesbare(s) Medium/Medien, das/die durch Computer ausführbare Befehle umfasst/umfassen, die, wenn sie durch einen Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19 durchzuführen und/oder die Stützstruktur oder das Element einer Stützstruktur nach einem der Ansprüche 20 bis 22 oder das Bauteil nach Anspruch 23 auszulegen.
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