WO2020127074A1 - Method for treating a surface with energetic radiation - Google Patents

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WO2020127074A1
WO2020127074A1 PCT/EP2019/085382 EP2019085382W WO2020127074A1 WO 2020127074 A1 WO2020127074 A1 WO 2020127074A1 EP 2019085382 W EP2019085382 W EP 2019085382W WO 2020127074 A1 WO2020127074 A1 WO 2020127074A1
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scan
vectors
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Tobias Pichler
Christian Tenbrock
Wilhelm Meiners
Florian EIBL
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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Definitions

  • the present invention relates to a method for processing a surface with energetic radiation, in particular for selective laser melting, in which at least one energetic beam along a plurality of scan vectors running at a distance from one another over one or more regions of the
  • a substrate plate on which the powder layers are applied one after the other serves as the basis for powder bed-based beam melting processes.
  • the laser radiation is then guided, for example with the aid of galvanometer scanners, over the substrate plate or the construction field.
  • certain areas of the powder bed are covered in each layer using the
  • Areas are, depending on the process control strategy used, again divided into subordinate areas. With these subordinates
  • FIG. 1 shows an example of an exemplary component cross section of any layer of such a manufacturing process with a corresponding division into strips 2.
  • Solid line represents the component contour 1 of the component to be manufactured.
  • the width of the individual strips 2 is firmly defined.
  • Strip 2 is filled with individual scan vectors 3 running parallel to one another. These scan vectors 3 represent the path on which the laser beam is guided along for melting or exposing the layer.
  • FIG. 2 shows an example of a strip 2 of the component cross section from FIG. 1 with the associated scan vectors 3. During the exposure process, the scan vectors 3 of a strip 2 are moved one after the other. The laser beam then jumps to
  • each layer to be exposed has been scanned.
  • the area of each layer to be exposed can also be in instead of stripes
  • Chessboards The individual fields are then filled with scan vectors that are parallel to one another and identical to the strip exposure. Other patterns for dividing the exposing areas of a layer are possible. Below is an example of the stripe
  • Process control strategies for beam melting processes consist in defining a constant distance between the scan vectors lying within the strip. This distance is also called the track distance or hatch distance. The amount of
  • Track spacing is typically constant for all vectors within the stripes of a component.
  • the process parameters in general or the track spacing in particular are in such a process
  • the scan vector length is determined, the scan vector length corresponding to the stripe width.
  • a method for producing a three-dimensional object is known from DE 196 06 128 A1, in which the object is produced by successive
  • the scanning speed at which the beam is guided over the respective layer is moved into
  • a short scan vector is assigned a higher speed than a long scan vector.
  • Density distribution within the solidified layer leads. This strategy is particularly relevant for plastic components, for example to prevent overheating effects.
  • Additive manufacturing processes consist of the construction time required to manufacture a component.
  • the object of the present invention is to provide a generic method for processing a surface with energetic radiation, which increases the processing or construction speed without loss of processing accuracy
  • the method is intended in particular to
  • the task is performed according to the procedure
  • At least one energetic beam is passed in a known manner along one or more scan vectors running alongside one another at a distance from one another at a distance
  • Each of the scan vectors preferably extends over the entire area.
  • the method is characterized in that, with a varying length of the scan vectors in one or more of the areas, the distance between adjacent scan vectors is selected depending on the length of at least one of the respectively adjacent scan vectors.
  • the distance between adjacent scan vectors is selected depending on the length of at least one of the respectively adjacent scan vectors.
  • the distance between adjacent scan vectors is selected depending on the length of the scan vector along which the energetic beam is first guided.
  • the process thus enables the construction speed to be increased in the area of additive manufacturing, for example in selective laser melting.
  • the process can be done without any modification of the
  • Adjustments are primarily necessary in the software for data preparation and possibly in the software for controlling the system.
  • the method enables one, depending on the component geometry
  • Component structures with correspondingly short scan vectors can in particular benefit from the proposed method.
  • the shorter the average vector length for the respective component the greater the advantages of the method compared to conventional exposure strategies with a constant distance between the scan vectors.
  • Manufacturing processes can also be one
  • Remelting process can be achieved. This can have advantages in terms of process stability, for example reducing welding spatter, and
  • Component quality for example through reduced
  • Processing selected strips or fields varies according to the component contour. The shorter the length of one
  • Track spacing or distance of the scan vectors is set and a connection of the tracks to one another is ensured.
  • This variation of the distance between the scan vectors or track spacing as a function of the length of at least one of the adjacent scan vectors is carried out in the present method. The result is an increase in the remelting rate, a reduction in the number of vectors and one
  • the proposed method can be used for all beam-melting additive manufacturing processes in which the component areas are scanned vector by vector by means of electromagnetic radiation.
  • the procedure can be under
  • the method can also be used for other areas in which the surface with at least one energy beam along several in one Distance of running scan vectors processed,
  • FIG. 1 shows a representation of a division of an exemplary component cross section of any layer in additive manufacturing into a plurality of strips to be exposed
  • Fig. 2 shows an example of an arrangement of the
  • Fig. 3 shows a comparison between the length of the
  • Fig. 4 shows a comparison of the conventional
  • Fig. 5 is a diagram showing an exemplary
  • FIG. 3 shows a comparison between the scan vector length for one for the
  • Parameter determination of the selected cube-shaped test specimen (right part of the figure) and the scan vector length for an application-specific component (left part of the figure).
  • Such cube-shaped test specimens are used to determine the process parameters, in particular the distance between the scan vectors or track spacing, in advance when manufacturing a component.
  • Test specimens consist of the same material as the component to be manufactured. It can be seen from FIG. 3 that within the individual strips 2, into which the area to be melted is divided for processing, a constant scan vector length occurs in the cube-shaped test specimen, while it may vary within the strips 2 in the application-specific component geometry due to the component contour 1 . This variation results in cooling times of different lengths, before the laser beam on the adjacent track heats up again, and thus melting baths of different widths. This is exploited in the present method by using shorter scan vectors and correspondingly fewer
  • Distance of the scan vectors (track spacing) is set, with which a connection of the material continues adjacent tracks to each other is ensured.
  • Track spacing is done by adjusting the distance between two tracks depending on the length of the track first exposed by these two tracks.
  • Figure 4 shows this procedure schematically for a triangular component contour.
  • FIG. 4A shows the one typical of the SLM up to now
  • FIG. 4B shows schematically those in the proposed
  • the enlargement or variation of the track spacing is carried out such that a predetermined relative minimum density, for example> 99.5%, of the components produced therewith is achieved even with a correspondingly enlarged track spacing.
  • Track spacing can be done experimentally, for example, by producing test specimens of different sizes and thus vector lengths. In this way, a table of values with assignments between
  • Scan vector length and track spacing for the respective Material and the respective system can be created.
  • the relationship between scan vector length and track spacing can also be determined by means of simulation.
  • FIG. 5 shows the graphic relationship between the scan vector length and the distance of the
  • Scan vectors or the track spacing For each scan vector or its specific length, the associated distance is taken into account in the data preparation for production in accordance with the value table. You can interpolate between the individual discrete values. By increasing the track spacing, the
  • Remelting rate increased and the number of vectors required reduced.
  • the preparation of the corresponding component data with variable track spacing is preferably carried out during path planning with the aid of special software that can process the experimentally determined value tables accordingly.
  • the exemplary embodiment was primarily referred to methods for selective laser melting of metallic materials, in which galvanoscanners are generally used as steel deflection units. However, it is also a transfer to other beam sources, for example electron beam sources, others
  • Beam deflection units such as XY plotter systems or other materials such as
  • the process is not based on selective laser melting, powder bed-based beam melting or

Abstract

The invention relates to a method for treating a surface with energetic radiation, particularly for selective laser melting, in which at least one energetic beam is guided along a plurality of scan vectors (3) running spaced apart next to each other over one or more regions (2) of the surface. With varying length of the scan vectors (3) in one or more of the regions (2), the distance between adjacent scan vectors (3) is, in each case, selected as a function of the length of at least one of the adjacent scan vectors (3). The method allows the melting rate of powder bed-based radiation melting processes to be increased and hence reduces the construction time for the components to be fabricated.

Description

Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche mit energetischer Strahlung Process for processing a surface with energetic radiation
Techni sches Anwendungsgebiet Technical application area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche mit energetischer Strahlung, insbesondere zum selektiven Laserschmelzen, bei dem wenigstens ein energetischer Strahl entlang mehrerer in einem Abstand nebeneinander verlaufender Scanvektoren über einem oder mehrere Bereiche der The present invention relates to a method for processing a surface with energetic radiation, in particular for selective laser melting, in which at least one energetic beam along a plurality of scan vectors running at a distance from one another over one or more regions of the
Oberfläche geführt wird. Surface is guided.
Mit derartigen Bearbeitungsverfahren können With such processing methods can
Oberflächenschichten aufgeschmolzen oder auch Surface layers melted or else
abgetragen werden. Bei generativen Fertigungsverfahren, insbesondere pulverbettbasierten Strahlschmelzverfahren wie z.B. dem selektiven Laserschmelzen (SLM) werden Bauteile generativ direkt aus 3D-CAD-Modellen be removed. In additive manufacturing processes, especially powder bed-based beam melting processes such as Selective laser melting (SLM) is used to generate components directly from 3D CAD models
gefertigt. Durch einen sich wiederholenden Prozess aus schichtweisem Aufträgen einer dünnen Pulverschicht mit einer Dicke von bspw. weniger als IOOmpi und manufactured. Through a repetitive process of layer-by-layer application of a thin layer of powder with a thickness of, for example, less than IOOmpi and
anschließendem selektiven Aufschmelzen bestimmter then selective melting of certain
Bereiche dieser Pulverschicht durch Laserstrahlung, entsprechend der Geometrieinformationen des 3D-CAD- Modells, entstehen dreidimensionale Bauteile von nahezu unbegrenzter Komplexität. Als Grundlage pulverbett basierter Strahlschmelzverfahren dient eine Substrat platte, auf der die Pulverschichten nacheinander aufgebracht werden. Die Laserstrahlung wird dann beispielsweise mit Hilfe von Galvanometerscannern über die Substratplatte bzw. das Baufeld geführt. Während des Bauprozesses werden in jeder Schicht bestimmte Bereiche des Pulverbetts mittels des Areas of this powder layer through laser radiation, according to the geometry information of the 3D CAD model, create three-dimensional components of almost unlimited complexity. A substrate plate on which the powder layers are applied one after the other serves as the basis for powder bed-based beam melting processes. The laser radiation is then guided, for example with the aid of galvanometer scanners, over the substrate plate or the construction field. During the construction process, certain areas of the powder bed are covered in each layer using the
Laserstrahls umgeschmolzen. Die umzuschmelzenden Laser beam remelted. The ones to be remelted
Bereiche werden dabei, in Abhängigkeit der verwendeten Prozessführungsstrategie, wiederum in untergeordnete Bereiche eingeteilt. Bei diesen untergeordneten Areas are, depending on the process control strategy used, again divided into subordinate areas. With these subordinate
Bereichen kann es sich beispielsweise um Streifen oder Felder handeln. Figur 1 zeigt exemplarisch einen beispielhaften Bauteilquerschnitt einer beliebigen Schicht eines derartigen Fertigungsprozesses mit entsprechender Einteilung in Streifen 2. Die Areas can be strips or fields, for example. FIG. 1 shows an example of an exemplary component cross section of any layer of such a manufacturing process with a corresponding division into strips 2. The
durchgezogene Linie stellt die Bauteilkontur 1 des herzustellenden Bauteils dar. Die Breite der einzelnen Streifen 2 ist dabei fest definiert. Jeder dieser Solid line represents the component contour 1 of the component to be manufactured. The width of the individual strips 2 is firmly defined. Each of these
Streifen 2 wird mit einzelnen, parallel zueinander verlaufenden Scanvektoren 3 gefüllt. Diese Scanvektoren 3 stellen den Pfad dar, auf dem der Laserstrahl zum Aufschmelzen bzw. Belichten der Schicht entlanggeführt wird. Figur 2 zeigt exemplarisch einen Streifen 2 des Bauteilquerschnitts aus Figur 1 mit den zugehörigen Scanvektoren 3. Während des Belichtungsvorgangs werden die Scanvektoren 3 eines Streifens 2 nacheinander abgefahren. Daraufhin springt der Laserstrahl zum Strip 2 is filled with individual scan vectors 3 running parallel to one another. These scan vectors 3 represent the path on which the laser beam is guided along for melting or exposing the layer. FIG. 2 shows an example of a strip 2 of the component cross section from FIG. 1 with the associated scan vectors 3. During the exposure process, the scan vectors 3 of a strip 2 are moved one after the other. The laser beam then jumps to
Beginn des nächsten Streifens und scannt die Vektoren dieses Streifens bis alle Streifen der jeweiligen Start the next stripe and scan the vectors of that streak until all of the stripes of that particular one
Schicht gescannt worden sind. Bei alternativen Prozess führungsstrategien kann der zu belichtende Bereich jeder Schicht anstelle von Streifen auch in Layer have been scanned. In alternative process management strategies, the area of each layer to be exposed can also be in instead of stripes
beispielsweise quadratische Felder, ähnlich einesfor example square fields, similar to one
Schachbretts, eingeteilt werden. Die einzelnen Felder werden dann ihrerseits identisch zur Streifenbelichtung ebenfalls mit zueinander parallelen Scanvektoren gefüllt. Auch andere Muster zur Aufteilung der zu belichtenden Bereiche einer Schicht sind möglich. Im Folgenden wird exemplarisch die streifenförmige Chessboards. The individual fields are then filled with scan vectors that are parallel to one another and identical to the strip exposure. Other patterns for dividing the exposing areas of a layer are possible. Below is an example of the stripe
Belichtung betrachtet. Eine wesentliche Eigenschaft konventionellerExposure considered. An essential property of conventional
Prozessführungsstrategien für Strahlschmelzverfahren besteht darin, einen konstanten Abstand zwischen den innerhalb des Streifens liegenden Scanvektoren zu definieren. Dieser Abstand wird auch als Spurabstand oder Hatchabstand bezeichnet. Der Betrag des Process control strategies for beam melting processes consist in defining a constant distance between the scan vectors lying within the strip. This distance is also called the track distance or hatch distance. The amount of
Spurabstands ist typischerweise für alle Vektoren innerhalb der Streifen eines Bauteils konstant. Die Prozessparameter im Allgemeinen bzw. der Spurabstand im Besonderen werden bei einem derartigen Prozess Track spacing is typically constant for all vectors within the stripes of a component. The process parameters in general or the track spacing in particular are in such a process
typischerweise vor Durchführung des Prozesses an würfelförmigen Probekörpern mit einer konstanten typically before performing the process on cube-shaped specimens with a constant
Scanvektorlänge ermittelt, wobei die Scanvektorlänge der Streifenbreite entspricht. The scan vector length is determined, the scan vector length corresponding to the stripe width.
Stand der Technik State of the art
Aus der DE 196 06 128 Al ist ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes bekannt, bei dem das Objekt durch aufeinanderfolgendes A method for producing a three-dimensional object is known from DE 196 06 128 A1, in which the object is produced by successive
Verfestigen einzelner Schichten eines verfestigbaren Materials an den dem Objektquerschnitt entsprechenden Stellen durch Einwirkung eines Strahls elektro Solidification of individual layers of a solidifiable material at the points corresponding to the object cross section by the action of a beam electro
magnetischer Strahlung erzeugt wird. Bei diesem magnetic radiation is generated. With this
Verfahren wird die Scangeschwindigkeit, mit der der Strahl über die jeweilige Schicht geführt wird, inThe scanning speed at which the beam is guided over the respective layer is moved into
Abhängigkeit von der Scanvektorlänge angepasst. Einem kurzen Scanvektor wird dabei eine höhere Geschwindig keit zugeordnet als einem langen Scanvektor. Durch diese Vorgehensweise soll während der Herstellung eine Angleichung der Temperaturverteilung innerhalb des Bauteils erreicht werden, die zu einer homogenen Adjusted depending on the scan vector length. A short scan vector is assigned a higher speed than a long scan vector. By doing this, a Alignment of the temperature distribution within the component can be achieved, resulting in a homogeneous
Dichteverteilung innerhalb der jeweils verfestigten Schicht führt. Diese Strategie ist insbesondere für Bauteile aus Kunststoff relevant, um beispielsweise Überhitzungseffekten vorzubeugen . Density distribution within the solidified layer leads. This strategy is particularly relevant for plastic components, for example to prevent overheating effects.
Ein grundsätzliches Problem bei derartigen A fundamental problem with such
generativen Fertigungsverfahren besteht in der für die Fertigung eines Bauteils benötigten Bauzeit. Eine Additive manufacturing processes consist of the construction time required to manufacture a component. A
Verkürzung der Bauzeit durch Wahl größerer Schicht dicken oder Strahldurchmesser führt zu einem uner wünschten Verlust an Genauigkeit bzw. Auflösung, wie sie insbesondere bei komplexeren Bauteilen erforderlich ist. Eine ähnliche Problematik besteht auch bei anderen Verfahren der Oberflächenbearbeitung mit energetischer Strahlung, bei der der energetische Strahl entlang entsprechender Scanvektoren über einen oder mehrere Bereiche der Oberfläche geführt wird. Shortening the construction time by choosing larger layer thicknesses or beam diameters leads to an undesirable loss of accuracy or resolution, as is required in particular with more complex components. A similar problem exists with other methods of surface treatment with energetic radiation, in which the energetic beam is guided along corresponding scan vectors over one or more areas of the surface.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche mit energetischer Strahlung anzugeben, das eine Steigerung der Bearbeitungs- oder Baugeschwin digkeit ohne Verlust an Bearbeitungsgenauigkeit The object of the present invention is to provide a generic method for processing a surface with energetic radiation, which increases the processing or construction speed without loss of processing accuracy
ermöglicht. Das Verfahren soll insbesondere eine enables. The method is intended in particular to
Erhöhung der Baugeschwindigkeit bei einem pulverbett basierten Strahlschmelzverfahren zur Fertigung Increasing the construction speed with a powder bed-based jet melting process for production
dreidimensionaler Bauteile ermöglichen. enable three-dimensional components.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß The task is performed according to the procedure
Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Claim 1 solved. Advantageous configurations the procedure are the subject of the dependent
Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche mit energetischer Strahlung, Claims or can be found in the following description and the embodiment. In the proposed method for processing a surface with energetic radiation,
insbesondere zum selektiven Laserschmelzen, wird in bekannter Weise wenigstens ein energetischer Strahl entlang mehrerer in einem Abstand nebeneinander verlaufender Scanvektoren über einen oder mehrereIn particular for selective laser melting, at least one energetic beam is passed in a known manner along one or more scan vectors running alongside one another at a distance from one another at a distance
Bereiche der Oberfläche geführt. Jeder der Scanvektoren erstreckt sich dabei vorzugsweise jeweils über den gesamten Bereich. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bei variierender Länge der Scanvektoren in einem oder mehreren der Bereiche der Abstand zwischen benachbarten Scanvektoren jeweils in Abhängigkeit von der Länge wenigstens eines der jeweils benachbarten Scanvektoren gewählt wird. Vorzugsweise wird der Areas of the surface led. Each of the scan vectors preferably extends over the entire area. The method is characterized in that, with a varying length of the scan vectors in one or more of the areas, the distance between adjacent scan vectors is selected depending on the length of at least one of the respectively adjacent scan vectors. Preferably the
Abstand zwischen benachbarten Scanvektoren jeweils in Abhängigkeit von der Länge des Scanvektors gewählt, entlang dem der energetische Strahl zuerst geführt wird . The distance between adjacent scan vectors is selected depending on the length of the scan vector along which the energetic beam is first guided.
Durch diese variable Anpassung des Abstands der Scanvektoren bzw. des Spurabstands in Abhängigkeit von der Scanvektorlänge wird bei entsprechenden Bauteilen oder Oberflächen die Anzahl der erforderlichen This variable adaptation of the distance between the scan vectors or the track distance as a function of the scan vector length increases the number of required components or components
Scanvektoren reduziert und damit die Umschmelzrate gesteigert. Darüber hinaus ergibt sich dadurch eine reduzierte Anzahl von Nebenzeiten innerhalb des Reduced scan vectors and thus the remelting rate increased. In addition, this results in a reduced number of non-productive times within the
Strahlführungssystems, sog. Scanner-Delays . Das Beam guidance system, so-called scanner delays. The
Verfahren ermöglicht somit im Bereich der generativen Fertigung eine Steigerung der Baugeschwindigkeit, beispielsweise beim selektiven Laserschmelzen. Das Verfahren kann ohne jegliche Modifikation der The process thus enables the construction speed to be increased in the area of additive manufacturing, for example in selective laser melting. The The process can be done without any modification of the
technischen Ausgestaltung der Bau- bzw. Bearbeitungs anlage genutzt werden. Anpassungen sind primär in der Software zur Datenvorbereitung und gegebenenfalls in der Software zur Steuerung der Anlage erforderlich. technical design of the construction or processing system can be used. Adjustments are primarily necessary in the software for data preparation and possibly in the software for controlling the system.
Das Verfahren ermöglicht nach bisher durchge führten Versuchen, je nach Bauteilgeometrie, eine According to tests carried out to date, the method enables one, depending on the component geometry
Steigerung der Baugeschwindigkeit beim selektiven Increase in construction speed with selective
Laserschmelzen von 10% bis 30% unter Beibehaltung der gewünschten Materialdichte, beispielsweise im Bereich von 99,5% relativer Dichte. Diese Dichte ergibt sich aus dem Anteil der nach dem Aufschmelzen und Erstarrten der jeweils bearbeiteten Oberflächenschicht verbleiben den Poren im Material. Insbesondere bei den mittels des SLM-Verfahrens bevorzugt gefertigten filigranen Laser melting from 10% to 30% while maintaining the desired material density, for example in the range of 99.5% relative density. This density results from the proportion of the pores remaining in the material after the surface layer has been melted and solidified. Especially in the case of the filigree filaments that are preferably manufactured using the SLM process
Bauteilstrukturen mit entsprechend kurzen Scanvektoren kann im Besonderen vom vorgeschlagenen Verfahren profitiert werden. Je kürzer die durchschnittliche Vektorlänge für das jeweilige Bauteil ausfällt, desto stärker kommen die Vorteile des Verfahrens im Vergleich zu konventionellen Belichtungsstrategien mit konstantem Abstand der Scanvektoren zum Tragen. Component structures with correspondingly short scan vectors can in particular benefit from the proposed method. The shorter the average vector length for the respective component, the greater the advantages of the method compared to conventional exposure strategies with a constant distance between the scan vectors.
Neben dem oben beschriebenen Vorteil einer In addition to the advantage described above
gesteigerten Baugeschwindigkeit bei generativen increased building speed with generative
Fertigungsverfahren kann darüber hinaus noch eine Manufacturing processes can also be one
Homogenisierung des Temperaturfelds während des Homogenization of the temperature field during the
Umschmelzvorgangs erzielt werden. Daraus können sich Vorteile hinsichtlich der Prozessstabilität, beispiels weise Reduzierung von Schweißspritzern, sowie der Remelting process can be achieved. This can have advantages in terms of process stability, for example reducing welding spatter, and
Bauteilqualität, beispielsweise durch reduzierte Component quality, for example through reduced
Eigenspannungen innerhalb des Bauteils, ergeben. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ausgenutzt, dass die Länge der einzelnen Scanvektoren bei den meisten Bauteilen innerhalb eines der für die Internal stresses within the component. The proposed method takes advantage of the fact that the length of the individual scan vectors for most components is within one of those for the
Bearbeitung gewählten Streifen oder Felder gemäß der Bauteilkontur variiert. Je kürzer die Länge eines Processing selected strips or fields varies according to the component contour. The shorter the length of one
Scanvektors ausfällt, desto kürzer ist die Abkühlzeit der zugehörigen Schmelzspur bis der Laserstrahl zur Belichtung der benachbarten Spur wiederum für eine Aufheizung sorgt. Durch diesen lokalen Vorheizeffekt verbreitert sich das Schmelzbad. Dementsprechend kann bei kürzeren Scanvektoren und entsprechend geringerer Abkühlzeit bzw. breiterem Schmelzbad ein größerer If the scan vector fails, the shorter the cooling time of the associated melting trace until the laser beam for the exposure of the neighboring trace again heats up. This local preheating effect widens the weld pool. Accordingly, a larger one can be used with shorter scan vectors and a correspondingly shorter cooling time or wider weld pool
Spurabstand bzw. Abstand der Scanvektoren eingestellt und weiterhin eine Anbindung der Spuren aneinander sichergestellt werden. Diese Variation des Abstands der Scanvektoren bzw. Spurabstandes in Abhängigkeit von der Länge wenigstens eines der jeweils benachbarten Scan vektoren wird beim vorliegenden Verfahren durchgeführt. Resultat ist eine Erhöhung der Umschmelzrate, eine Reduzierung der Anzahl der Vektoren sowie eine Track spacing or distance of the scan vectors is set and a connection of the tracks to one another is ensured. This variation of the distance between the scan vectors or track spacing as a function of the length of at least one of the adjacent scan vectors is carried out in the present method. The result is an increase in the remelting rate, a reduction in the number of vectors and one
Homogenisierung der Temperaturverteilung innerhalb des zu belichtenden Streifens oder Feldes. Homogenization of the temperature distribution within the strip or field to be exposed.
Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich für sämtliche strahlschmelzende generative Fertigungs verfahren einsetzen, bei denen die Bauteilbereiche vektorweise mittels elektromagnetischer Strahlung abgefahren werden. Das Verfahren kann unter The proposed method can be used for all beam-melting additive manufacturing processes in which the component areas are scanned vector by vector by means of electromagnetic radiation. The procedure can be under
Zuhilfenahme entsprechend angepasster Software sowohl auf bereits vorhandenen als auch auf zukünftig Using appropriately adapted software both on existing and in the future
verfügbaren Anlagen umgesetzt werden. Neben der available facilities. In addition to the
generativen Fertigung ist das Verfahren auch für andere Gebiete nutzbar, in denen die Oberfläche mit wenigstens einem energetischen Strahl entlang mehrerer in einem Abstand verlaufender Scanvektoren bearbeitet, additive manufacturing, the method can also be used for other areas in which the surface with at least one energy beam along several in one Distance of running scan vectors processed,
insbesondere aufgeschmolzen wird, und die Länge der Scanvektoren über den jeweiligen Bereich variiert. in particular is melted, and the length of the scan vectors varies over the respective area.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen: The proposed method is explained in more detail below using an exemplary embodiment in conjunction with the drawings. Here show:
Fig. 1 eine Darstellung einer Aufteilung eines beispielhaften Bauteilquerschnitts einer beliebigen Schicht bei der generativen Fertigung in mehrere zu belichtende Streifen; 1 shows a representation of a division of an exemplary component cross section of any layer in additive manufacturing into a plurality of strips to be exposed;
Fig. 2 ein Beispiel für eine Anordnung der Fig. 2 shows an example of an arrangement of the
Scanvektoren innerhalb eines Streifens; Scan vectors within a stripe;
Fig. 3 einen Vergleich zwischen der Länge der Fig. 3 shows a comparison between the length of the
Scanvektoren bei einem würfelförmigen Probekörper und einer anwendungs Scan vectors for a cube-shaped specimen and an application
spezifischen Bauteilgeometrie; specific component geometry;
Fig. 4 einen Vergleich der konventionellen Fig. 4 shows a comparison of the conventional
Belichtungsstrategie mit konstantem Spurabstand (Teilabbildung A) und der Belichtungsstrategie mit variablem Exposure strategy with constant track spacing (partial illustration A) and the exposure strategy with variable
Spurabstand beim vorgeschlagenen Track spacing in the proposed
Verfahren (Teilabbildung B) ; und Process (Part B); and
Fig. 5 ein Diagramm, das einen beispielhaften Fig. 5 is a diagram showing an exemplary
Zusammenhang zwischen Scanvektorlänge und Spurabstand beim vorgeschlagenen Verfahren zeigt. Relationship between scan vector length and track spacing in the proposed method.
Wege zur Ausführung der Erfindung Ways of Carrying Out the Invention
Die konventionelle Belichtungsstrategie bei pulverbettbasierten Strahlschmelzverfahren wurde in der Beschreibungseinleitung in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 bereits erläutert. Figur 3 zeigt einen Vergleich zwischen der Scanvektorlänge bei einem für die The conventional exposure strategy in powder bed-based beam melting processes has already been explained in the introduction to the description in conjunction with FIGS. 1 and 2. FIG. 3 shows a comparison between the scan vector length for one for the
Parameterbestimmung gewählten würfelförmigen Probe körper (rechter Teil der Figur) und der Scanvektorlänge bei einem anwendungsspezifischen Bauteil (linker Teil der Figur) . Derartige würfelförmige Probekörper werden genutzt, um die Prozessparameter, insbesondere den Abstand der Scanvektoren bzw. Spurabstand, bei der Fertigung eines Bauteils vorab zu ermitteln. Die Parameter determination of the selected cube-shaped test specimen (right part of the figure) and the scan vector length for an application-specific component (left part of the figure). Such cube-shaped test specimens are used to determine the process parameters, in particular the distance between the scan vectors or track spacing, in advance when manufacturing a component. The
Probekörper bestehen dabei aus dem gleichen Material wie das zu fertigende Bauteil. Aus der Figur 3 ist zu erkennen, dass innerhalb der einzelnen Streifen 2, in die der aufzuschmelzende Bereich für die Bearbeitung unterteilt wird, beim würfelförmigen Probekörper eine konstante Scanvektorlänge auftritt, während sie bei der anwendungsspezifischen Bauteilgeometrie aufgrund der Bauteilkontur 1 innerhalb der Streifen 2 variieren kann. Durch diese Variation ergeben sich unterschied lich lange Abkühlzeiten, bevor der Laserstrahl auf der benachbarten Spur wieder für eine Aufheizung sorgt, und damit auch unterschiedlich breite Schmelzbäder. Beim vorliegenden Verfahren wird dies ausgenutzt, indem bei kürzeren Scanvektoren und entsprechend geringerer Test specimens consist of the same material as the component to be manufactured. It can be seen from FIG. 3 that within the individual strips 2, into which the area to be melted is divided for processing, a constant scan vector length occurs in the cube-shaped test specimen, while it may vary within the strips 2 in the application-specific component geometry due to the component contour 1 . This variation results in cooling times of different lengths, before the laser beam on the adjacent track heats up again, and thus melting baths of different widths. This is exploited in the present method by using shorter scan vectors and correspondingly fewer
Abkühlzeit bzw. breiterem Schmelzbad ein größerer Cooling time or wider weld pool a longer one
Abstand der Scanvektoren (Spurabstand) eingestellt wird, mit dem weiterhin eine Anbindung des Materials benachbarter Spuren aneinander sichergestellt wird. Die Anpassung des Abstands der Scanvektoren bzw. des Distance of the scan vectors (track spacing) is set, with which a connection of the material continues adjacent tracks to each other is ensured. The adjustment of the distance between the scan vectors and the
Spurabstands erfolgt, indem der Abstand zwischen zwei Spuren in Abhängigkeit von der Länge der von diesen beiden Spuren zuerst belichteten Spur eingestellt wird. Figur 4 zeigt diese Vorgehensweise schematisch für eine dreieckige Bauteilkontur. Track spacing is done by adjusting the distance between two tracks depending on the length of the track first exposed by these two tracks. Figure 4 shows this procedure schematically for a triangular component contour.
In Figur 4A ist die zur SLM bisher typische FIG. 4A shows the one typical of the SLM up to now
Strategie der Belichtung dargestellt. Charakteristisch dabei ist der Abstand Dl zwischen den einzelnen Strategy of exposure presented. The distance Dl between the individual is characteristic
Scanvektoren 3, der für alle Vektoren, unabhängig von ihrer jeweiligen Länge, konstant ist. Figur 4B zeigt demgegenüber schematisch die beim vorgeschlagenen Scan vectors 3, which is constant for all vectors, regardless of their length. FIG. 4B, on the other hand, shows schematically those in the proposed
Verfahren eingesetzte neuartige Belichtungsstrategie mit variablem Spurabstand. Dabei wird der Abstand der Scanvektoren bzw. der Spurabstand in Abhängigkeit von der Scanvektorlänge angepasst. Im vorliegenden Fall gilt D2 > Dl, da für kürzere Scanvektoren 3 der Process used novel exposure strategy with variable track spacing. The distance between the scan vectors or the track spacing is adjusted as a function of the scan vector length. In the present case, D2> Dl applies since 3 is for shorter scan vectors
Spurabstand vergrößert wird. Track spacing is increased.
Die Vergrößerung bzw. Variation des Spurabstands wird so durchgeführt, dass auch bei entsprechend vergrößertem Spurabstand eine vorgegebene relative Mindestdichte, von beispielsweise > 99,5%, der damit hergestellten Bauteile erreicht wird. The enlargement or variation of the track spacing is carried out such that a predetermined relative minimum density, for example> 99.5%, of the components produced therewith is achieved even with a correspondingly enlarged track spacing.
Die Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Determining the relationship between
Scanvektorlänge und Abstand der Scanvektoren bzw. Scan vector length and distance of the scan vectors or
Spurabstand kann dabei beispielsweise experimentell durch die Fertigung von Probekörpern unterschiedlicher Größen und damit Vektorlängen erfolgen. Auf diese Weise kann eine Wertetabelle mit Zuordnungen zwischen Track spacing can be done experimentally, for example, by producing test specimens of different sizes and thus vector lengths. In this way, a table of values with assignments between
Scanvektorlänge und Spurabstand für das jeweilige Material und die jeweilige Anlage erstellt werden. Scan vector length and track spacing for the respective Material and the respective system can be created.
Alternativ kann der Zusammenhang zwischen Scanvektor länge und Spurabstand auch mittels Simulation ermittelt werden . Alternatively, the relationship between scan vector length and track spacing can also be determined by means of simulation.
Im Folgenden ist eine exemplarische Wertetabelle mit fünf diskreten Datenpunkten bei fünf unter Below is an exemplary table of values with five discrete data points at five below
schiedlichen Scanvektorlängen dargestellt. different scan vector lengths are shown.
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0001
Figur 5 zeigt hierzu den graphischen Zusammenhang zwischen der Scanvektorlänge und dem Abstand der FIG. 5 shows the graphic relationship between the scan vector length and the distance of the
Scanvektoren bzw. dem Spurabstand. Für jeden Scanvektor bzw. dessen spezifische Länge wird entsprechend der Wertetabelle der zugehörige Abstand bei der Daten vorbereitung für die Fertigung berücksichtigt. Zwischen den einzelnen diskreten Werten kann interpoliert werden . Durch die Erhöhung des Spurabstands wird die Scan vectors or the track spacing. For each scan vector or its specific length, the associated distance is taken into account in the data preparation for production in accordance with the value table. You can interpolate between the individual discrete values. By increasing the track spacing, the
Umschmelzrate erhöht sowie die Anzahl der benötigen Vektoren reduziert. Die Aufbereitung der entsprechenden Bauteildaten mit variablem Spurabstand wird dabei vorzugsweise bei der Bahnplanung mit Hilfe einer speziellen Software durchgeführt, die die experimentell ermittelten Wertetabellen entsprechend verarbeiten kann . Bei der vorliegenden Beschreibung und dem Remelting rate increased and the number of vectors required reduced. The preparation of the corresponding component data with variable track spacing is preferably carried out during path planning with the aid of special software that can process the experimentally determined value tables accordingly. In the present description and the
Ausführungsbeispiel wurde vor allem auf Verfahren zum selektiven Laserschmelzen von metallischen Werkstoffen Bezug genommen, bei denen in der Regel Galvanoscanner als Stahlablenkungseinheiten genutzt werden. Es ist jedoch auch eine Übertragung auf andere Strahlquellen, beispielsweise Elektronenstrahlquellen, andere The exemplary embodiment was primarily referred to methods for selective laser melting of metallic materials, in which galvanoscanners are generally used as steel deflection units. However, it is also a transfer to other beam sources, for example electron beam sources, others
Strahlablenkungseinheiten wie beispielsweise XY- Plottersysteme oder andere Werkstoffe wie z.B. Beam deflection units such as XY plotter systems or other materials such as
Kunststoffe ohne weiteres möglich. Das vorliegendePlastics easily possible. The present
Verfahren ist nicht auf das selektive Laserschmelzen, pulverbettbasierte Strahlschmelzverfahren oder The process is not based on selective laser melting, powder bed-based beam melting or
generative Fertigungsverfahren im Allgemeinen generative manufacturing processes in general
beschränkt . limited.
Bezugszeichenliste Reference list
1 Bauteilkontur 1 component contour
2 Streifen 2 strips
3 Scanvektoren 3 scan vectors
D1/D2 Abstand der Scanvektoren D1 / D2 distance of the scan vectors

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche mit 1. Procedure for processing a surface with
energetischer Strahlung, insbesondere zum energetic radiation, especially for
selektiven Laserschmelzen, selective laser melting,
bei dem wenigstens ein energetischer Strahl entlang mehrerer in einem Abstand nebeneinander verlaufender Scanvektoren (3) über einen oder mehrere Bereiche (2) der Oberfläche geführt wird, dadurch gekennzeichnet, in which at least one energetic beam is guided along one or more regions (2) of the surface along a plurality of scan vectors (3) running at a distance from one another, characterized in that
dass bei variierender Länge der Scanvektoren (3) in einem oder mehreren der Bereiche (2) ein that with a varying length of the scan vectors (3) in one or more of the areas (2)
Abstand zwischen benachbarten Scanvektoren (3) jeweils in Abhängigkeit von der Länge wenigstens eines der jeweils benachbarten Scanvektoren (3) gewählt wird. Distance between adjacent scan vectors (3) is selected depending on the length of at least one of the adjacent scan vectors (3).
2. Verfahren nach Anspruch 1, 2. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass der Abstand zwischen benachbarten Scan- Vektoren (3) jeweils in Abhängigkeit von der Länge des Scanvektors (3) gewählt wird, entlang dem der energetische Strahl bei der Bearbeitung zuerst geführt wird. that the distance between adjacent scan vectors (3) is chosen depending on the length of the scan vector (3) along which the energetic beam is first guided during processing.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, 3. The method according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass der Abstand zwischen benachbarten Scan vektoren (3) so gewählt wird, dass er bei that the distance between adjacent scan vectors (3) is selected so that it is at
abnehmender Länge der Scanvektoren (3) zunimmt und bei ansteigender Länge der Scanvektoren (3) abnimmt . decreasing length of the scan vectors (3) increases and decreases with increasing length of the scan vectors (3).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in
dass der Abstand zwischen benachbarten that the distance between neighboring ones
Scanvektoren (3) aus einer Tabelle entnommen wird, in der vorab unterschiedlichen Scanvektorlängen unterschiedliche Abstände zugeordnet wurden. Scan vectors (3) are taken from a table in which different distances were previously assigned to different scan vector lengths.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. The method according to any one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Abhängigkeit des Abstandes zwischen benachbarten Scanvektoren (3) von der Länge wenigstens eines der jeweils benachbarten that the dependence of the distance between adjacent scan vectors (3) on the length of at least one of the adjacent ones
Scanvektoren (3) vorab experimentell oder durch Simulation ermittelt wird. Scan vectors (3) are determined beforehand experimentally or by simulation.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 6. The method according to any one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass der Abstand zwischen benachbarten that the distance between neighboring ones
Scanvektoren (3) bei der Herstellung von Scan vectors (3) in the production of
dreidimensionalen Bauteilen durch schichtweises Aufschmelzen eines pulverförmigen Materials jeweils unter Einhaltung der Bedingung maximiert wird, dass bei dem jeweils gewählten Abstand eine vorgegebene Dichte der gefertigten Bauteile erreicht wird. three-dimensional components is maximized by melting a powdery material in layers, in each case observing the condition that a predetermined density of the manufactured components is achieved at the respectively selected distance.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 7. The method according to any one of claims 1 to 6,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass der jeweilige Abstand zwischen den that the respective distance between the
benachbarten Scanvektoren (3) vor der Bearbeitung im Rahmen einer Bahnplanung mit Hilfe einer neighboring scan vectors (3) before processing as part of a path planning using a
Software bestimmt wird. Software is determined.
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