WO2022161935A1 - Planungseinrichtung, fertigungseinrichtung, verfahren und computerprogrammprodukt zum additiven fertigen von bauteilen aus einem pulvermaterial - Google Patents

Planungseinrichtung, fertigungseinrichtung, verfahren und computerprogrammprodukt zum additiven fertigen von bauteilen aus einem pulvermaterial Download PDF

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energy beam
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planning device
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Jeroen Risse
Joachim Wagner
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a planning device and a method for planning a locally selective irradiation of a work area with an energy beam, a computer program product for carrying out such a method, and a manufacturing device and a method for additively manufacturing components from a powder material.
  • an energy beam is typically selectively displaced to predetermined irradiation positions of a work area in order to locally solidify powder material arranged in the work area.
  • this is repeated layer by layer in powder material layers arranged one after the other in the working area, in order finally to obtain a three-dimensional component made of solidified powder material.
  • the locally selective irradiation of the work area is planned in advance or also ad hoc during production.
  • a planning device is provided for this purpose, which carries out this planning.
  • the specific conditions of the irradiation can depend on a local location of the irradiation in the work area, i.e. an irradiation location, in several ways:
  • the shape and/or size of an energy beam profile of the energy beam depends on the work area, i.e. a beam shape of the energy beam , from the irradiation site, especially when the energy beam is deflected by means of a scanner device in order to reach different irradiation sites on the work area.
  • the beam shape depends on a deflection angle by which the energy beam is deflected, or on an angle that the energy beam encloses with an imaginary axis that is perpendicular to the work area.
  • a power density of the energy beam varies with the irradiation location depending on the beam shape. becomes the energy beam deflected by the scanner device by means of a mirror, there is a further effect that the reflectivity or degree of reflection of the mirror depends on the deflection angle, so that the result is that the integrally irradiated power also depends on the irradiation location - via the deflection angle.
  • the invention is based on the object of creating a planning device and a method for planning a locally selective irradiation of a work area, a computer program product set up for this purpose, and a manufacturing device and a method for additively manufacturing components from a powder material, the disadvantages mentioned being at least reduced are preferably avoided.
  • the object is achieved in particular by creating a planning device for planning a locally selective irradiation of a work area with an energy beam, the planning device being set up to determine at least one irradiation parameter as a function of an irradiation location on the work area.
  • the planning device being set up to determine at least one irradiation parameter as a function of an irradiation location on the work area.
  • beam shape is understood to mean in particular the shape and/or size of an energy beam profile of the energy beam on the work area, in particular both the shape and the size of the energy beam profile.
  • a definition of a boundary or contour line of the energy beam profile is necessary or useful for determining the shape and/or the size of the energy beam profile, i.e. the beam shape, this is defined according to one embodiment at the location of the second moment of the intensity distribution of the energy beam on the work area, particularly at a location determined by the variance or the standard deviation.
  • the boundary or contour line of the energy beam profile can also be determined according to the "86% method", in which case it is then set where the intensity has fallen from the location of the maximum intensity to 13.5% of the maximum intensity.
  • the determination of the boundary or contour line can also include an actual extent of a melt pool on the work area, which—with a given shape and size of the energy beam profile—depends, for example, on the powder material used, in particular the heat conduction in the powder material. Due to the angle-dependent reflection and absorption properties of the powder material, the actual shape of the weld pool can also depend on an angle of incidence at which the energy beam hits the powder material. In particular, the actual extent of the melt pool can be calculated or simulated numerically.
  • Additive or generative manufacturing or production of a component means in particular a layered construction of a component from powder material, in particular a powder bed-based method for producing a component in a powder bed, in particular a manufacturing method that is selected from a group consisting of a selective Laser sintering, Laser Metal Fusion (LMF), Direct Metal Laser Melting (DMLM), Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), and Laser Engineered Net Shaping (LENS) .
  • the production facility is therefore set up in particular to carry out at least one of the aforementioned additive or generative production methods.
  • An energy beam is generally understood to mean directed radiation that can transport energy. This can generally involve particle radiation or wave radiation.
  • the energy beam propagates through the physical space along a propagation direction and thereby transports energy along its propagation direction.
  • the energy beam is an optical working beam.
  • An optical working beam is to be understood in particular as directed electromagnetic radiation, continuous or pulsed, which is suitable in terms of its wavelength or a wavelength range for the additive or generative manufacturing of a component from powder material, in particular for sintering or melting the powder material.
  • an optical working beam means a laser beam that can be generated continuously or in a pulsed manner.
  • the optical working beam preferably has a wavelength or a wavelength range in the visible electromagnetic spectrum or in the infrared electromagnetic spectrum, or in the overlap region between the infrared range and the visible range of the electromagnetic spectrum.
  • a working area is understood to mean in particular an area, in particular a plane or surface, in which the powder material is arranged and which is locally irradiated with the energy beam in order to locally solidify the powder material.
  • the powder material is sequentially arranged in layers in the work area and is locally irradiated with the energy beam in order to produce a component—layer by layer.
  • the fact that the work area is locally exposed to the energy beam means, in particular, that the entire work area is not applied globally - neither instantaneously nor sequentially - to the energy beam, but rather that the work area is exposed in places, in particular at individual, contiguous or separate points, with the Energy beam is applied, wherein the energy beam is shifted in particular by means of the scanner device within the work area.
  • the fact that the energy beam is applied selectively to the work area means in particular that the energy beam is applied to the work area at selected, predetermined points or locations or in selected, predetermined areas.
  • the working area is in particular a layer of powder material or a preferably contiguous area of a layer of powder material that can be reached by the energy beam using the scanner device, i.e. it includes in particular those points, locations or areas of the powder material layer that can be impinged on by the energy beam.
  • the planning device is designed as a device that is selected from a group consisting of a computer, in particular a personal computer (PC), a plug-in card or control card, and an FPGA board.
  • the planning device is an RTC6 control card from SCANLAB GmbH, in particular in the form currently available on the date determining the seniority of the present property right.
  • the planning device can be provided externally or separately from a production device, with the planning device preferably creating a data record which is then stored in a suitable manner, for example by means of a data carrier or via a network, in particular via the Internet, or via another suitable wireless or wired form of transmission, is transmitted to a manufacturing facility, in particular a control device of a manufacturing facility.
  • a manufacturing facility in particular a control device of a manufacturing facility.
  • the planning device it is possible for the planning device to generate CAM data from CAD data, ie in particular a command sequence, in particular an NC program, for controlling the production facility, with this command sequence then being transmitted to the production facility for its control.
  • CAD data of a component to be transferred to the planning device, with the planning device generating the command sequence for the production device from this.
  • the planning device can also be integrated into a production device.
  • the planning device can be integrated into the control device of the manufacturing device, or the control device of the manufacturing device can be designed as a planning device, in particular by providing a suitable hardware component and/or by implementing a suitable computer program product, in particular software.
  • CAD data of a component can be produced to be transferred to the production facility, with the production facility itself, in particular the planning facility implemented in the control facility, generating corresponding CAM data or a command sequence for controlling the production facility from the CAD data.
  • the planning device it is also possible for the planning device to comprise a plurality of computing devices, in which case it is in particular designed to be physically distributed.
  • the planning device then preferably comprises a plurality of computing devices that are networked with one another.
  • the planning device can be designed as a data cloud or so-called cloud, or the planning device is part of a data cloud or cloud.
  • the planning device comprises on the one hand at least one computing device external to the manufacturing device and on the other hand the manufacturing device, in particular the control device of the manufacturing device, in which case steps carried out by the planning device are carried out partially on the external computing device and partially on the manufacturing device, in particular on the control device.
  • the planning device does not take over the complete planning of the locally selective irradiation of the work area, but only parts of it; In particular, it is possible for the planning device to take over only that part of the planning of the locally selective irradiation of the work area that relates to the determination of the at least one irradiation parameter as a function of the irradiation location in the work area.
  • other parts of the planning of the locally selective irradiation can be carried out in other computing devices, in particular in a computing device external to the production facility, or also in the production facility itself, in particular its control unit, or also in a data cloud or cloud.
  • the planning device to change, adapt or correct CAM data generated by another computing device or a command sequence, in particular an NC program, in order to determine, in particular to change, the at least one irradiation parameter as a function of the irradiation location.
  • the at least one irradiation parameter is selected from a group consisting of a power of the energy beam and a contour distance of the energy beam from a component contour of a component layer to be produced on a powder material layer in the work area.
  • the irradiation parameter is a power of the energy beam
  • the irradiation parameter is a contour distance
  • a deviation in the beam shape dependent on the irradiation location can advantageously at least be taken into account, preferably compensated.
  • a contour distance is typically defined for the design of contour lines, i.e. boundary lines, of the component to be produced, which is maintained by an imaginary or actual focus of the energy beam, for example an intensity maximum, or another distinguished point of the energy beam selected for control purposes from a contour line or contour boundary got to.
  • an imaginary or actual focus of the energy beam for example an intensity maximum, or another distinguished point of the energy beam selected for control purposes from a contour line or contour boundary got to.
  • the energy beam is not point-like on the work area, but rather has a finite width, so that the resulting contour line becomes the focus of the Energy beam is offset.
  • This offset also changes depending on the beam shape. For example, the offset increases if the energy beam, which was originally assumed to be circular on the working area, widens elliptically in the direction of the contour line.
  • the contour line then deviates from the course actually intended.
  • This problem is exacerbated when a manufacturing facility has a plurality of energy beams, wherein a same contour line is partially formed by different energy beams. Since the energy beams typically emanate from different locations and/or experience different deflection angles to the processed contour line, the energy beams can have different beam shapes in the area of the same contour line. If this effect is not compensated for, this leads to offsets within the same contour line, particularly in the area of seams where a contour line section formed by one energy beam ends and a contour line section formed by another energy beam begins. In particular, such undesired effects can advantageously be avoided if the contour spacing is selected as an irradiation parameter depending on the irradiation site.
  • the planning device is set up to represent the irradiation location by at least one deflection angle for the energy beam, and preferably additionally at least one angular coordinate in the working area.
  • the at least one deflection angle in particular as a parameter of the scanner device, preferably characterizes the irradiation location, in particular with regard to its radial position in a polar coordinate representation of the working area. In a preferred embodiment, this defines the shape and size of the energy beam profile, and therefore the beam shape as such.
  • An orientation of the beam shape in the coordinate system of the working area is preferably additionally known via the at least one angle coordinate in the working area.
  • the beam shape is elliptical, for example, an alignment of the semimajor axis is defined by the angle coordinate in the working area.
  • the angular coordinate is preferably the angle, in particular the azimuth, of a polar coordinate representation of the working area.
  • the planning device is set up to calculate the irradiation location using Cartesian coordinates to represent the work area.
  • the irradiation site is advantageously clearly defined, with both the beam shape as such and its alignment then also being known.
  • the fact that the beam shape and/or its orientation is known means that the beam shape and/or its orientation can either be read from a suitable data set or can be calculated unambiguously or determined in some other way.
  • the planning device is set up to shift a contour limit of a component contour of a component layer to be produced on a powder material layer in the working area, which results from a deviation of a beam shape of the energy beam on the working area from a predetermined comparative Beam shape results to be compensated by a suitable choice of the irradiation parameters.
  • undesirable contour displacements and jumps and/or offsets in the component contour can advantageously be reduced, preferably avoided.
  • a contour distance for a focal point of the energy beam is typically specified for a specific comparison beam shape, in particular a circular beam shape.
  • the actual beam shape deviates from this comparison beam shape depending on the irradiation location, for example if the energy beam assumes an elliptical beam shape, there is a change in the effective width of the beam shape and thus also a change in the contour limit resulting from the irradiation of the working area.
  • this effect can be limited or advantageously compensated by suitably adapting the contour distance of the energy beam as a corresponding irradiation parameter.
  • a component layer is understood here to mean a layer of the resulting component that is still to be produced or has already been produced in the powder material layer arranged there in the work area, i.e. in particular - after the end of the irradiation of the powder material layer - those areas of the same in which the powder material solidifies by the energy beam, in particular sintered or fused.
  • the component is successively built up component layer by component layer from the layers of powder material arranged one on top of the other.
  • a component contour is understood here to mean, in particular, a closed border line of the component layer or of a region of the component layer.
  • the planning device is set up to determine the contour distance of the energy beam to a component contour of a component layer to be produced on a powder material layer in the working area as the at least one irradiation parameter, and to determine the contour distance additionally as a function of one direction to determine an irradiation vector on the work area.
  • the effective width of the beam shape also depends on the direction of the irradiation vector, so that undesired effects in connection with the contour boundary shift can be particularly advantageously reduced, preferably completely avoided, if the direction of the irradiation vector is also included in the determination of the contour distance.
  • An irradiation vector is understood to mean, in particular, a continuous, preferably linear displacement of the energy beam over a specific distance with a specific direction of displacement.
  • the irradiation vector thus includes the direction or orientation of the displacement.
  • the planning device is set up to determine the contour distance of the energy beam as the at least one irradiation parameter, and to additionally determine the contour distance as a function of an expected melt pool width at the irradiation location.
  • the expected expansion of the melt pool on the work area is included in the determination of the contour distance, so that undesirable effects in connection with the contour boundary shift can be compensated particularly precisely.
  • the expected melt pool width can depend in particular on the powder material used, in particular the heat conduction in the powder material, and possibly the angle of incidence of the energy beam due to the angle-dependent reflection and absorption properties of the powder material.
  • the expected pain pool width is calculated or numerically simulated.
  • the planning device is set up to determine a local beam shape of the energy beam on the work area from the irradiation location and to determine the at least one irradiation parameter as a function of the local beam shape.
  • This configuration is economical with regard to storage space, since the irradiation parameter does not need to be stored; instead, it can be determined from the irradiation location at runtime.
  • Under a local beam shape is understood here in particular as the beam shape deviation of the local beam shape from the comparison beam shape.
  • the local beam shape is understood to mean at least one beam shape parameter that is characteristic of the local beam shape.
  • the beam shape can therefore be described in particular by the deviation from the comparison beam shape or by at least one characteristic beam shape parameter.
  • the local beam shape is calculated as a function of the irradiation location.
  • the local beam shape is read out from a beam shape characteristic field as a function of the irradiation location.
  • the planning device it is provided that it is set up to read the at least one radiation parameter from a radiation parameter characteristic map as a function of the radiation site.
  • This refinement allows the irradiation parameter to be determined particularly quickly and with little computational effort, since this does not have to be calculated at runtime, but rather is read out from the characteristic map of the irradiation parameters. It is also advantageously possible to dispense with storing or determining the local beam shape; Rather, it is possible for the irradiation parameter to be read directly from the irradiation parameter characteristic map as a function of the irradiation location.
  • the radiation parameter characteristic field is preferably provided with data in advance, in particular on the basis of calculations and/or simulations.
  • the planning device is set up to determine a power of the energy beam as the at least one irradiation parameter, and to determine a beam shape-dependent deviation of a power density of the energy beam in the working area from a predetermined comparative power density to be compensated by a suitable selection of the irradiation parameters.
  • the power density varies in particular with the expansion of the beam shape, depending on the irradiation location.
  • the integral power of the energy beam is distributed over a larger area as the beam shape expands, so that the power density decreases.
  • the power of the energy beam can then be correspondingly increased in order to compensate for this decrease in power density.
  • the predetermined comparison power density preferably relates to the predetermined comparison beam shape, in particular to a circular beam shape.
  • the planning device provides that it is set up to determine the power of the energy beam as the at least one irradiation parameter, and to determine a deviation of an irradiation power of the energy beam on the work area from a predetermined one, which is dependent on a deflection angle for the energy beam Compensate comparative irradiation power by appropriate choice of irradiation parameters.
  • the deflection angle influences the integral power of the energy beam, in particular via an angle-dependent degree of reflection of the scanner mirror used.
  • the comparative irradiation power preferably relates to a reference deflection angle at which the degree of reflection of the scanner mirror is preferably at a maximum, or to a reference deflection angle determined on the basis of geometric considerations, for example 45°.
  • the planning device is set up to determine the power of the energy beam as the at least one irradiation parameter, and to read out the irradiation parameter or a correction value for the at least one irradiation parameter from a deflection characteristic map depending on the irradiation location. in which an angle-dependent reflection characteristic of a scanner mirror for deflecting the energy beam is stored. This represents a particularly simple and less computationally intensive implementation of the compensation described above.
  • the planning device is set up to plan the locally selective irradiation of the work area with a plurality of energy beams, and to also assign the at least one irradiation parameter to the plurality of energy beams as a function of an energy beam used at the irradiation site determine.
  • the different energy beams typically emanate from different locations, and/or scanner devices, which are respectively assigned to the different energy beams, are arranged at least slightly offset relative to one another.
  • the beam shape locally assigned to an irradiation location also varies between the different energy beams.
  • each energy beam is used for this purpose assigned an index value or reference value so that the energy beam can be uniquely identified.
  • the at least one irradiation parameter is then additionally determined as a function of the index value or reference value.
  • the planning device is set up to plan the locally selective irradiation of the work area with a plurality of energy beams, and to plan the irradiation of the work area at a radiation location - and/or for a specific radiation vector - that energy beam of the plurality of energy beams for which at least one effect is minimal when comparing the energy beams with one another, the at least one effect being selected from a group consisting of: a deviation of a beam shape dependent on the energy beam of the plurality of energy beams used at the irradiation site the working range from a predetermined reference beam shape; a beam shape-dependent deviation of a power density in the working area from a predetermined comparison power density, which is dependent on the energy beam of the plurality of energy beams used at the irradiation site; and a deviation, dependent on the energy beam of the plurality of energy beams used at the irradiation site, of an irradiation power on the working area from a pre
  • the parameters or effects mentioned here differ between the different energy beams at a fixed irradiation location, i.e. from energy beam to energy beam.
  • the planning device at a specific irradiation location - and/or for a specific radiation vector -, preferably at each irradiation location - and/or for each radiation vector - that energy beam of the plurality of Energy beams selected for the irradiation, for which at least one of the effects mentioned at the irradiation site - viewed over the various energy beams - is minimal, that is to say the least pronounced.
  • the planning device is set up to determine a position of at least one internal, ie in particular contour, to determine the irradiation vector as a function of the at least one irradiation parameter, in particular the contour distance.
  • the change in the at least one irradiation parameter in particular a change in the distance between the contours, leads to an overlap or some other type of conflict between irradiation vectors close to the contour and irradiation vectors that are on the inside and far from the contour.
  • An internal radiation vector or a radiation vector remote from the contour is understood to mean, in particular, a radiation vector that does not directly form the component contour or participate in the component contour.
  • Such an irradiation vector is arranged on the inside relative to the component contour, within the contour line, and not directly adjacent to the component contour, ie remote from the contour.
  • the fact that the position of an internal irradiation vector is determined as a function of the irradiation parameter means in particular that the position of the irradiation vector is changed, starting from a position determined without taking the irradiation parameter into account, taking the irradiation parameter into account.
  • At least the position of all internal radiation vectors that are directly adjacent to a near-contour radiation vector is preferably determined as a function of the at least one radiation parameter.
  • the position of the internal radiation vectors is determined by the planning device, decreasing as a function of the irradiation parameter, to the extent that the distance between the respective internal radiation vector and the contour line increases.
  • the object is also achieved by creating a manufacturing device for the additive manufacturing of components from a powder material.
  • the manufacturing device has a beam generating device that is set up to generate an energy beam.
  • the production device also has a scanner device that is set up to locally and selectively irradiate a work area with the energy beam in order to use the energy beam to produce a component from the powder material arranged in the work area.
  • the manufacturing device has a control device that is operatively connected to the scanner device and set up to control the scanner device.
  • the control device has a planning device according to the invention or a Planning device according to one or more of the embodiments described above, or it is designed as a planning device according to the invention or as a planning device according to one or more of the embodiments described above.
  • the beam generating device is set up to generate a plurality of energy beams and/or the manufacturing device has a plurality of beam generating devices for generating a plurality of energy beams. It is possible for a plurality of scanner devices to be provided for the plurality of energy beams. However, it is also possible for the scanner device to be set up to displace a plurality of energy beams—in particular independently of one another—on the work area. In particular, the scanner device can have a plurality of separately controllable scanners, in particular scanner mirrors, for this purpose.
  • the scanner device preferably has at least one scanner, in particular a galvanometer scanner, piezo scanner, polygon scanner, MEMS scanner, and/or a working head or processing head that can be displaced relative to the work area.
  • the scanner devices proposed here are particularly suitable for shifting the energy beam within the working area between a plurality of irradiation positions.
  • a working head or processing head that can be displaced relative to the work area is understood here in particular to mean an integrated component of the production facility which has at least one radiation outlet for at least one energy beam, the integrated component, i.e. the working head, as a whole along at least one displacement direction, preferably along two mutually perpendicular directions of displacement, is displaceable relative to the work area.
  • a working head can, in particular, be designed in the form of a portal or be guided by a robot.
  • the working head can be designed as a robot hand of a robot.
  • the control device is preferably selected from a group consisting of a computer, in particular a personal computer (PC), a plug-in card or control card, and an FPGA board.
  • the control device is an RTC6 Control card from SCANLAB GmbH, in particular in the form currently available on the date determining the seniority of the present property right.
  • the beam generating device is preferably designed as a laser.
  • the energy beam is thus advantageously generated as an intensive beam of coherent electromagnetic radiation, in particular coherent light.
  • irradiation preferably means exposure.
  • the production facility is preferably set up for selective laser sintering. Alternatively or additionally, the production facility is set up for selective laser melting. These configurations of the production facility have proven to be particularly advantageous.
  • the object is also achieved by creating a method for planning a locally selective irradiation of a work area with an energy beam, with at least one irradiation parameter being determined as a function of an irradiation location on the work area.
  • a method for planning a locally selective irradiation of a work area with an energy beam with at least one irradiation parameter being determined as a function of an irradiation location on the work area.
  • the at least one irradiation parameter is determined in such a way that at least one effect is compensated for by the selection of the irradiation parameter, with the at least one effect being selected from a group consisting of: one from one dependent on the irradiation location Deviation of a beam shape of the energy beam on the work area from a predetermined comparison beam shape resulting in a contour boundary shift of a component contour of a component layer to be produced on a powder material layer in the work area; a beam shape-dependent deviation of a power density of the energy beam on the working area from a predetermined comparison power density, which is dependent on the irradiation location; and a deviation, dependent on the irradiation location, of an irradiation power of the energy beam on the working area from a predetermined comparison irradiation power.
  • the at least one irradiation parameter is preferably selected from a group consisting of a power of the energy beam and a contour distance of the energy beam from a component contour of a component layer to be produced on a powder material layer in the working area.
  • the irradiation location is represented by at least one deflection angle for the energy beam, preferably additionally by at least one angular coordinate in the working area, or represented by Cartesian coordinates in the working area.
  • the contour distance is determined as the at least one irradiation parameter, this being additionally determined as a function of a direction of an irradiation vector on the work area.
  • the contour distance is additionally determined as a function of an expected melt pool width at the irradiation location.
  • a local beam shape of the energy beam on the work area is determined from the irradiation location, and the at least one irradiation parameter is determined as a function of the local beam shape.
  • the at least one radiation parameter is read from a radiation parameter characteristic map as a function of the radiation site.
  • a power of the energy beam is determined as the at least one irradiation parameter, and the at least one irradiation parameter or a correction value for the at least one irradiation parameter is read out from a deflection map depending on the irradiation location, in which an angle-dependent reflection characteristic of a scanner mirror is used for Deflection of the energy beam is deposited.
  • the locally selective irradiation of the work area with a plurality of energy beams is planned, and the at least one irradiation parameter is additionally determined as a function of one of the plurality of energy beams used at the irradiation site.
  • the locally selective irradiation of the work area with a plurality of energy beams is planned, and the irradiation of the work area at a radiation site is selected that energy beam of the plurality of energy beams for which at least one effect, selected from a group consisting of: A deviation of a beam shape on the working area from a dependent on the energy beam of the plurality of energy beams used at the irradiation site predetermined reference beam shape; a beam shape-dependent deviation of a power density in the working area from a predetermined comparison power density, which is dependent on the energy beam of the plurality of energy beams used at the irradiation site; and a deviation of an irradiation power on the working area from a predetermined comparison irradiation power, which is dependent on the energy beam of the plurality of energy beams used at the irradiation site, is minimal in a comparison of the energy beams with one another.
  • a position of at least one internal radiation vector ie, in particular one that is remote from the contour, is determined as a function of the at least one radiation parameter, in particular the distance from the contour.
  • the method includes at least one method step that has already been explained in connection with the planning device as an advantageous or preferred embodiment of the planning device.
  • the object is also achieved by creating a computer program product that includes machine-readable instructions, based on which a method according to the invention or a method according to one or more of the embodiments described above is carried out on a computing device when the computer program product runs on the computing device.
  • the computing device is a planning device for planning a locally selective irradiation of a work area with an energy beam.
  • the computing device is a control device of a manufacturing device for the additive manufacturing of components from a powder material.
  • the object is also achieved by creating a method for additively manufacturing a component from a powder material using a manufacturing device according to the invention or a manufacturing device according to one or more of the embodiments described above, wherein a working area is locally selectively irradiated with the energy beam in order to Energy beam to produce the component from the powder material arranged in the work area, the irradiation being carried out with the irradiation parameters determined as a function of the irradiation location.
  • a working area is locally selectively irradiated with the energy beam in order to Energy beam to produce the component from the powder material arranged in the work area, the irradiation being carried out with the irradiation parameters determined as a function of the irradiation location.
  • a laser is preferably used as the beam generating device.
  • the component is preferably manufactured by means of selective laser sintering and/or selective laser melting.
  • a metallic or ceramic powder can preferably be used as the powder material.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a production facility with an exemplary embodiment of a planning facility
  • FIG. 2 shows a first schematic representation of a mode of operation of the production device according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a second schematic representation of the mode of operation of the production device according to FIG. 1 and at the same time a mode of operation of the planning device
  • FIG. 4 shows a third schematic representation of the functioning of the production device according to FIG. 1 and at the same time of the planning device.
  • the manufacturing device 1 has a beam generating device 5 which is set up to generate an energy beam 7 .
  • the beam generating device 5 is preferably set up as a laser, and the energy beam 7 is accordingly a laser beam.
  • three separate energy beams 7, namely a first energy beam 7.1, a second energy beam 7.2, and a third energy beam 7.3, are provided. These can be generated by the same beam generating device 5—for example via suitable beam splitters.
  • each energy beam 7 can be assigned a separate beam generating device 5 .
  • a plurality of Energy beams 7 are generated by the same, common beam generating device 5, while other energy beams 7 are generated by at least one other beam generating device 5.
  • the production device 1 also has a scanner device 9 which is set up to locally and selectively irradiate a work area 11 with the energy beam 7 in order to use the energy beam 7 to produce the component 3 from the powder material arranged in the work area 11 .
  • the production device 1 also has a control device 13 which is operatively connected to the scanner device 9 and set up to control the scanner device 9 , in particular to move the energy beam 7 within the work area 11 .
  • the scanner device 9 has a separate scanner mirror 15 for each energy beam 7, namely a first scanner mirror 15.1 for the first energy beam 7.1, a second scanner mirror 15.2 for the second energy beam 7.2, and a third scanner mirror 15.3 for the third energy beam 7.3.
  • each energy beam 7 can be assigned a separate scanner device 9, or for a plurality of energy beams 7 to be assigned a common scanner device 9, while other energy beams 7 are assigned at least one other scanner device 9.
  • the different energy beams 7 are generated at different locations or at least—as shown here—reflected onto the work area 11 at different locations by the different scanner mirrors 15 assigned to them. This results in different beam shapes for the different energy beams 7 for one and the same irradiation location 17 on the work area 11, each depending on a respective angle of incidence (p.
  • the control device 13 is designed here as a planning device 19 .
  • the control device 13 it is possible for the control device 13 to have a planning device 19 .
  • the planning device 19 is set up to plan the locally selective irradiation of the work area 11 with the energy beam 7 .
  • the planning device 19 is set up to determine at least one irradiation parameter as a function of the irradiation location 17 in the work area 11 .
  • FIG. 2 shows a first schematic representation of a mode of operation of the production device 1 according to FIG. Elements that are the same and have the same function are provided with the same reference symbols in all figures, so that reference is made to the previous description in each case.
  • a plan view of the work area 11 is shown. Furthermore, different beam shapes 21 are shown schematically, which result for one of the energy beams 7 on the work area 11 depending on the irradiation location 17 . Without restricting generality, a virtually undisturbed comparison beam shape 23 results at a specific position on the working area 11, here in the center, depending on the arrangement of the scanner mirror 15 assigned to the energy beam 7, which is circular here. If the energy beam 7 is deflected from this specific position by the scanner mirror 15 assigned to it, the beam shape 21 changes, in particular it is elliptically deformed in the exemplary embodiment shown here.
  • the extent of the deviation from the comparison beam shape 23 depends on the irradiation location 17, in particular on a deflection angle y on the scanner mirror—see FIG. 1—or the distance of the irradiation location 17 from the center.
  • An alignment of the beam shape 21, here in particular an alignment of the large semi-axis of the elliptical beam shape 21, depends in particular on an angular coordinate 0 in the working area 11.
  • the irradiation site 17 on the work area 11 can be described by Cartesian coordinates x, y or by polar coordinates r, 0—with the angular coordinate 0.
  • the deviation from the comparative beam shape 23 depends--as explained in connection with FIG.
  • the effects resulting from this deviation from the comparison beam shape 23 as a function of the irradiation site 17 can advantageously be reduced or compensated if the at least one irradiation parameter is determined as a function of the irradiation site 17 .
  • the planning device 19 is set up in particular to calculate, as the at least one irradiation parameter, a power of the energy beam 7 and/or a contour distance d of the energy beam 7, in particular an imaginary center of gravity 25 of the energy beam 7, to a component contour 27 of a powder material layer 29 in the work area 11 to determine component layer 31 to be produced.
  • an irradiation vector 33 is also shown.
  • a look at this representation shows that an effective width B of the beam shape 21 also depends on the direction of the Irradiation vector 33 depends.
  • the effective width B of the beam shape 21 results as a function of an angle a, which the large semi-axis b of the beam shape 21 encloses with the irradiation vector 33, in particular according to the following equation:
  • the planning device 19 is therefore preferably set up to also determine the contour distance d as a function of the direction of the irradiation vector 33 on the work area 11 .
  • the planning device 19 is preferably set up to also determine the contour distance d as a function of an expected melt pool width at the irradiation location 17 .
  • the planning device 19 is preferably set up to determine the local beam shape 21 of the energy beam 7 from the irradiation location 17 and to determine the at least one irradiation parameter as a function of the local beam shape 21 .
  • the planning device 19 is preferably set up to read out the at least one irradiation parameter as a function of the irradiation location 17 from a characteristic field of irradiation parameters.
  • the power density of the energy beam 7 on the working area 11 also depends on the beam shape 21 .
  • the planning device 19 is therefore preferably set up to compensate for a beam shape-dependent deviation of the power density from a predetermined comparison power density, in particular the power density of the comparison beam shape 23 as the comparison power density, which is dependent on the irradiation location 17, by a suitable choice of the irradiation parameter.
  • the planning device 19 is preferably set up to additionally determine the at least one irradiation parameter as a function of the energy beam 7.1, 7.2, 7.3 of the plurality of energy beams 7 that is specifically used at the irradiation site 17.
  • the planning device 19 is preferably set up to plan the locally selective irradiation of the work area 11 with a plurality of energy beams 7, and for the irradiation of the work area 11 at an irradiation location 17 that energy beam 7 of To select a plurality of energy beams 7, for the at least one effect selected from a group consisting of: The deviation of the beam shape 21 on the working area 11 from the predetermined comparison, which is dependent on the energy beam 7 of the plurality of energy beams 7 used at the irradiation site 17 -beam shape 23; a beam shape-dependent deviation of the power density in the working area from the predetermined comparison power density, which is dependent on the energy beam 7 of the plurality of energy beams 7 used at the irradiation site 11; and the deviation of an irradiation power on the working area 11 from a predetermined comparison irradiation power, which is dependent on the energy beam 7 of the plurality of energy beams 7 used at the irradiation site 11, is minimal in a comparison of the
  • the planning device 19 is preferably set up to determine a position of at least one inner radiation vector 33, i.e. in particular one that is remote from the contour, as a function of the at least one radiation parameter, in particular of the contour distance d.
  • Fig. 3 shows a second schematic representation of the mode of operation of the production device according to Figure 1 and at the same time a mode of operation of the planning device 19.
  • a component 3 is shown as an example in a plan view of a component layer 31, with the component contour 27 being shown in particular.
  • a detail of the component contour 27 is marked with D, which is considered in more detail below:
  • detail D shows a situation in which the component contour 27 is generated in sections with the first energy beam 7.1, the second energy beam 7.2, and the third energy beam 7.3, with small, mutually similar deflection angles y being used for all three energy beams 7 will.
  • the irradiation locations 17 it is possible for the irradiation locations 17 to be arranged near the center in the work area 11 along the component contour 27 .
  • all three energy beams 7 have an equally large, at least approximately circular beam shape 21 . In this case it is possible to choose the same contour distance d for all energy beams 7 .
  • a situation is shown in which the detail D of the component contour 27 is arranged on the work area 11 in such a way that significantly different deflection angles y result for the energy beams 7 .
  • the component contour 27 is arranged on the working area 11 away from the center.
  • the energy beams 7 have beam shapes 21 that differ from one another, which in particular can be of different sizes and/or have different shapes and/or different orientations. If in this case—as shown in c)—the same contour distance d is used for all energy beams 7, offsets arise between the actual component contours 27.1, 27.2, 27.3 formed by the different energy beams 7.
  • the planning device 19 is therefore preferably set up to compensate for the contour limit shift resulting from a deviation of the beam shape 21 from the predetermined comparison beam shape 23, which is dependent on the irradiation location 17, by suitably selecting the irradiation parameter, in particular the contour distance d.
  • the planning device 19 is set up to additionally determine the contour distance d as a function of the direction of the irradiation vector 33 on the work area 11 .
  • the planning device 19 is set up to additionally determine the contour distance d as a function of an expected melt pool width at the irradiation location 17 .
  • the planning device 19 is preferably set up to additionally determine the at least one irradiation parameter, in particular the contour distance d, as a function of the energy beam 7 specifically used at the irradiation site 17 .
  • FIG. 4 shows a third schematic representation of the functioning of the production device 1 according to FIG. 1 and at the same time of the planning device 19.
  • FIG. 4 shows a diagram in which the angle-dependent degree of reflection R of a scanner mirror 15 is plotted against the wavelength.
  • the degree of reflection R is strongly dependent on the angle at a fixed wavelength, particularly in the case of larger deflection angles ⁇ .
  • the integral irradiation power of the energy beam 7 radiated at the irradiation location 17 is also strongly dependent on the deflection angle y. This effect can be at least partly reduced by suitably adjusting the power of the energy beam 7 as a function of the irradiation location 17 balanced, preferably compensated.
  • the planning device 19 is therefore preferably set up to compensate for a deviation of the irradiation power from the predetermined comparison irradiation power, which is dependent on the deflection angle, by a suitable choice of the irradiation parameter, in particular the power of the energy beam 7 .
  • the planning device 19 is preferably also set up to read out the irradiation parameter or a correction value for the at least one irradiation parameter as a function of the irradiation location 17 from a deflection characteristic map, with an angle-dependent reflection characteristic of a scanner mirror 15 for deflecting the energy beam 7 being stored in the deflection characteristic map .
  • values can be stored in such a deflection characteristic map, as can be seen from the diagram in FIG.
  • the work area 11 is preferably locally selectively irradiated with the energy beam 7 in order to use the energy beam 7 to produce the component 3 from the powder material arranged in the work area 11.
  • the irradiation is carried out with the irradiation parameters determined as a function of the irradiation location 17 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Planungseinrichtung (19) zur Planung einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs (11) mit einem Energiestrahl (7), um mittels des Energiestrahls (7) ein Bauteil (3) aus einem in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterial herzustellen, wobei die Planungseinrichtung (19) eingerichtet ist, um wenigstens einen Bestrahlungsparameter abhängig von einem Bestrahlungsort (17) auf dem Arbeitsbereich (11) zu bestimmen.

Description

BESCHREIBUNG
Planungseinrichtung, Fertigungseinrichtung, Verfahren und
Computerprogrammprodukt zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial
Die Erfindung betrifft eine Planungseinrichtung und ein Verfahren zum Planen einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs mit einem Energiestrahl, ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Verfahrens, und eine Fertigungseinrichtung und ein Verfahren zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial.
Beim additiven Herstellen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial wird typischerweise ein Energiestrahl selektiv an vorbestimmte Bestrahlungspositionen eines Arbeitsbereichs verlagert, um in dem Arbeitsbereich angeordnetes Pulvermaterial lokal zu verfestigen. Dies wird insbesondere schichtweise in aufeinanderfolgend in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterialschichten wiederholt, um schließlich ein dreidimensionales Bauteil aus verfestigtem Pulvermaterial zu erhalten.
Die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs wird im Voraus oder auch ad hoc während der Fertigung geplant. Hierfür ist eine Planungseinrichtung vorgesehen, welche diese Planung durchführt. Die konkreten Bedingungen der Bestrahlung können dabei auf mehrerlei Weise von einem lokalen Ort der Bestrahlung auf dem Arbeitsbereich, das heißt einem Bestrahlungsort, abhängen: Zum einen hängt die Form und/oder Größe eines Energiestrahlprofils des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich, das heißt eine Strahlform des Energiestrahls, von dem Bestrahlungsort ab, insbesondere wenn der Energiestrahl mittels einer Scannereinrichtung ausgelenkt wird, um verschiedene Bestrahlungsorte auf dem Arbeitsbereich zu erreichen. Insbesondere hängt die Strahlform von einem Ablenkwinkel ab, um den der Energiestrahl abgelenkt wird, oder von einem Winkel, den der Energiestrahl mit einer gedachten Achse, die auf dem Arbeitsbereich senkrecht steht, einschließt. Zum anderen variiert eine Leistungsdichte des Energiestrahls mit dem Bestrahlungsort abhängig von der Strahlform. Wird der Energiestrahl durch die Scannereinrichtung mittels eines Spiegels abgelenkt, tritt als ein weiterer Effekt hinzu, dass eine Reflektivität oder ein Reflexionsgrad des Spiegels abhängig von dem Ablenkwinkel ist, sodass im Ergebnis auch die integral eingestrahlte Leistung von dem Bestrahlungsort - über den Ablenkwinkel - abhängt. Beide Effekte können dazu führen, dass die tatsächlich am Bestrahlungsort vorliegenden Bestrahlungsparameter insbesondere in Randzonen des Arbeitsbereichs von eigentlich voreingestellten Bestrahlungsparametem abweichen, woraus eine verminderte Qualität des entstehenden Bauteils resultieren kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Planungseinrichtung und ein Verfahren zur Planung einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs, ein hierfür eingerichtetes Computerprogrammprodukt, und eine Fertigungseinrichtung sowie ein Verfahren zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest vermindert, vorzugsweise vermieden sind.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Planungseinrichtung zur Planung einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs mit einem Energiestrahl geschaffen wird, wobei die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um wenigstens einen Bestrahlungsparameter abhängig von einem Bestrahlungsort auf dem Arbeitsbereich zu bestimmen. Indem der wenigstens eine Bestrahlungsparameter abhängig von dem Bestrahlungsort bestimmt wird, ist es vorteilhaft möglich, Abweichungen der tatsächlich am Bestrahlungsort vorliegenden Bedingungen von eigentlich voreingestellten Werten zu vermeiden, zu reduzieren, oder zu kompensieren. Insbesondere können entsprechende, von dem Bestrahlungsort abhängende Abweichungen bezüglich der Strahlform, der Leistungsdichte und auch der integralen Leistung vermieden oder in geeigneter Weise kompensiert oder zumindest berücksichtigt werden. Dadurch kann die resultierende Bauteilqualität eines herzustellenden oder hergestellten Bauteils vorteilhaft gesteigert werden.
Unter dem Begriff „Strahlform“ wird insbesondere die Form und/oder Größe eines Energiestrahlprofils des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich verstanden, insbesondere sowohl die Form als auch die Größe des Energiestrahlprofils. Soweit zur Bestimmung der Form und/oder der Größe des Energiestrahlprofils, das heißt der Strahlform, eine Definition einer Grenze oder Konturlinie des Energiestrahlprofils notwendig oder sinnvoll ist, wird diese gemäß einer Ausführungsform am Ort des zweiten Moments der Intensitätsverteilung des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich festgelegt, insbesondere an einem durch die Varianz oder die Standardabweichung bestimmten Ort. Die Grenze oder Konturlinie des Energiestrahlprofils kann aber auch nach der „86 %-Methode“ bestimmt werden, wobei sie dann dort festgesetzt wird, wo die Intensität ausgehend vom Ort des Intensitätsmaximums auf 13,5 % der maximalen Intensität abgefallen ist. Gemäß einer Ausführungsform kann in die Bestimmung der Grenze oder Konturlinie auch eine tatsächliche Ausdehnung eines Schmelzbades auf dem Arbeitsbereich eingehen, die - bei gegebener Form und Größe des Energiestrahlprofils - beispielsweise von dem verwendeten Pulvermaterial, insbesondere der Wärmeleitung in dem Pulvermaterial, abhängt. Die tatsächliche Form des Schmelzbads kann aufgrund der winkelabhängigen Reflexions- und Absorptionseigenschaften des Pulvermaterials auch von einem Einstrahlwinkel abhängen, unter dem der Energiestrahl auf das Pulvermaterial trifft. Insbesondere kann die tatsächliche Ausdehnung des Schmelzbades berechnet oder numerisch simuliert werden.
Unter einem additiven oder generativen Fertigen oder Herstellen eines Bauteils wird insbesondere ein schichtweises Aufbauen eines Bauteils aus Pulvermaterial verstanden, insbesondere ein Pulverbett-basiertes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in einem Pulverbett, insbesondere ein Fertigungsverfahren, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem selektiven Lasersintem, einem Laser-Metall-Fusionieren (Laser Metal Fusion - LMF), einem direkten Metall-Laser-Schmelzen (Direct Metal Laser Melting - DMLM), einem Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), und einem Laser Engineered Net Shaping (LENS). Die Fertigungseinrichtung ist demnach insbesondere eingerichtet zur Durchführung von wenigstens einem der zuvor genannten additiven oder generativen Fertigungsverfahren.
Unter einem Energiestrahl wird allgemein gerichtete Strahlung verstanden, die Energie transportieren kann. Hierbei kann es sich allgemein um Teilchenstrahlung oder Wellenstrahlung handeln. Insbesondere propagiert der Energiestrahl entlang einer Propagationsrichtung durch den physikalischen Raum und transportiert dabei Energie entlang seiner Propagationsrichtung. Insbesondere ist es mittels des Energiestrahls möglich, Energie lokal in dem Arbeitsbereich zu deponieren. Der Energiestrahl ist in bevorzugter Ausgestaltung ein optischer Arbeitsstrahl. Unter einem optischen Arbeitsstrahl ist insbesondere gerichtete elektromagnetische Strahlung, kontinuierlich oder gepulst, zu verstehen, die im Hinblick auf ihre Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich geeignet ist zum additiven oder generativen Fertigen eines Bauteils aus Pulvermaterial, insbesondere zum Sintern oder Schmelzen des Pulvermaterials. Insbesondere wird unter einem optischen Arbeitsstrahl ein Laserstrahl verstanden, der kontinuierlich oder gepulst erzeugt sein kann. Der optische Arbeitsstrahl weist bevorzugt eine Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum oder im infraroten elektromagnetischen Spektrum, oder im Überlappungsbereich zwischen dem infraroten Bereich und dem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums auf.
Unter einem Arbeitsbereich wird insbesondere ein Bereich, insbesondere eine Ebene oder Fläche, verstanden, in dem das Pulvermaterial angeordnet ist, und der lokal mit dem Energiestrahl bestrahlt wird, um das Pulvermaterial lokal zu verfestigen. Insbesondere wird das Pulvermaterial in dem Arbeitsbereich sequenziell schichtweise angeordnet und mit dem Energiestrahl lokal bestrahlt, um - Schicht für Schicht - ein Bauteil herzustellen.
Dass der Arbeitsbereich lokal mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, bedeutet insbesondere, dass nicht der gesamte Arbeitsbereich global - weder instantan noch sequenziell - mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, sondern dass der Arbeitsbereich vielmehr stellenweise, insbesondere an einzelnen, zusammenhängenden oder voneinander getrennten Stellen, mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, wobei der Energiestrahl insbesondere mittels der Scannereinrichtung innerhalb des Arbeitsbereichs verlagert wird. Dass der Arbeitsbereich selektiv mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, bedeutet insbesondere, dass der Arbeitsbereich an ausgewählten, vorbestimmten Stellen oder Orten oder in ausgewählten, vorbestimmten Bereichen mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird. Der Arbeitsbereich ist insbesondere eine Pulvermaterialschicht oder ein vorzugsweise zusammenhängendes Gebiet einer Pulvermaterialschicht, welche/welches mithilfe der Scannereinrichtung durch den Energiestrahl erreichbar ist, das heißt er umfasst insbesondere solche Stellen, Orte oder Bereiche der Pulvermaterialschicht, die mit dem Energiestrahl beaufschlagt werden können.
In einer Ausführungsform ist die Planungseinrichtung ausgebildet als eine Einrichtung, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem Computer, insbesondere Personal Computer (PC), einer Einschubkarte oder Ansteuerkarte, und einem FPGA-Board. In einer Ausführungsform ist die Planungseinrichtung eine RTC6-Ansteuerkarte der SCANLAB GmbH, insbesondere in der an dem den Zeitrang des vorliegenden Schutzrechts bestimmenden Tag aktuell erhältlichen Ausgestaltung.
Insbesondere kann die Planungseinrichtung extern oder separat zu einer Fertigungseinrichtung vorgesehen sein, wobei durch die Planungseinrichtung vorzugsweise ein Datensatz erstellt wird, der dann in geeigneter Weise, beispielsweise mittels eines Datenträgers oder über ein Netzwerk, insbesondere über das Internet, oder über eine andere geeignete drahtlose oder kabelgebundene Übermittlungsform, an eine Fertigungseinrichtung, insbesondere eine Steuereinrichtung einer Fertigungseinrichtung, übermittelt wird. Beispielsweise ist es möglich, dass die Planungseinrichtung aus CAD-Daten CAM-Daten, das heißt insbesondere einen Befehlsablauf, insbesondere ein NC-Programm, zur Steuerung der Fertigungseinrichtung generiert, wobei dieser Befehlsablauf dann an die Fertigungseinrichtung zu deren Steuerung übermittelt wird. Auch ist es möglich, dass der Planungseinrichtung CAD-Daten eines Bauteils übergeben werden, wobei die Planungseinrichtung hieraus den Befehlsablauf für die Fertigungseinrichtung generiert. Die Planungseinrichtung kann aber auch in eine Fertigungseinrichtung integriert sein. Insbesondere kann die Planungseinrichtung in die Steuereinrichtung der Fertigungseinrichtung integriert sein, oder die Steuereinrichtung der Fertigungseinrichtung kann als Planungseinrichtung ausgebildet sein, insbesondere durch Vorsehen einer geeigneten Hardwarekomponente und/oder durch Implementieren eines geeigneten Computerprogrammprodukts, insbesondere einer Software. Beispielsweise ist es möglich, dass der Fertigungseinrichtung dann CAD-Daten eines herzustellenden Bauteils übergeben werden, wobei die Fertigungseinrichtung selbst, insbesondere die in die Steuereinrichtung implementierte Planungseinrichtung, aus den CAD- Daten entsprechende CAM-Daten beziehungsweise einen Befehlsablauf zur Steuerung der Fertigungseinrichtung generiert. Es ist aber auch möglich, dass die Planungseinrichtung eine Mehrzahl von Recheneinrichtungen umfasst, wobei sie insbesondere physisch verteilt ausgebildet ist. Bevorzugt umfasst die Planungseinrichtung dann eine Mehrzahl miteinander vernetzter Recheneinrichtungen. Insbesondere kann die Planungseinrichtung als Datenwolke oder sogenannte Cloud ausgebildet sein, oder die Planungseinrichtung ist Teil einer Datenwolke oder Cloud. Es ist in bevorzugter Ausgestaltung auch möglich, dass die Planungseinrichtung einerseits mindestens eine zu der Fertigungseinrichtung externe Recheneinrichtung und andererseits die Fertigungseinrichtung, insbesondere die Steuereinrichtung der Fertigungseinrichtung, umfasst, wobei dann durch die Planungseinrichtung durchgeführte Schritte teilweise auf der externen Recheneinrichtung und teilweise auf der Fertigungseinrichtung, insbesondere auf der Steuereinrichtung, durchgeführt werden. Insbesondere ist es auch möglich, dass die Planungseinrichtung nicht die vollständige Planung der lokal selektiven Bestrahlung des Arbeitsbereichs übernimmt, sondern nur Teile hiervon; insbesondere ist es möglich, dass die Planungseinrichtung nur denjenigen Teil der Planung der lokal selektiven Bestrahlung des Arbeitsbereichs übernimmt, der sich auf die Bestimmung des wenigstens einen Bestrahlungsparameters in Abhängigkeit von dem Bestrahlungsort auf dem Arbeitsbereich bezieht. Andere Teile der Planung der lokal selektiven Bestrahlung können dagegen in anderen Recheneinrichtungen, insbesondere in zu der Fertigungseinrichtung externen Recheneinrichtung, oder auch in der Fertigungseinrichtung selbst, insbesondere deren Steuereinrichtung, oder aber auch in einer Datenwolke oder Cloud, durchgeführt werden. Insbesondere ist es möglich, dass die Planungseinrichtung von einer anderen Recheneinrichtung erzeugte CAM-Daten oder einen Befehlsablauf, insbesondere ein NC-Programm, verändert, anpasst oder korrigiert, um den wenigstens einen Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit von den Bestrahlungsort zu bestimmen, insbesondere zu verändern.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Bestrahlungsparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einer Leistung des Energiestrahls und einem Konturabstand des Energiestrahls zu einer Bauteilkontur einer auf einer Pulvermaterialschicht in dem Arbeitsbereich zu erzeugenden Bauteilschicht. Ist der Bestrahlungsparameter eine Leistung des Energiestrahls, ist es in vorteilhafter Ausgestaltung möglich, vom Bestrahlungsort abhängige Abweichungen der tatsächlich in den Arbeitsbereich lokal eingestrahlten integralen Leistung oder Leistungsdichte zumindest zu berücksichtigen, vorzugsweise zu kompensieren, wobei solche Abweichungen insbesondere von der lokalen Strahlform und/oder vom Ablenkwinkel - insbesondere über den winkelabhängigen Reflexionsgrad eines Scannerspiegels - abhängen können. Ist der Bestrahlungsparameter ein Konturab stand, kann vorteilhafterweise eine vom Bestrahlungsort abhängige Abweichung in der Strahlform zumindest berücksichtigt, vorzugsweise kompensiert werden.
Insbesondere wird typischerweise für die Ausgestaltung von Konturlinien, das heißt Begrenzungslinien, des herzustellenden Bauteils ein Konturabstand definiert, den ein gedachter oder tatsächlicher Schwerpunkt des Energiestrahls, beispielsweise ein Intensitätsmaximum, oder ein anderer zu Ansteuerungszwecken ausgewählter, ausgezeichneter Punkt des Energiestrahls von einer Konturlinie oder Konturgrenze einhalten muss. Auf diese Weise wird berücksichtigt, dass der Energiestrahl auf dem Arbeitsbereich nicht punktförmig ist, sondern vielmehr eine endliche Breite aufweist, sodass die entstehende Konturlinie zu dem Schwerpunkt des Energiestrahls versetzt ist. Abhängig von der Strahlform ändert sich auch dieser Versatz. Beispielsweise nimmt der Versatz zu, wenn sich der ursprünglich auf dem Arbeitsbereich kreisförmig angenommene Energiestrahl in Richtung der Konturlinie elliptisch verbreitert. Abhängig vom Bestrahlungsort und der dort lokal vorliegenden Strahlform kommt es dann zu Abweichungen der Konturlinie vom eigentlich vorgesehenen Verlauf. Dieses Problem verschärft sich, wenn eine Fertigungseinrichtung eine Mehrzahl von Energiestrahlen aufweist, wobei eine selbe Konturlinie abschnittsweise von verschiedenen Energiestrahlen gebildet wird. Da die Energiestrahlen typischerweise von verschiedenen Orten ausgehen und/oder verschiedene Ablenkwinkel zu der bearbeiteten Konturlinie erfahren, können die Energiestrahlen im Bereich derselben Konturlinie voneinander verschiedene Strahlformen aufweisen. Wird dieser Effekt nicht kompensiert, führt dies zu Versätzen innerhalb derselben Konturlinie, insbesondere im Bereich von Nahtstellen, wo ein von einem Energiestrahl gebildeter Konturlinienabschnitt endet und ein von einem anderen Energiestrahl gebildeter Konturlinienabschnitt beginnt. Insbesondere solche unerwünschten Effekte können vorteilhaft vermieden werden, wenn der Konturabstand als Bestrahlungsparameter abhängig von dem Bestrahlungsort gewählt wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um den Bestrahlungsort durch mindestens einen Ablenkwinkel für den Energiestrahl, und vorzugsweise zusätzlich mindestens eine Winkelkoordinate in dem Arbeitsbereich, zu repräsentieren. Der mindestens eine Ablenkwinkel, insbesondere als Parameter der Scannereinrichtung, charakterisiert vorzugsweise den Bestrahlungsort insbesondere bezüglich seiner radialen Lage in einer Polarkoordinatendarstellung des Arbeitsbereichs. Hierdurch ist in bevorzugter Ausgestaltung eine Form und Größe des Energiestrahlprofils, mithin die Strahlform als solche, definiert. Über die mindestens eine Winkelkoordinate in dem Arbeitsbereich ist bevorzugt zusätzlich eine Ausrichtung der Strahlform im Koordinatensystem des Arbeitsbereichs bekannt. Ist die Strahlform beispielsweise elliptisch, ist eine Ausrichtung der großen Halbachse durch die Winkelkoordinate in dem Arbeitsbereich definiert. Die Winkelkoordinate ist bevorzugt der Winkel, insbesondere Azimut, einer Polarkoordinatendarstellung des Arbeitsbereichs. Insbesondere für die Bestimmung des Konturab stands ist es wichtig, auch die Ausrichtung der Strahlform zu kennen, da von dieser eine effektive Breite der Strahlform abhängt.
Bei einer anderen Ausführungsform der Planungseinrichtung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um den Bestrahlungsort durch kartesische Koordinaten in dem Arbeitsbereich darzustellen. Hierdurch ist der Bestrahlungsort vorteilhaft eindeutig definiert, wobei dann auch sowohl die Strahlform als solche als auch deren Ausrichtung bekannt ist.
Dass die Strahlform und/oder deren Ausrichtung bekannt ist, schließt ein, dass die Strahlform und/oder deren Ausrichtung entweder aus einem geeigneten Datensatz ausgelesen oder eindeutig berechnet oder anderweitig bestimmt werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um eine Konturgrenzverschiebung einer Bauteilkontur einer auf einer Pulvermaterialschicht in dem Arbeitsbereich zu erzeugenden Bauteilschicht, die aus einer von dem Bestrahlungsort abhängigen Abweichung einer Strahlform des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich von einer vorbestimmten Vergleichs-Strahlform resultiert, durch geeignete Wahl des Bestrahlungsparameters zu kompensieren. Hierdurch können vorteilhaft unerwünschte Konturverschiebungen sowie Sprünge und/oder Versätze in der Bauteilkontur reduziert, vorzugsweise vermieden werden. Wie bereits zuvor erläutert, wird ein Konturabstand für einen Schwerpunkt des Energiestrahls typischerweise für eine bestimmte Vergleichs-Strahlform, insbesondere eine kreisförmige Strahlform, festgelegt. Weicht nun abhängig vom Bestrahlungsort die tatsächliche Strahlform von dieser Vergleichs-Strahlform ab, beispielsweise indem der Energiestrahl eine elliptische Strahlform annimmt, ergibt sich eine Veränderung der effektiven Breite der Strahlform und damit auch eine Veränderung der aus der Bestrahlung des Arbeitsbereichs resultierenden Konturgrenze. Dieser Effekt kann insbesondere begrenzt oder vorteilhaft kompensiert werden, indem der Konturabstand des Energiestrahls als entsprechender Bestrahlungsparameter geeignet angepasst wird.
Unter einer Bauteilschicht wird hier eine in dem Arbeitsbereich in der dort angeordneten Pulvermaterialschicht noch zu erzeugende oder bereits erzeugte Schicht des entstehenden Bauteils verstanden, das heißt insbesondere - nach Beendigung der Bestrahlung der Pulvermaterialschicht - diejenigen Bereiche derselben, in denen das Pulvermaterial durch den Energiestrahl verfestigt, insbesondere gesintert oder verschmolzen ist. Im Rahmen des additiven Fertigungsverfahrens wird das Bauteil Bauteilschicht für Bauteilschicht aus den übereinander angeordneten Pulvermaterialschichten sukzessive aufgebaut.
Unter einer Bauteilkontur wird hier eine insbesondere geschlossene Umrandungslinie der Bauteilschicht oder eines Bereichs der Bauteil schicht verstanden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um als den wenigstens einen Bestrahlungsparameter den Konturabstand des Energiestrahls zu einer Bauteilkontur einer auf einer Pulvermaterialschicht in dem Arbeitsbereich zu erzeugenden Bauteilschicht zu bestimmen, und um den Konturabstand zusätzlich in Abhängigkeit von einer Richtung eines Bestrahlungsvektors auf dem Arbeitsbereich zu bestimmen. Die effektive Breite der Strahlform hängt auch von der Richtung des Bestrahlungsvektors ab, sodass unerwünschte Effekte in Zusammenhang mit der Konturgrenzverschiebung besonders vorteilhaft reduziert, vorzugweise vollständig vermieden werden können, wenn auch die Richtung des Bestrahlungsvektors in die Bestimmung des Konturab stands eingeht.
Unter einem Bestrahlungsvektor wird insbesondere eine kontinuierliche, vorzugsweise lineare Verlagerung des Energiestrahls über eine bestimmte Strecke mit bestimmter Verlagerungsrichtung verstanden. Der Bestrahlungsvektor schließt also die Richtung oder Orientierung der Verlagerung ein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um als den wenigstens einen Bestrahlungsparameter den Konturabstand des Energiestrahls zu bestimmen, und um den Konturabstand zusätzlich in Abhängigkeit von einer erwarteten Schmelzbadbreite an dem Bestrahlungsort zu bestimmen. Vorteilhaft geht so die erwartete Ausdehnung des Schmelzbades auf dem Arbeitsbereich mit in die Bestimmung des Konturab stands ein, sodass unerwünschte Effekte in Zusammenhang mit der Konturgrenzverschiebung besonders genau kompensiert werden können. Die erwartete Schmelzbadbreite kann insbesondere von dem verwendeten Pulvermaterial, insbesondere der Wärmeleitung in dem Pulvermaterial, sowie aufgrund der winkelabhängigen Reflexions- und Absorptionseigenschaften des Pulvermaterials gegebenenfalls dem Einstrahlwinkel des Energiestrahls abhängen. Bei einer Ausführungsform der Planungseinrichtung wird die erwartete Schmerzbadbreite berechnet oder numerisch simuliert.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um aus dem Bestrahlungsort eine lokale Strahlform des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich zu bestimmen, und um den wenigstens einen Bestrahlungsparameter abhängig von der lokalen Strahlform zu bestimmen. Diese Ausgestaltung ist sparsam mit Blick auf Speicherplatz, da es keiner Hinterlegung des Bestrahlungsparameters bedarf, vielmehr kann dieser aus dem Bestrahlungsort zur Laufzeit ermittelt werden. Unter einer lokalen Strahlform wird dabei insbesondere die Strahlform-Abweichung der lokalen Strahlform von der Vergleichs- Strahlform verstanden. Alternativ wird unter der lokalen Strahlform wenigstens ein für die lokale Strahlform charakteristischer Strahlform-Parameter verstanden. Die Strahlform kann also insbesondere durch die Abweichung von der Vergleichs-Strahlform oder durch wenigstens einen charakteristischen Strahlform-Parameter beschrieben sein. Gemäß einer Ausführungsform wird die lokale Strahlform in Abhängigkeit von dem Bestrahlungsort berechnet. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird die lokale Strahlform in Abhängigkeit von den Bestrahlungsort aus einem Strahlform-Kennfeld ausgelesen.
Bei einer anderen Ausführungsform der Planungseinrichtung ist vorgesehen, dass diese eingerichtet ist, um den wenigstens einen Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit von dem Bestrahlungsort aus einem Bestrahlungsparameter-Kennfeld auszulesen. Diese Ausgestaltung erlaubt eine besonders schnelle und wenig rechenintensive Ermittlung des Bestrahlungsparameters, da dieser nicht zur Laufzeit berechnet werden muss, sondern vielmehr aus dem Bestrahlungsparameter-Kennfeld ausgelesen wird. Dabei kann in vorteilhafter Weise auch auf eine Hinterlegung oder Ermittlung der lokalen Strahlform verzichtet werden; vielmehr ist es möglich, dass der Bestrahlungsparameter direkt in Abhängigkeit von dem Bestrahlungsort aus dem Bestrahlungsparameter-Kennfeld ausgelesen wird. Das Bestrahlungsparameter- Kennfeld ist dabei bevorzugt vorab bedatet, insbesondere auf der Grundlage von Berechnungen und/oder Simulationen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um als den wenigstens einen Bestrahlungsparameter eine Leistung des Energiestrahls zu bestimmen, und um eine von dem Bestrahlungsort abhängige, strahlformbedingte Abweichung einer Leistungsdichte des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich von einer vorbestimmten Vergleichs-Leistungsdichte durch geeignete Wahl des Bestrahlungsparameters zu kompensieren. Die Leistungsdichte variiert dabei insbesondere mit der Ausdehnung der Strahlform abhängig vom Bestrahlungsort. Insbesondere verteilt sich die integrale Leistung des Energiestrahls bei größerer Ausdehnung der Strahlform auf eine größere Fläche, sodass die Leistungsdichte abnimmt. Durch geeignete Bestimmung des Bestrahlungsparameters kann dann die Leistung des Energiestrahls entsprechend erhöht werden, um diese Abnahme der Leistungsdichte zu kompensieren. Die vorbestimmte Vergleichs- Leistungsdichte bezieht sich bevorzugt auf die vorbestimmte Vergleichs-Strahlform, insbesondere auf eine kreisförmige Strahlform. Alternativ oder zusätzlich ist bei einer Ausführungsform der Planungseinrichtung vorgesehen, dass diese eingerichtet ist, um als den wenigstens einen Bestrahlungsparameter die Leistung des Energiestrahls zu bestimmen, und um eine von einem Ablenkwinkel für den Energiestrahl abhängige Abweichung einer Einstrahlleistung des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich von einer vorbestimmten Vergleichs-Einstrahlleistung durch geeignete Wahl des Bestrahlungsparameters zu kompensieren. Wie bereits ausgeführt, beeinflusst der Ablenkwinkel insbesondere über einen winkelabhängigen Reflexionsgrad des verwendeten Scanner Spiegels die integrale Leistung des Energiestrahls. Ist diese beispielsweise aufgrund eines großen Ablenkwinkels reduziert, kann vorteilhaft die Leistung des Energiestrahls als Bestrahlungsparameter entsprechend erhöht werden, um den Effekt zu kompensieren. Die Vergleichs-Einstrahlleistung bezieht sich dabei bevorzugt auf einen Referenz-Ablenkwinkel, bei dem vorzugsweise der Reflexionsgrad des Scannerspiegels maximal ist, oder auf einen aufgrund geometrischer Erwägungen bestimmten Referenz-Ablenkwinkel, beispielsweise 45°.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um als den wenigstens einen Bestrahlungsparameter die Leistung des Energiestrahls zu bestimmen, und um den Bestrahlungsparameter oder einen Korrekturwert für den wenigstens einen Bestrahlungsparameter abhängig von dem Bestrahlungsort aus einem Ablenkungs-Kennfeld auszulesen, in dem eine winkelabhängige Reflexionscharakteristik eines Scannerspiegels zur Ablenkung des Energiestrahls hinterlegt ist. Dies stellt eine besonders einfache und wenig rechenintensive Umsetzung der zuvor beschriebenen Kompensation dar.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs mit einer Mehrzahl von Energiestrahlen zu planen, und um den wenigstens einen Bestrahlungsparameter zusätzlich in Abhängigkeit von einem an dem Bestrahlungsort eingesetzten Energiestrahl der Mehrzahl von Energiestrahlen zu bestimmen. Wie bereits zuvor erläutert, gehen die verschiedenen Energiestrahlen typischerweise von verschiedenen Orten aus, und/oder Scannereinrichtungen, die den verschiedenen Energiestrahlen jeweils zugeordnet sind, sind zumindest geringfügig relativ zueinander versetzt angeordnet. Damit variiert auch die lokal einem Bestrahlungsort zugeordnete Strahlform zwischen den verschiedenen Energiestrahlen. Dabei verwirklichen sich die bereits zuvor beschriebenen Vorteile in besonderem Maß, wenn auch der an dem Bestrahlungsort spezifisch eingesetzte Energiestrahl in die Bestimmung des wenigstens einen Bestrahlungsparameters eingeht. In bevorzugter Ausgestaltung wird dazu jedem Energiestrahl ein Indexwert oder Referenzwert zugeordnet, sodass der Energiestrahl eindeutig identifiziert werden kann. Der wenigstens eine Bestrahlungsparameter wird dann zusätzlich in Abhängigkeit von dem Indexwert oder Referenzwert bestimmt. Die entsprechenden Vorteile verwirklichen sich in besonderer Weise, wenn entlang einer Konturlinie verschiedene Konturlinienabschnitte mit verschiedenen Energiestrahlen bearbeitet werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs mit einer Mehrzahl von Energiestrahlen zu planen, und um für die Bestrahlung des Arbeitsbereichs an einem Bestrahlungsort - und/oder für einen bestimmten Bestrahlungsvektor - denjenigen Energiestrahl der Mehrzahl von Energiestrahlen auszuwählen, für den zumindest ein Effekt im Vergleich der Energiestrahlen untereinander minimal ist, wobei der wenigstens eine Effekt ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer von dem an dem Bestrahlungsort verwendeten Energiestrahl der Mehrzahl von Energiestrahlen abhängigen Abweichung einer Strahlform auf dem Arbeitsbereich von einer vorbestimmten Vergleichs-Strahlform; einer von dem an dem Bestrahlungsort verwendeten Energiestrahl der Mehrzahl von Energiestrahlen abhängigen, strahlformbedingten Abweichung einer Leistungsdichte auf dem Arbeitsbereich von einer vorbestimmten Vergleichs-Leistungsdichte; und einer von dem an dem Bestrahlungsort verwendeten Energiestrahl der Mehrzahl von Energiestrahlen abhängigen Abweichung einer Einstrahlleistung auf dem Arbeitsbereich von einer vorbestimmten Vergleichs-Einstrahlleistung. Da die verschiedenen Energiestrahlen der Mehrzahl von Energiestrahlen typischerweise von verschiedenen Ursprüngen ausgehen oder an verschiedenen Orten auf den Arbeitsbereich abgelenkt werden, unterscheiden sich die hier genannten Parameter oder Effekte an einem festgehaltenen Bestrahlungsort zwischen den verschiedenen Energiestrahlen, das heißt von Energiestrahl zu Energie strahl. Um vorteilhaft die beschriebenen Effekte möglichst gering zu halten, wird daher in bevorzugter Ausgestaltung durch die Planungseinrichtung an einem bestimmten Bestrahlungsort - und/oder für einen bestimmten Bestrahlungsvektor -, vorzugsweise an jedem Bestrahlungsort - und/oder für jeden Bestrahlungsvektor -, deijenige Energiestrahl der Mehrzahl von Energiestrahlen für die Bestrahlung ausgewählt, für den zumindest einer der genannten Effekte an dem Bestrahlungsort - über die verschiedenen Energiestrahlen betrachtet - minimal, das heißt am geringsten ausgeprägt, ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Planungseinrichtung eingerichtet ist, um eine Lage von wenigstens einem innenliegenden, das heißt insbesondere konturfemen, Bestrahlungsvektor in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Bestrahlungsparameter, insbesondere von dem Konturab stand, zu bestimmen. Vorteilhaft kann so vermieden werden, dass die Änderung des wenigstens einen Bestrahlungsparameters, insbesondere eine Veränderung des Konturab stands, zu einer Überlappung oder einem andersartigen Konflikt zwischen kontumahen Bestrahlungsvektoren und innenliegenden, konturfemen Bestrahlungsvektoren führt. Unter einem innenliegenden oder konturfernen Bestrahlungsvektor, auch als Volumenvektor bezeichnet, wird dabei insbesondere ein Bestrahlungsvektor verstanden, der nicht unmittelbar die Bauteilkontur bildet oder an der Bauteilkontur teilnimmt. Ein solcher Bestrahlungsvektor ist quasi relativ zu der Bauteilkontur innenliegend, innerhalb der Konturlinie, und nicht unmittelbar an die Bauteilkontur angrenzend, das heißt konturfem, angeordnet. Dass die Lage eines innenliegenden Bestrahlungsvektors in Abhängigkeit von dem Bestrahlungsparameter bestimmt wird, bedeutet insbesondere, dass die Lage des Bestrahlungsvektors ausgehend von einer ohne Berücksichtigung des Bestrahlungsparameters bestimmten Lage unter Berücksichtigung des Bestrahlungsparameters verändert wird. Werden nun insbesondere durch Änderung des Konturab stands konturnahe Bauteilvektoren verschoben, besteht die Gefahr, dass diese mit insbesondere benachbarten, innenliegenden Bestrahlungsvektoren überlappen oder anderweitig Konflikte und damit insbesondere ungünstige Bestrahlungsverhältnisse auf dem Arbeitsbereich entstehen. Bevorzugt wird zumindest die Lage aller innenliegenden Bestrahlungsvektoren in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Bestrahlungsparameter bestimmt, die einem konturnahen Bestrahlungsvektor unmittelbar benachbart sind. Vorzugsweise wird durch die Planungseinrichtung die Lage der innenliegenden Bestrahlungsvektoren in dem Maße abnehmend in Abhängigkeit von dem Bestrahlungsparameter bestimmt, in dem der Abstand des jeweiligen innenliegenden Bestrahlungsvektors zu der Konturlinie zunimmt.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial geschaffen wird. Die Fertigungseinrichtung weist eine Strahlerzeugungseinrichtung auf, die eingerichtet ist um einen Energiestrahl zu erzeugen. Die Fertigungseinrichtung weist außerdem eine Scannereinrichtung auf, die eingerichtet ist, um einen Arbeitsbereich lokal selektiv mit dem Energiestrahl zu bestrahlen, um mittels des Energiestrahls ein Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial herzustellen. Außerdem weist die Fertigungseinrichtung eine Steuereinrichtung auf, die mit der Scannereinrichtung wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannereinrichtung anzusteuern. Die Steuereinrichtung weist eine erfindungsgemäße Planungseinrichtung oder eine Planungseinrichtung nach einem oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf, oder sie ist als erfindungsgemäße Planungseinrichtung oder als Planungseinrichtung nach einem oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet. In Zusammenhang mit der Fertigungseinrichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang der Planungseinrichtung erläutert wurden.
Bei einer Ausführungsform ist die Strahlerzeugungseinrichtung eingerichtet, um eine Mehrzahl von Energiestrahlen zu erzeugen, und/oder die Fertigungseinrichtung weist eine Mehrzahl von Strahlerzeugungseinrichtungen zur Erzeugung einer Mehrzahl von Energiestrahlen auf. Es ist möglich, dass für die Mehrzahl von Energiestrahlen eine Mehrzahl von Scannereinrichtungen vorgesehen sind. Es ist aber auch möglich, dass die Scannereinrichtung eingerichtet ist, um eine Mehrzahl von Energiestrahlen - insbesondere unabhängig voneinander - auf dem Arbeitsbereich zu verlagern. Insbesondere kann die Scannereinrichtung hierfür eine Mehrzahl von separat ansteuerbaren Scannern, insbesondere Scannerspiegeln, aufweisen.
Die Scannereinrichtung weist bevorzugt mindestens einen Scanner, insbesondere einen Galvanometer- Scanner, Piezoscanner, Polygonscanner, MEMS-Scanner, und/oder einen relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf auf. Die hier vorgeschlagenen Scannereinrichtungen sind in besonderer Weise geeignet, den Energiestrahl innerhalb des Arbeitsbereichs zwischen einer Mehrzahl von Bestrahlungspositionen zu verlagern.
Unter einem relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf wird hier insbesondere ein integriertes Bauteil der Fertigungseinrichtung verstanden, welches mindestens einen Strahlungsauslass für mindestens einen Energiestrahl aufweist, wobei das integrierte Bauteil, das heißt der Arbeitskopf, als Ganzes entlang zumindest einer Verlagerungsrichtung, vorzugsweise entlang zweier senkrecht aufeinander stehenden Verlagerungsrichtungen, relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbar ist. Ein solcher Arbeitskopf kann insbesondere in Portalbauweise ausgebildet sein oder von einem Roboter geführt werden. Insbesondere kann der Arbeitskopf als Roboterhand eines Roboters ausgebildet sein.
Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Computer, insbesondere Personal Computer (PC), einer Einschubkarte oder Ansteuerkarte, und einem FPGA-Board. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung eine RTC6- Ansteuerkarte der SCANLAB GmbH, insbesondere in der an dem den Zeitrang des vorliegenden Schutzrechts bestimmenden Tag aktuell erhältlichen Ausgestaltung.
Bevorzugt ist die Strahlerzeugungseinrichtung als Laser ausgebildet. Der Energiestrahl wird somit vorteilhaft als intensiver Strahl kohärenter elektromagnetischer Strahlung, insbesondere kohärenten Lichts, erzeugt. Bestrahlung bedeutet insoweit bevorzugt Belichtung.
Die Fertigungseinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet zum selektiven Lasersintem. Alternativ oder zusätzlich ist die Fertigungseinrichtung eingerichtet zum selektiven Laserschmelzen. Diese Ausgestaltungen der Fertigungseinrichtung haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Planen einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs mit einem Energiestrahl geschaffen wird, wobei wenigstens ein Bestrahlungsparameter abhängig von einem Bestrahlungsort auf dem Arbeitsbereich bestimmt wird. In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Planungseinrichtung und der Fertigungseinrichtung erläutert wurden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Bestrahlungsparameter so bestimmt wird, dass zumindest ein Effekt durch die Wahl des Bestrahlungsparameters kompensiert wird, wobei der zumindest ein Effekt ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer aus einer von dem Bestrahlungsort abhängigen Abweichung einer Strahlform des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich von einer vorbestimmten Vergleichs- Strahlform resultierenden Konturgrenzverschiebung einer Bauteilkontur einer auf einer Pulvermaterialschicht in dem Arbeitsbereich zu erzeugenden Bauteilschicht; einer von dem Bestrahlungsort abhängigen, strahlformbedingten Abweichung einer Leistungsdichte des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich von einer vorbestimmten Vergleichs-Leistungsdichte; und einer von dem Bestrahlungsort abhängigen Abweichung einer Einstrahlleistung des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich von einer vorbestimmten Vergleichs-Einstrahlleistung.
Der wenigstens eine Bestrahlungsparameter ist bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einer Leistung des Energiestrahls und einem Konturabstand des Energiestrahls zu einer Bauteilkontur einer auf einer Pulvermaterialschicht in dem Arbeitsbereich zu erzeugenden Bauteilschicht. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Bestrahlungsort durch mindestens einen Ablenkwinkel für den Energiestrahl, vorzugsweise zusätzlich durch mindestens eine Winkelkoordinate in dem Arbeitsbereich, repräsentiert, oder durch kartesische Koordinaten in dem Arbeitsbereich dargestellt.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird als der wenigstens eine Bestrahlungsparameter der Konturabstand bestimmt, wobei dieser zusätzlich in Abhängigkeit von einer Richtung eines Bestrahlungsvektors auf dem Arbeitsbereich bestimmt wird.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Konturabstand zusätzlich in Abhängigkeit von einer erwarteten Schmelzbadbreite an dem Bestrahlungsort bestimmt.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird aus dem Bestrahlungsort eine lokale Strahlform des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich bestimmt, und der wenigstens eine Bestrahlungsparameter wird abhängig von der lokalen Strahlform bestimmt. Alternativ wird der wenigstens eine Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit von dem Bestrahlungsort aus einem Bestrahlungsparameter-Kennfeld ausgelesen.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird als der wenigstens eine Bestrahlungsparameter eine Leistung des Energiestrahls bestimmt, und der wenigstens einen Bestrahlungsparameter oder ein Korrekturwert für den wenigstens einen Bestrahlungsparameter wird abhängig von dem Bestrahlungsort aus einem Ablenkungs-Kennfeld ausgelesen, in dem eine winkelabhängige Reflexionscharakteristik eines Scannerspiegels zur Ablenkung des Energiestrahls hinterlegt ist.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs mit einer Mehrzahl von Energiestrahlen geplant, und der wenigstens eine Bestrahlungsparameter wird zusätzlich in Abhängigkeit von einem an dem Bestrahlungsort eingesetzten Energiestrahl der Mehrzahl von Energiestrahlen bestimmt.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs mit einer Mehrzahl von Energiestrahlen geplant, und die Bestrahlung des Arbeitsbereichs an einem Bestrahlungsort wird derjenige Energiestrahl der Mehrzahl von Energiestrahlen ausgewählt, für den zumindest ein Effekt, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer von dem an dem Bestrahlungsort verwendeten Energiestrahl der Mehrzahl von Energiestrahlen abhängigen Abweichung einer Strahlform auf dem Arbeitsbereich von einer vorbestimmten Vergleichs-Strahlform; einer von dem an dem Bestrahlungsort verwendeten Energiestrahl der Mehrzahl von Energiestrahlen abhängigen, strahlformbedingten Abweichung einer Leistungsdichte auf dem Arbeitsbereich von einer vorbestimmten Vergleichs- Leistungsdichte; und einer von dem an dem Bestrahlungsort verwendeten Energiestrahl der Mehrzahl von Energie strahl en abhängigen Abweichung einer Einstrahlleistung auf dem Arbeitsbereich von einer vorbestimmten Vergleichs-Einstrahlleistung, im Vergleich der Energiestrahlen untereinander minimal ist.
Vorzugsweise wird eine Lage von wenigstens einem innenliegenden, das heißt insbesondere konturfemen, Bestrahlungsvektor in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Bestrahlungsparameter, insbesondere von dem Konturab stand, bestimmt.
Insbesondere umfasst das Verfahren wenigstens einen Verfahrensschritt, der bereits in Zusammenhang mit der Planungseinrichtung als vorteilhafte oder bevorzugte Ausgestaltung der Planungseinrichtung erläutert wurde.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Computerprogrammprodukt geschaffen wird, das maschinenlesbare Anweisungen umfasst, aufgrund derer ein erfindungsgemäßes Verfahren oder ein Verfahren nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf einer Recheneinrichtung durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Recheneinrichtung läuft. Die Recheneinrichtung ist in bevorzugter Ausgestaltung eine Planungseinrichtung zur Planung einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs mit einem Energiestrahl. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Recheneinrichtung eine Steuereinrichtung einer Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial. In Zusammenhang mit dem Computerprogrammprodukt ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Planungseinrichtung, der Fertigungseinrichtung und dem Verfahren zum Planen erläutert wurden.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Verfahren zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial mittels einer erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung oder einer Fertigungseinrichtung nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen geschaffen wird, wobei ein Arbeitsbereich lokal selektiv mit dem Energiestrahl bestrahlt wird, um mittels des Energiestrahls das Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial herzustellen, wobei die Bestrahlung mit dem abhängig von dem Bestrahlungsort bestimmten Bestrahlungsparameter durchgeführt wird. In Zusammenhang mit dem Verfahren zum Fertigen ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Planungseinrichtung, der Fertigungseinrichtung, dem Verfahren zum Planen und dem Computerprogrammprodukt erläutert wurden.
Als Strahlerzeugungseinrichtung wird vorzugsweise ein Laser verwendet.
Vorzugsweise wird das Bauteil mittels selektiven Lasersinterns und/oder selektiven Laserschmelzens gefertigt.
Als Pulvermaterial kann in bevorzugter Weise insbesondere ein metallisches oder keramisches Pulver verwendet werden.
Die Aufgabe wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungseinrichtung mit einem Ausführungsbeispiel einer Planungseinrichtung;
Figur 2 eine erste schematische Darstellung einer Funktionsweise der Fertigungseinrichtung gemäß Figur 1;
Figur 3 eine zweite schematische Darstellung der Funktionsweise der Fertigungseinrichtung gemäß Figur 1 und zugleich einer Funktionsweise der Planungseinrichtung, und
Figur 4 eine dritte schematische Darstellung der Funktionsweise der Fertigungseinrichtung gemäß Figur 1 und zugleich der Planungseinrichtung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungseinrichtung 1 zum additiven Fertigen eines Bauteils 3 aus einem Pulvermaterial. Die Fertigungseinrichtung 1 weist eine Strahlerzeugungseinrichtung 5 auf, die eingerichtet ist, um einen Energiestrahl 7 zu erzeugen. Bevorzugt ist die Strahlerzeugungseinrichtung 5 als Laser eingerichtet, und der Energiestrahl 7 ist entsprechend ein Laserstrahl. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei separate Energiestrahlen 7, nämlich ein erster Energiestrahl 7.1, ein zweiter Energiestrahl 7.2, und ein dritter Energiestrahl 7.3, vorgesehen. Diese können von derselben Strahlerzeugungseinrichtung 5 - beispielsweise über geeignete Strahlteiler - erzeugt sein. Es ist aber auch möglich, dass jedem Energiestrahl 7 eine separate Strahlerzeugungseinrichtung 5 zugeordnet ist. Auch ist möglich, dass eine Mehrzahl von Energiestrahlen 7 von einer selben, gemeinsamen Strahlerzeugungseinrichtung 5 erzeugt werden, während andere Energiestrahl 7 von mindestens einer anderen Strahlerzeugungseinrichtung 5 erzeugt werden.
Die Fertigungseinrichtung 1 weist außerdem eine Scannereinrichtung 9 auf, die eingerichtet ist, um einen Arbeitsbereich 11 lokal selektiv mit dem Energiestrahl 7 zu bestrahlen, um mittels des Energiestrahls 7 das Bauteil 3 aus dem in dem Arbeitsbereich 11 angeordneten Pulvermaterial herzustellen. Weiter weist die Fertigungseinrichtung 1 eine Steuereinrichtung 13 auf, die mit der Scannereinrichtung 9 wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannereinrichtung 9 anzusteuern, insbesondere um den Energiestrahl 7 innerhalb des Arbeitsbereichs 11 zu verlagern.
Die Scannereinrichtung 9 weist hier für jeden Energiestrahl 7 einen separaten Scannerspiegel 15, nämlich für den ersten Energiestrahl 7.1 einen ersten Scanner spiegel 15.1, für den zweiten Energiestrahl 7.2 einen zweiten Scanner spiegel 15.2, und für den dritten Energiestrahls 7.3 einem dritten Scannerspiegel 15.3, auf. Alternativ ist es auch möglich, dass jedem Energiestrahl 7 eine separate Scannereinrichtung 9 zugeordnet ist, oder dass einer Mehrzahl von Energiestrahlen 7 eine gemeinsame Scannereinrichtung 9 zugeordnet ist, während anderen Energiestrahlen 7 mindestens eine andere Scannereinrichtung 9 zugeordnet ist.
Die verschiedenen Energiestrahlen 7 werden an verschiedenen Orten erzeugt oder zumindest - wie hier dargestellt - von den verschiedenen, ihnen jeweils zugeordneten Scannerspiegeln 15 an verschiedenen Orten auf den Arbeitsbereich 11 reflektiert. Somit ergeben sich für ein und denselben Bestrahlungsort 17 auf dem Arbeitsbereich 11 verschiedene Strahlformen für die verschiedenen Energiestrahlen 7, jeweils abhängig von einem jeweiligen Einstrahlwinkel (p.
Die Steuereinrichtung 13 ist hier als Planungseinrichtung 19 ausgebildet. Alternativ ist es möglich, dass die Steuereinrichtung 13 eine Planungseinrichtung 19 aufweist.
Die Planungseinrichtung 19 ist eingerichtet, um die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs 11 mit dem Energiestrahl 7 zu planen. Die Planungseinrichtung 19 ist eingerichtet, um wenigstens einen Bestrahlungsparameter abhängig von dem Bestrahlungsort 17 auf dem Arbeitsbereich 11 zu bestimmen.
Fig. 2 zeigt eine erste schematische Darstellung einer Funktionsweise der Fertigungseinrichtung 1 gemäß Figur 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Bei a) ist eine Draufsicht auf den Arbeitsbereich 11 dargestellt. Weiterhin sind schematisch verschiedene Strahlformen 21 dargestellt, die sich für einen der Energiestrahlen 7 auf dem Arbeitsbereich 11 abhängig von dem Bestrahlungsort 17 ergeben. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit ergibt sich an einer bestimmten Position auf dem Arbeitsbereich 11, hier im Zentrum, abhängig von der Anordnung des dem Energiestrahl 7 zugeordneten Scannerspiegels 15 eine quasi ungestörte Vergleichs-Strahlform 23, die hier kreisförmig ist. Wird der Energiestrahl 7 aus dieser bestimmten Position von dem ihm zugeordneten Scannerspiegel 15 ausgelenkt, ändert sich die Strahlform 21, insbesondere wird sie bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel elliptisch verformt. Dabei hängt die Ausprägung der Abweichung von der Vergleichs-Strahlform 23 von dem Bestrahlungsort 17, insbesondere von einem Ablenkwinkel y am Scanner spiegel - siehe Fig. 1 - oder der Entfernung des Bestrahlungsort 17 vom Zentrum ab. Eine Ausrichtung der Strahlform 21, hier insbesondere eine Ausrichtung der großen Halbachse der elliptischen Strahlform 21, hängt insbesondere von einer Winkelkoordinate 0 in dem Arbeitsbereich 11 ab. Der Bestrahlungsort 17 auf dem Arbeitsbereich 11 kann durch kartesische Koordinaten x, y oder durch Polarkoordinaten r, 0 - mit der Winkelkoordinate 0 - beschrieben werden. Außerdem hängt die Abweichung von der Vergleichs-Strahlform 23 - wie in Zusammenhang mit Figur 1 erläutert - von dem am Bestrahlungsort 17 konkret eingesetzten Energiestrahl 7.1, 7.2, 7.3 ab.
Insbesondere die sich aufgrund dieser Abweichung von der Vergleichs-Strahlform 23 in Abhängigkeit von dem Bestrahlungsort 17 ergebenden Effekte können vorteilhaft reduziert oder kompensiert werden, wenn der wenigstens eine Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit von dem Bestrahlungsort 17 bestimmt wird.
Die Planungseinrichtung 19 ist insbesondere eingerichtet, um als den wenigstens einen Bestrahlungsparameter eine Leistung des Energiestrahls 7 und/oder einen Konturabstand d des Energiestrahls 7, insbesondere eines gedachten Schwerpunkts 25 des Energiestrahls 7, zu einer Bauteilkontur 27 einer auf einer Pulvermaterialschicht 29 in dem Arbeitsbereich 11 zu erzeugenden Bauteilschicht 31 zu bestimmen.
Bei b) ist außerdem ein Bestrahlungsvektor 33 dargestellt. Eine Betrachtung dieser Darstellung zeigt, dass eine effektive Breite B der Strahlform 21 zusätzlich auch von der Richtung des Bestrahlungsvektors 33 abhängt. Insbesondere ergibt sich die effektive Breite B der Strahlform 21 in Abhängigkeit von einem Winkel a, den die große Halbachse b der Strahlform 21 mit dem Bestrahlungsvektor 33 einschließt, insbesondere nach folgender Gleichung:
B = b sin a . (1)
Die Planungseinrichtung 19 ist daher bevorzugt eingerichtet, um den Konturabstand d zusätzlich auch in Abhängigkeit von der Richtung des Bestrahlungsvektors 33 auf dem Arbeitsbereich 11 zu bestimmen.
Vorzugsweise ist die Planungseinrichtung 19 alternativ oder zusätzlich eingerichtet, um den Konturabstand d auch in Abhängigkeit von einer erwarteten Schmelzbadbreite an dem Bestrahlungsort 17 zu bestimmen.
Vorzugsweise ist die Planungseinrichtung 19 eingerichtet, um aus dem Bestrahlungsort 17 die lokale Strahlform 21 des Energiestrahls 7 zu bestimmen, und um den wenigstens einen Bestrahlungsparameter abhängig von der lokalen Strahlform 21 zu bestimmen. Alternativ ist die Planungseinrichtung 19 bevorzugt eingerichtet, um den wenigstens einen Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit von dem Bestrahlungsort 17 aus einem Bestrahlungsparameter-Kennfeld auszulesen.
Von der Strahlform 21 hängt auch die Leistungsdichte des Energiestrahls 7 auf dem Arbeitsbereich 11 ab. Daher ist die Planungseinrichtung 19 bevorzugt eingerichtet, um eine von dem Bestrahlungsort 17 abhängige, strahlformbedingte Abweichung der Leistungsdichte von einer vorbestimmten Vergleichs-Leistungsdichte, insbesondere der Leistungsdichte der Vergleichs-Strahlform 23 als der Vergleichs-Leistungsdichte, durch geeignete Wahl des Bestrahlungsparameters zu kompensieren.
Die Planungseinrichtung 19 ist bevorzugt eingerichtet, um den wenigstens einen Bestrahlungsparameter zusätzlich in Abhängigkeit von dem an dem Bestrahlungsort 17 spezifisch eingesetzten Energiestrahl 7.1, 7.2, 7.3 der Mehrzahl von Energiestrahlen 7 zu bestimmen.
Die Planungseinrichtung 19 ist bevorzugt eingerichtet, um die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs 11 mit einer Mehrzahl von Energiestrahlen 7 zu planen, und um für die Bestrahlung des Arbeitsbereichs 11 an einem Bestrahlungsort 17 denjenigen Energiestrahl 7 der Mehrzahl von Energiestrahlen 7 auszuwählen, für den zumindest ein Effekt, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus: Der von dem an dem Bestrahlungsort 17 verwendeten Energiestrahl 7 der Mehrzahl von Energie strahl en 7 abhängigen Abweichung der Strahlform 21 auf dem Arbeitsbereich 11 von der vorbestimmten Vergleichs-Strahlform 23; einer von dem an dem Bestrahlungsort 11 verwendeten Energiestrahl 7 der Mehrzahl von Energiestrahlen 7 abhängigen, strahlformbedingten Abweichung der Leistungsdichte auf dem Arbeitsbereich von der vorbestimmten Vergleichs-Leistungsdichte; und der von dem an dem Bestrahlungsort 11 verwendeten Energiestrahl 7 der Mehrzahl von Energiestrahlen 7 abhängigen Abweichung einer Einstrahlleistung auf dem Arbeitsbereich 11 von einer vorbestimmten Vergleichs- Einstrahlleistung, im Vergleich der Energiestrahlen 7 untereinander minimal ist.
Die Planungseinrichtung 19 ist bevorzugt eingerichtet, um eine Lage von wenigstens einem innenliegenden, das heißt insbesondere konturfernen, Bestrahlungsvektor 33 in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Bestrahlungsparameter, insbesondere von dem Konturabstand d, zu bestimmen.
Fig. 3 zeigt eine zweite schematische Darstellung der Funktionsweise der Fertigungseinrichtung gemäß Figur 1 und zugleich einer Funktionsweise der Planungseinrichtung 19.
Bei a) ist beispielhaft ein Bauteil 3 in Draufsicht auf eine Bauteilschicht 31 dargestellt, wobei insbesondere die Bauteilkontur 27 dargestellt ist. Mit D ist ein Detail der Bauteilkontur 27 gekennzeichnet, das im Folgenden näher betrachtet wird:
Bei b) ist anhand des Details D eine Situation dargestellt, bei der die Bauteilkontur 27 abschnittsweise mit dem ersten Energiestrahl 7.1, dem zweiten Energiestrahl 7.2, und dem dritten Energiestrahl 7.3 erzeugt wird, wobei für alle drei Energiestrahlen 7 kleine, einander ähnliche Ablenkwinkel y verwendet werden. Insbesondere ist es möglich, dass die Bestrahlungsorte 17 entlang der Bauteilkontur 27 zentrumsnah in dem Arbeitsbereich 11 angeordnet sind. Entsprechend weisen alle drei Energiestrahlen 7 eine gleich große, zumindest annähernd kreisförmige Strahlform 21 auf. In diesem Fall ist es möglich, für alle Energiestrahlen 7 den gleichen Konturabstand d zu wählen.
Bei c) ist demgegenüber eine Situation dargestellt, in der das Detail D der Bauteilkontur 27 so auf dem Arbeitsbereich 11 angeordnet ist, dass sich für die Energiestrahlen 7 deutlich verschiedene Ablenkwinkel y ergeben. Insbesondere ist es möglich, dass die Bauteilkontur 27 zentrumsfern auf dem Arbeitsbereich 11 angeordnet ist. Die Energiestrahlen 7 weisen in dieser Situation voneinander verschiedene Strahlformen 21 auf, die insbesondere verschieden groß sein, und/oder verschiedene Formen und/oder verschiedene Ausrichtungen aufweisen können. Wird in diesem Fall - wie bei c) dargestellt - derselbe Konturabstand d für alle Energiestrahlen 7 verwendet, ergeben sich Versätze zwischen den durch die verschiedenen Energiestrahlen 7 gebildeten, tatsächlichen Bauteilkonturen 27.1, 27.2, 27.3.
Bei d) ist dieselbe Situation wie bei c) dargestellt, allerdings mit individuell für die verschiedenen Energiestrahlen 7.1, 7.2, 7.3 in Abhängigkeit einerseits von dem Bestrahlungsort 17 und andererseits von dem konkret verwendeten Energiestrahl 7 gewählten, jeweils verschiedenen Konturab ständen di, d ., ds. Dabei ist erkennbar, dass durch geeignete entsprechende Wahl des Konturab stands d die zuvor beschriebenen unerwünschten Effekte, insbesondere die Versätze in der Bauteilkontur 27, vermieden werden können.
Daher ist die Planungseinrichtung 19 bevorzugt eingerichtet, um die aus einer von dem Bestrahlungsort 17 abhängigen Abweichung der Strahlform 21 von der vorbestimmten Vergleichs-Strahlform 23 resultierende Konturgrenzverschiebung durch geeignete Wahl des Bestrahlungsparameters, insbesondere des Konturab stands d, zu kompensieren. Insbesondere ist die Planungseinrichtung 19 eingerichtet, um den Konturabstand d zusätzlich in Abhängigkeit von der Richtung des Bestrahlungsvektors 33 auf dem Arbeitsbereich 11 zu bestimmen. Insbesondere ist die Planungseinrichtung 19 eingerichtet, um den Konturabstand d zusätzlich in Abhängigkeit von einer erwarteten Schmelzbadbreite an dem Bestrahlungsort 17 zu bestimmen. Weiterhin ist die Planungseinrichtung 19 bevorzugt eingerichtet, um den wenigstens einen Bestrahlungsparameter, insbesondere den Konturabstand d, zusätzlich in Abhängigkeit von dem an dem Bestrahlungsort 17 spezifisch eingesetzten Energiestrahl 7 zu bestimmen.
Fig. 4 zeigt eine dritte schematische Darstellung der Funktionsweise der Fertigungseinrichtung 1 gemäß Figur 1 und zugleich der Planungseinrichtung 19. Insbesondere zeigt Figur 4 ein Diagramm, bei dem der winkelabhängige Reflexionsgrad R eines Scanner Spiegels 15 gegen die Wellenlänge abgetragen ist. Dabei ist erkennbar, dass der Reflexionsgrad R bei festgehaltener Wellenlänge - insbesondere bei größeren Ablenkwinkeln y- stark winkelabhängig ist. Somit ist auch die integrale, am Bestrahlungsort 17 eingestrahlte Einstrahlleistung des Energiestrahls 7 stark von dem Ablenkwinkel y abhängig. Dieser Effekt kann durch geeignete Anpassung der Leistung des Energiestrahls 7 in Abhängigkeit von dem Bestrahlungsort 17 zumindest teilweise ausgeglichen, vorzugsweise kompensiert werden. Die Planungseinrichtung 19 ist daher bevorzugt eingerichtet, um eine von dem Ablenkwinkel / abhängige Abweichung der Einstrahlleistung von der vorbestimmten Vergleichs-Einstrahlleistung durch geeignete Wahl des Bestrahlungsparameters, insbesondere der Leistung des Energie Strahls 7, zu kompensieren. Die Planungseinrichtung 19 ist bevorzugt außerdem eingerichtet, um den Bestrahlungsparameter oder einen Korrekturwert für den wenigstens einen Bestrahlungsparameter abhängig von dem Bestrahlungsort 17 aus einem Ablenkungs-Kennfeld auszulesen, wobei in dem Ablenkungs- Kennfeld eine winkelabhängige Reflexionscharakteristik eines Scannerspiegels 15 zur Ablenkung des Energiestrahls 7 hinterlegt ist. In einem solchen Ablenkungs-Kennfeld können insbesondere Werte hinterlegt sein, wie sie aus dem Diagramm von Figur 4 hervorgehen.
Im Rahmen eines Verfahrens zum additiven Fertigen des Bauteils 3 aus einem Pulvermaterial mittels der Fertigungseinrichtung 1 wird bevorzugt der Arbeitsbereich 11 lokal selektiv mit dem Energiestrahl 7 bestrahlt, um mittels des Energiestrahls 7 das Bauteil 3 aus dem in dem Arbeitsbereich 11 angeordneten Pulvermaterial herzustellen. Die Bestrahlung wird dabei mit dem abhängig von dem Bestrahlungsort 17 bestimmten Bestrahlungsparameter durchgeführt.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Planungseinrichtung (19) zur Planung einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs (11) mit einem Energiestrahl (7), um mittels des Energiestrahls (7) ein Bauteil (3) aus einem in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterial herzustellen, wobei die Planungseinrichtung (19) eingerichtet ist, um wenigstens einen Bestrahlungsparameter abhängig von einem Bestrahlungsort (17) auf dem Arbeitsbereich (11) zu bestimmen.
2. Planungseinrichtung (19) nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine Bestrahlungsparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einer Leistung des Energiestrahls (7) und einem Konturabstand (d) des Energiestrahls (7) zu einer Bauteilkontur (27) einer auf einer Pulvermaterialschicht (29) in dem Arbeitsbereich (11) zu erzeugenden Bauteilschicht (31).
3. Planungseinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planungseinrichtung (19) eingerichtet ist, um den Bestrahlungsort (17)
- durch mindestens einen Ablenkwinkel (/) für den Energiestrahl (7), und vorzugsweise zusätzlich mindestens eine Winkelkoordinate (0) in dem Arbeitsbereich (11), zu repräsentieren, oder
- durch kartesische Koordinaten in dem Arbeitsbereich (11) darzustellen.
4. Planungseinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planungseinrichtung (19) eingerichtet ist, um eine aus einer von dem Bestrahlungsort (17) abhängigen Abweichung einer Strahlform (21) des Energiestrahls (7) auf dem Arbeitsbereich (11) von einer vorbestimmten Vergleichs-Strahlform (23) resultierende Konturgrenzverschiebung einer Bauteilkontur (27) einer auf einer Pulvermaterialschicht (29) in dem Arbeitsbereich (11) zu erzeugenden Bauteilschicht (31) durch geeignete Wahl des Bestrahlungsparameters zu kompensieren.
5. Planungseinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planungseinrichtung (19) eingerichtet ist, um als den wenigstens einen Bestrahlungsparameter einen Konturabstand (d) des Energiestrahls (7) zu einer Bauteilkontur (27) einer auf einer Pulvermaterialschicht (29) in dem Arbeitsbereich (11) zu erzeugenden Bauteilschicht (31) zu bestimmen, und um den Konturabstand (d) zusätzlich in Abhängigkeit von einer Richtung eines Bestrahlungsvektors (33) auf dem Arbeitsbereich (11) zu bestimmen.
6. Planungseinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planungseinrichtung (19) eingerichtet ist, um als den wenigstens einen Bestrahlungsparameter einen Konturabstand (d) des Energiestrahls (7) zu einer Bauteilkontur (27) einer auf einer Pulvermaterialschicht (29) in dem Arbeitsbereich (11) zu erzeugenden Bauteilschicht (31) zu bestimmen, und um den Konturabstand (d) zusätzlich in Abhängigkeit von einer erwarteten Schmelzbadbreite an dem Bestrahlungsort (17) zu bestimmen.
7. Planungseinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planungseinrichtung (19) eingerichtet ist, um
- aus dem Bestrahlungsort (17) eine lokale Strahlform (21) des Energiestrahls (7) auf dem Arbeitsbereich (11) zu bestimmen, und um den wenigstens einen Bestrahlungsparameter abhängig von der lokalen Strahlform (21) zu bestimmen, oder
- den wenigstens einen Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit von dem Bestrahlungsort (17) aus einem Bestrahlungsparameter-Kennfeld auszulesen.
8. Planungseinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planungseinrichtung (19) eingerichtet ist, um als den wenigstens einen Bestrahlungsparameter eine Leistung des Energiestrahls (7) zu bestimmen, und um eine von dem Bestrahlungsort (17) abhängige, strahlformbedingte Abweichung einer Leistungsdichte des Energiestrahls (7) auf dem Arbeitsbereich (11) von einer vorbestimmten Vergleichs-Leistungsdichte, und/oder eine von einem Ablenkwinkel (/) für den Energiestrahl (7) abhängige Abweichung einer Einstrahlleistung des Energiestrahls (7) auf dem Arbeitsbereich (11) von einer vorb estimmten V ergl ei ch s-Ein strahll ei stung durch geeignete Wahl des Bestrahlungsparameters zu kompensieren.
9. Planungseinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planungseinrichtung (19) eingerichtet ist, um als den wenigstens einen Bestrahlungsparameter eine Leistung des Energiestrahls (7) zu bestimmen, und um den Bestrahlungsparameter oder einen Korrekturwert für den wenigstens einen Bestrahlungsparameter abhängig von dem Bestrahlungsort (17) aus einem Ablenkungs-Kennfeld auszulesen, in dem eine winkelabhängige Reflexionscharakteristik eines Scannerspiegels (15) zur Ablenkung des Energiestrahls (7) hinterlegt ist.
10. Planungseinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planungseinrichtung (19) eingerichtet ist, um die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs (11) mit einer Mehrzahl von Energiestrahlen (7) zu planen, und um den wenigstens einen Bestrahlungsparameter zusätzlich in Abhängigkeit von einem an dem Bestrahlungsort (17) eingesetzten Energiestrahl (7) der Mehrzahl von Energiestrahlen (7) zu bestimmen.
11. Planungseinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planungseinrichtung (19) eingerichtet ist, um die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs (11) mit einer Mehrzahl von Energiestrahlen (7) zu planen, und um für die Bestrahlung des Arbeitsbereichs (11) an einem Bestrahlungsort (17) denjenigen Energiestrahl (7) der Mehrzahl von Energiestrahlen (7) auszuwählen, für den zumindest ein Effekt, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einer von dem an dem Bestrahlungsort (17) verwendeten Energiestrahl (7) der Mehrzahl von Energiestrahlen (7) abhängigen Abweichung einer Strahlform (21) auf dem Arbeitsbereich (11) von einer vorbestimmten Vergleichs-Strahlform (23), einer von dem an dem Bestrahlungsort (17) verwendeten Energiestrahl (7) der Mehrzahl von Energiestrahlen (7) abhängigen, strahlformbedingten Abweichung einer Leistungsdichte auf dem Arbeitsbereich (11) von einer vorbestimmten Vergleichs- Leistungsdichte, und einer von dem an dem Bestrahlungsort (17) verwendeten Energiestrahl (7) der Mehrzahl von Energiestrahlen (7) abhängigen Abweichung einer Einstrahlleistung auf dem Arbeitsbereich (11) von einer vorbestimmten Vergleichs-Einstrahlleistung, im Vergleich der Energiestrahlen (7) untereinander minimal ist.
12. Planungseinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planungseinrichtung (19) eingerichtet ist, um eine Lage von wenigstens einem innenliegenden Bestrahlungsvektor (33) in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Bestrahlungsparameter, insbesondere von dem Konturabstand (<7), zu bestimmen.
13. Fertigungseinrichtung (1) zum additiven Fertigen von Bauteilen (3) aus einem Pulvermaterial, mit - einer Strahlerzeugungseinrichtung (5), die eingerichtet ist zum Erzeugen eines Energiestrahls (7), einer Scannereinrichtung (9), die eingerichtet ist, um einen Arbeitsbereich (11) lokal selektiv mit dem Energiestrahl (7) zu bestrahlen, um mittels des Energiestrahls (7) ein Bauteil (3) aus dem in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterial herzustellen, und mit
- einer Steuereinrichtung (13), die mit der Scannereinrichtung (9) wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannereinrichtung (9) anzusteuem, wobei
- die Steuereinrichtung (13) eine Planungseinrichtung (19) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist oder als Planungseinrichtung (19) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist.
14. Verfahren zum Planen einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs (11) mit einem Energiestrahl (7), um mittels des Energiestrahls (7) ein Bauteil (3) aus einem in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterial herzustellen, wobei wenigstens ein Bestrahlungsparameter abhängig von einem Bestrahlungsort (17) auf dem Arbeitsbereich (11) bestimmt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der wenigstens einen Bestrahlungsparameter so bestimmt wird, dass zumindest ein Effekt, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einer aus einer von dem Bestrahlungsort (17) abhängigen Abweichung einer Strahlform (21) des Energiestrahls (7) auf dem Arbeitsbereich (11) von einer vorbestimmten Vergleichs-Strahlform (23) resultierenden Konturgrenzverschiebung einer Bauteilkontur (27) einer auf einer Pulvermaterialschicht (29) in dem Arbeitsbereich (11) zu erzeugenden Bauteilschicht (31), einer von dem Bestrahlungsort (17) abhängigen, strahlformbedingten Abweichung einer Leistungsdichte des Energiestrahls (7) auf dem Arbeitsbereich (11) von einer vorbestimmten Vergleichs-Leistungsdichte, und einer von dem Bestrahlungsort (17) abhängigen Abweichung einer Einstrahlleistung des Energiestrahls (7) auf dem Arbeitsbereich (11) von einer vorbestimmten Vergleichs- Einstrahlleistung, durch die Wahl des Bestrahlungsparameters kompensiert wird.
16. Computerprogrammprodukt, umfassend maschinenlesbare Anweisungen, aufgrund derer ein Verfahren nach Anspruch 14 oder 15 auf einer Recheneinrichtung durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Recheneinrichtung läuft.
17. Verfahren zum additiven Fertigen eines Bauteils (3) aus einem Pulvermaterial mittels einer Fertigungseinrichtung (1) nach Anspruch 13, wobei ein Arbeitsbereich (11) lokal selektiv mit dem Energiestrahl (7) bestrahlt wird, um mittels des Energiestrahls (7) das Bauteil (3) aus dem in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterial herzustellen, wobei die Bestrahlung mit dem abhängig von dem Bestrahlungsort (17) bestimmten Bestrahlungsparameter durchgeführt wird.
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