WO2023232928A1 - Verfahren und vorrichtung zur generierung von steuerdaten für eine vorrichtung zur additiven fertigung eines bauteils - Google Patents

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WO2023232928A1
WO2023232928A1 PCT/EP2023/064657 EP2023064657W WO2023232928A1 WO 2023232928 A1 WO2023232928 A1 WO 2023232928A1 EP 2023064657 W EP2023064657 W EP 2023064657W WO 2023232928 A1 WO2023232928 A1 WO 2023232928A1
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Dominik Kunz
Harald Krauss
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Eos Gmbh Electro Optical Systems
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device (“control data generation device”) for generating control data for a device for the additive manufacturing of a component in a manufacturing process in which the component is in the form of component layers in a construction field by selective solidification of building material by means of irradiation of the building material at least one energy beam is built up.
  • the invention further relates to corresponding control data, a method for the additive manufacturing of a component with such control data, a device for additive manufacturing, and a control device for such a device.
  • additive manufacturing processes are those manufacturing processes in which a manufactured product (“component”) is usually built on the basis of digital 3D design data by depositing material (the “construction material”). The structure is usually, but not necessarily, done in layers.
  • 3D printing is often used as a synonym for additive manufacturing; the production of models, samples and prototypes with additive manufacturing processes is often referred to as “rapid prototyping”, the production of tools as “rapid tooling” and flexible Production of series components is referred to as “rapid manufacturing”.
  • a key point is the selective solidification of the building material, with this solidification being achieved in many manufacturing processes with the help of irradiation with radiant energy, e.g. B. electromagnetic radiation, in particular light and / or heat radiation, but possibly also with particle radiation such as. B. electron radiation can take place.
  • radiant energy e.g. B. electromagnetic radiation, in particular light and / or heat radiation, but possibly also with particle radiation such as. B. electron radiation can take place.
  • processes that work with irradiation are “selective laser sintering” or “selective laser melting”.
  • Thin layers of a mostly powdery building material are repeatedly applied one on top of the other and in each layer the building material is selectively solidified by spatially limited irradiation of the areas that are to be part of the component to be manufactured after production in a “welding process” in which the powder grains of the building material are with the help partially or completely melted by the energy introduced locally at this point by the radiation. During cooling, these powder grains then solidify together to form a solid.
  • the energy beam is usually directed along solidification paths over the The construction field is guided and the remelting or solidification of the building material in the respective layer takes place in the form of “welding tracks” or “welding beads”, so that ultimately there are a large number of such layers formed from welding tracks in the component. In this way, components with very high quality and breaking strength can now be manufactured.
  • a preferred object of the invention is to increase the stability of the manufacturing process and in particular to prevent production from being aborted or to prevent problems with the application of the building material in places with increased heat development or radiation.
  • Another preferred task is to reduce the support volume (and thus the part costs) and thus increase the process speed, which has a beneficial effect on the component costs.
  • a method according to the invention is used to generate control data for a device for the additive manufacturing of a component in a manufacturing process in which the component is constructed in the form of component layers in a construction field by selective solidification of building material by irradiating the building material with at least one energy beam.
  • the control data does not yet represent a finished component, however, represent a component because a component consists of layers of solidification tracks that have been solidified according to the control data.
  • the method according to the invention comprises the following steps:
  • process space sensor data set of a currently solidified component layer of the component by means of a sensor arrangement, the process space sensor data set comprising at least spatially resolved thermal data of a number of areas of this component layer,
  • each special area being an area with predetermined, systematic shape features and / or manufacturing features in the component layer
  • a correction factor module which assigns correction factors or corrected irradiation values to at least a partial area of a subsequent component layer, the correction factors or the corrected irradiation values being generated from the process space sensor data set and being generated in the special areas according to different rules than in other areas of the target form outside the special areas,
  • the construction material is preferably a metal powder or at least a metal-based powder.
  • a powder preferably contains more than 50 percent by weight of metal, in particular more than 60 percent by weight, 70 percent by weight, 80 percent by weight or even more than 90 percent by weight of metal.
  • the invention is not limited to this, but can also be used with other, preferably powdery, construction materials, such as plastics or ceramics or mixtures of the various materials.
  • building material solidified in particular selectively
  • irradiating the building material with at least one energy beam generated by an irradiation unit of the manufacturing device (this means an energetic beam made of photons or particles, for example a light beam or an electron beam).
  • an energy beam generated by an irradiation unit of the manufacturing device
  • the energy beam usually goes a little deeper into the material bed and also reaches underlying, already remelted material from previously applied material layers.
  • the process room sensor data set with the thermal data can be recorded, for example, with a thermal imaging camera, e.g. with a CMOS camera with a spectral filter in the near-infrared range, but this is not absolutely necessary.
  • a scanning measuring method can also be used, in which a spatial resolution - alone or additionally - is given by a respective scanning position, and / or a measuring method in which the sensor is arranged in the beam path of the processing machine (on axis) and the spatial resolution - alone or additionally - is given by a current processing position.
  • Spatially resolved “heat data” refers to information about heat distribution in at least one area of the component layer or an entire component layer. Information about various points on the component layer must be available along with the position of these points.
  • an infrared image of the component layer could represent the thermal data, since thermal information is assigned to points in the component layer in this image.
  • the thermal data does not necessarily have to be a thermal image from a thermal camera, but can be obtained in another way.
  • the process space sensor data set therefore shows, for example, a component layer or at least a component area in this component layer as a thermal image.
  • the absolute temperature does not necessarily have to be measured directly for the thermal data; the pixel values of a temperature-sensitive camera are sufficient (basically the "gray values").
  • the temperature can be easily estimated from the evaluation alone.
  • the heat data can reflect a temperature in both absolute and relative values.
  • a baseline for the temperature values is measured for a machine or a construction process (even on different machines) and the temperature is estimated based on a change relative to the baseline. This change can be "small” (e.g. at very high baselines) or "large” (e.g. at very low baselines).
  • the process space control data set contains data on the geometric shape of the component layer under consideration and/or on irradiation paths for manufacturing this component layer (target shape).
  • the term “providing” means that it can be easily obtained, for example if the data is already available from another source, or can be generated, for example from CAD data of a component or from control data.
  • the target shape should enable a reconstruction of the component layer in question.
  • the process space control data set can include parallel sections of a CAD-generated component (at least one section) or scan vectors for producing a component layer (or many component layers) of a component with respect to the target shape.
  • this information would be enough to keep inhomogeneities in the energy input as low as possible.
  • the energy entered is measured using a sensor arrangement, for example by measuring the heat radiation of a component layer with a radiation sensor. Areas with excessive heat radiation can then be detected in these measurements and the corresponding areas can be solidified in the subsequent component layer with a lower energy input. The same applies to areas that radiate too little heat. In this way, inhomogeneities can be iteratively compensated for.
  • this compensation cannot be optimally applied in some areas of a component because the data from the sensor arrangement does not necessarily reflect correct values for the real thermal radiation or these areas “function” thermally differently than other areas. These are, for example, areas with corners or sharp curves in the component, edge areas of the component or very small structures within a component. In general, it can be said that wherever there is a risk that the resolution of the sensor arrangement does not allow an exact separation of areas with different energy input or where an energy input that deviates from the environment is specifically desired, this general method cannot offer optimal compensation for inhomogeneities . These areas are in particular edge areas, i.e. where there is a large energy input for solidification on one side and no energy input on the other side, since no solidification should take place. These areas can also be areas in which there are stripes of hatching overlap with each other and appear conspicuous in a sensor system that integrates layers, although in reality they do not have to be.
  • Each special area is an area with predetermined, systematic shape and/or manufacturing features in the component layer.
  • Shape features are features of the geometric shape or position, for example that the area is on the edge of a cross section of a component to be solidified, the area is smaller than the resolution of the sensor arrangement or is imaged insufficiently precisely by the sensor arrangement or in the area due to the shape or due to a Location on or near a surface of the later component, special thermal conditions prevail, e.g. in tight curves or tapers.
  • Manufacturing features would be, for example, an overlap of solidification paths in a component layer, a local increase in the distances between the solidification paths in a component layer, a local change in the thickness or depth of solidification paths or local changes in the irradiation (e.g. by pulses or by choosing a different process window, such as e.g. local hardening using heat conduction welding with a general choice of deep welding process).
  • Special shape features and manufacturing features can also be present in combination, as it may be that a special local manufacturing mode is selected due to a special shape.
  • the expression “predetermined systematic” means that it is already apparent from the process room control data set (and, if applicable, the experience in manufacturing components) that special thermal conditions prevail during production in these areas.
  • edge of a component represents a thermally problematic area.
  • a special area could also be referred to as a (systematically special) “overheating area”, “error heating area”, “deviation area” or “special correction area”.
  • a special area can be an area that requires or would require post-treatment if it does not experience an increased temperature during production.
  • a special area can be an area that is to be thermally post-treated or that is intended to change/improve its properties or the properties of the component (e.g. hardness, mechanical strength, density, etc.) during the production of the Component is solidified with different parameters (e.g. laser parameters: beam profile, laser intensity).
  • a determination of these special areas to corresponding areas of the target shape is preferably carried out automatically, for example in which automatically each edge area of a component layer of the target shape with a predetermined width, each overlap area or each clearly delimited area below a predetermined volume or a predetermined area in the building level is classified as a special area.
  • What exactly should be classified as a special area can, for example, be taken from a given list, but could also be specified manually through user input. It is particularly preferred if a user can enter or change the parameters for automatic classification of special areas using changeable presets.
  • the process space sensor data set contains spatially resolved thermal data from a number of areas of the component layer. For a better understanding, this is referred to below as the “thermal image of the component layer”, although this term does not exclude other possibilities in which spatially resolved thermal data from a number of areas of the component layer could be available.
  • This assignment of the special areas to corresponding areas of the “thermal image of the component layer” is preferably carried out automatically, for example by automatically classifying each area of the thermal image whose correspondence in the target form has been classified as a special area is also classified as a special area in the thermal image.
  • This assignment can be done purely in terms of information technology by adding a marker to an area of the thermal image of the component layer that indicates that this is a special area or by adding a marking to this area in an image (e.g. a special color).
  • a mask can also be created that indicates which areas in the thermal image of the component layer are to be viewed as special areas. How exactly the information about the special area is assigned to the target shape (e.g.
  • the subsequently generated correction factor module assigns correction factors or corrected irradiation values, which are generated from the process space sensor data set, to at least a portion of a (directly) subsequent component layer (i.e. immediately resting on the other component layer after its production).
  • the correction factor module preferably comprises a program and/or a database, wherein the program preferably comprises automated access to a database, the access comprising using and/or modifying and/or storing and/or overwriting data that is at least on based on the process room sensor data set and/or the process room control data set.
  • the correction factors act in particular on a power and/or a focus diameter of the energy beam and/or its beam profile or intensity distribution and/or a scanning speed and/or a hatch distance.
  • the term “laser correction factor” (or LCF) or “laser power correction factor” can also be used.
  • the correction factor module could also be referred to as an “energy input parameter module” or “volume energy module”, e.g. B. with a volume energy as a reference quantity.
  • a “module” in the sense of the correction factor module is an element that is intended to be used to apply or collect a plurality or variety of correction factors. It can only contain data which are the correction factors or from which the correction factors can be determined, but also a functionality with which correction factors can be determined or they can even be applied to control commands.
  • the module itself can be implemented in software, for example in the form of a table, function, list or data set, or implemented in hardware, for example in the form of an FPGA or a processor or controller with a memory unit.
  • the correction factor module is therefore preferably a software-based or hardware-based element which includes data in the form of correction factors or includes data and/or functions by means of which the correction factors can be determined.
  • the correction factor module can be in the form of a correction factor map which has the correction factors in the form of a matrix.
  • the correction factor map can certainly include pixels or grid cells that correspond in particular to the pixels in the thermal image and, instead of color values or gray values, include scalar sizes that indicate correction factors.
  • the correction factor module can alternatively or additionally also be in the form of a correction factor function KF, which is preferably a two-dimensional function. The correction factors at a two-dimensional spatial position (x, y) in the component layer can then simply be the function values of the correction factor function KF (x, y) at the corresponding locations.
  • the correction factor function can be generated, for example, from a correction factor map by fitting a two-dimensional polynomial function. Even though it is more complicated to create than a map, a function has the advantage of smaller memory requirements, since only function coefficients need to be stored, and better scalability. The use of such a correction factor function can also have advantages for correction without taking the special areas into account.
  • a corresponding procedure then alternatively includes the following steps:
  • a correction factor function which assigns correction factors or corrected irradiation values to at least a partial area of a subsequent component layer, the correction factors or the corrected irradiation values being generated from the process space sensor data set and preferably being generated in the special areas according to different rules than in other areas of the target -Form outside the special areas,
  • the correction factors or corrected irradiation values in the special areas are generated according to different rules than in other areas of the target shape outside the special areas. This is because “other rules” also apply in the special areas.
  • the data from pixels of a thermal imaging camera reflect what heat has been radiated from a surface area on the building level.
  • a first pixel that has recorded an unsolidified area shows lower heat than a second pixel that has recorded a newly solidified area.
  • a third pixel, which has an edge area with solidified and unsolidified areas, will show a lower heat than the second pixel and a higher heat than the first pixel, even if the solidified area should be the same temperature everywhere.
  • the correction factor module does not have to refer to the entire construction area. Different areas of the construction area can be corrected by different KF modules. For example, an overall correction map can be formed from a composition of correction factor maps (KF maps). A construction process is preferably regulated pixel by pixel according to points on these KF maps, whereby the regulation is better the higher the resolution a KF map is. Accordingly, a group of correction factor functions can also be used, with each correction factor function being applied to an area of the construction area. Preferably, fixed irradiation values are corrected during production with the correction factor and/or the correction factor directly supplies the irradiation values.
  • the correction factor is preferably a relative correction factor that is multiplied by a predetermined laser power or by which a predetermined laser power is divided.
  • the KF module can therefore include correction factors with which irradiation values are then corrected or irradiation values that have already been corrected. It is clear that the correction factors are chosen so that if the energy input is too high At a point in the subsequent layer there is a lower energy input at this point, which is calculated in particular in such a way that a desired energy input occurs.
  • a subsequent component layer In order to compensate for inhomogeneities, a subsequent component layer must be irradiated. In the case in which the subsequent component layer should still have inhomogeneities after its production, the method can be carried out for the next component layer based on the component layer that has just been manufactured. After a few iterations, the energy input will be homogenized with a sensible choice of correction factors.
  • control data for the additive manufacturing of a subsequent component layer is corrected based on the correction factor module (e.g. a correction factor map or function) and the corrected control data is output to a device for additive manufacturing of a component so that a new component layer can be manufactured.
  • the correction factor module e.g. a correction factor map or function
  • This new component layer or a process space sensor data set of this new component layer should now serve as the basis for a new run through of the process for the next component layer.
  • the KF module can be saved last, especially after the component has been manufactured, and used to produce further components. If the KF module does not include any correction methods, but rather corrected irradiation data (and particularly preferably corrected control data), it could be viewed as control data according to the invention.
  • control data according to the invention can be generated, which are used to control a device for additive manufacturing.
  • these control data are characterized by the fact that they are corrected so that inhomogeneities in the temperature distribution are compensated for during production.
  • the temperature distribution itself is not compensated for, but rather an inhomogeneous temperature distribution of a current layer is taken into account for compensating irradiation in the subsequent layer.
  • the heat balance of a single layer is regulated, but also, with a correspondingly smaller effect, the heat balance of many already solidified layers up to the overall heat balance of a component or even the simultaneous production of several components.
  • the correction factors of the correction factor module are usually first combined with the original control data (vectorized) in the machine controller and passed on to an exposure controller as “microsteps” (control signals in the scanning cycle of the manufacturing device).
  • microsteps control signals in the scanning cycle of the manufacturing device.
  • the control data also preferably includes further construction instructions such as a quantity of construction material, which may be provided locally selectively for a layer application, and in particular also the lowering of the construction platform between the production of the component layers.
  • a quantity of construction material which may be provided locally selectively for a layer application, and in particular also the lowering of the construction platform between the production of the component layers.
  • the component is built in layers in the form of component layers in a construction field by selective solidification of building material, preferably comprising a metal-based powder, by irradiating the building material with at least one energy beam in accordance with the control data according to the invention.
  • the energy beam is moved over the construction field according to the control data, i.e. with corrected irradiation parameters.
  • a control data generation device is used to generate control data according to the invention (according to the method according to the invention) for a device for the additive manufacturing of a component in a manufacturing process in which the component is formed in a construction field in the form of component layers by selective solidification of building material, preferably comprising a metal-based powder. is constructed by irradiating the building material with at least one energy beam.
  • the control data generation device includes the following components:
  • a data interface designed to receive a process space control data set comprising information about a target shape of the currently solidified component layer, and a process space sensor data set of a currently solidified component layer of the component recorded by means of a sensor arrangement, the process space sensor data set comprising at least spatially resolved thermal data of a number of areas of this component layer,
  • a registration unit designed to define a number of special areas in the target shape, each special area being an area with predetermined, systematic shape features and / or manufacturing features in the component layer, and to assign the number of special areas to corresponding areas of the number of areas in the process room sensor data set,
  • a module unit designed to generate a correction factor module, which assigns correction factors or the corrected irradiation values to at least a partial area of a subsequent component layer, the correction factors or corrected irradiation values being generated from the process space sensor data set and being generated in the special areas according to rules other than outside the special areas,
  • correction unit designed to correct control data for the additive manufacturing of a subsequent component layer based on the correction factor module
  • a data interface (possibly the one mentioned above or another) designed to output the corrected control data to a device for the additive manufacturing of a component.
  • a control device serves a device for the additive manufacturing of a component in a manufacturing process in which the component in the form of component layers is layered in a construction field by selective solidification of building material, preferably comprising a metal-based powder, by irradiating the building material with at least one energy beam using an irradiation device is constructed.
  • the control device is designed to control the device for additive manufacturing of the component layers of the component according to control data according to the invention.
  • the control device according to the invention preferably comprises a control data generation device according to the invention.
  • a device according to the invention (“manufacturing device”) is used for the additive manufacturing of at least one component in an additive manufacturing process. At least it includes
  • an irradiation device in order to selectively solidify building material by irradiation with at least one energy beam, in particular between the application of two material layers, and
  • the device according to the invention can also have several irradiation devices, which are then controlled in a coordinated manner with the control data, as mentioned above.
  • the energy beam can also consist of several superimposed energy beams or that the energy beam is both particle radiation and electromagnetic radiation, such as. B. light or preferably laser radiation.
  • the invention can be implemented in particular in the form of a computer unit, in particular in a control device, with suitable software.
  • This refers in particular to the creation of control data, since the production of a component takes place using additional components.
  • the computer unit can, for example, have one or more cooperating microprocessors or the like.
  • it can be implemented in the form of suitable software program parts in the computer unit.
  • a largely software-based implementation has the advantage that previously used computer units, in particular in control devices of manufacturing devices, can be easily retrofitted by a software or firmware update in order to work in the manner according to the invention.
  • a corresponding computer program product with a computer program, which can be loaded directly into a memory device of a computer unit, with program sections for all steps of the method according to the invention (at least those that relate to the generation of control data, but possibly also those that serve to transmit the control data for a manufacturing process) when the program is executed in the computer unit.
  • One such computer program product In addition to the computer program, additional components such as documentation and/or additional components, including hardware components such as. B. Hardware keys (dongles etc.) for using the software.
  • a computer-readable medium for example a memory stick, a hard drive or another transportable or permanently installed data carrier, can be used, on which the program sections of the computer program that can be read and executed by a computer unit are stored .
  • the process room sensor data set is adapted according to existing (previously determined) calibration data or according to an adaptation function (e.g. a fit algorithm). It is preferred that the sensor arrangement is calibrated first and the process space sensor data set is recorded with the calibrated sensor arrangement. Alternatively, it is preferred that prefabricated calibration data is available and the process space sensor data set is adjusted after it has been recorded by the sensor arrangement. It is preferred that the special areas are registered or otherwise mapped to corresponding areas in the process space sensor data set using an adaptation algorithm. The latter has the advantage that the sensor data can be calibrated directly depending on whether they come from a special area or not.
  • an adaptation function e.g. a fit algorithm
  • a component edge area of the component layer is specifically considered a special area depending on the type of component, the type of production or the user. It can be specified, for example by defaults or by user specifications, what is to be viewed as a special area.
  • the following areas of a component are preferred special areas. Individual alternatives or groups of the following alternatives can be selected as specifications for special areas. - A component edge area of the component layer,
  • a hatching strip possibly made up of consolidation tracks arranged parallel to one another and next to one another
  • tapers i.e. in which the consolidation tracks have a shorter length than a standard or maximum length
  • an area that is smaller than the optical resolution of the sensor arrangement i.e. a smallest possible area of the component layer that can be individually measured by the spatially resolving sensor arrangement
  • an area with support structures preferably wherein a wall thickness or a strut thickness or a diameter of the support structures is smaller than that it can be fully resolved with the sensor (e.g. ⁇ 5x pixel resolution, e.g. approx. 500pm).
  • the number of special areas is assigned to the corresponding positions in the process space sensor data set by means of image registration.
  • a method based on enhanced correlation coefficients is preferred (see e.g. Georgios D. Evangelidis and Emmanouil Z. Psarakis "Parametric Image Alignment Using Enhanced Correlation Coefficient Maximization", IEEE transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 30, No. 10, October 2008).
  • the correction factors of the correction factor module for a special area are interpolated or extrapolated from the correction factors for a number of component areas of the target shape adjacent to the special area. This is done in particular by interpolating correction factors of opposing component areas or by interpolating correction factors of a component area and predetermined values outside the component, or correction factors of a component area. This is particularly advantageous if the special area is an area where thermal aftertreatment is to be carried out.
  • the correction factors of the correction factor module for a special area are formed from predetermined, constant correction factors.
  • the correction factors of the correction factor module for a special area are determined by interpolating methods from image processing, which are based on a continuous continuation of the gray values, in particular based on coloring algorithms or inpainting algorithms.
  • the correction factors of the correction factor module for a special area be formed based on a model of a theoretical temperature change or the local heat conduction properties. This is particularly advantageous if the special area is an area where thermal aftertreatment is to be carried out.
  • a correction factor in particular a limit value module, in particular a limit value function or a limit value map with spatially resolved maximum and/or minimum values.
  • the correction factors are then preferably generated in such a way that they do not exceed the maximum values and/or do not fall below the minimum values.
  • the correction factors are generated from the process space sensor data set outside the number of special areas using a controller, in particular a PD controller, a PI controller or a PID controller. It is preferred that the correction factors be within a special area, i.e. where they are generated according to different rules than in other areas:
  • the controller is preferably used in the classic way, with parameterizable proportional, differential and/or integral components being used.
  • a control system is particularly preferably completely SW-based.
  • the parameters of the controller can be set in particular on a component-specific basis.
  • the method is preferably used for several successive component layers.
  • Control data is preferably used together with a number of corresponding correction factor modules and/or with corrected ones Tax data is saved.
  • the correction factor modules can already contain corrected irradiation values, but the corrected control data can contain further data than the corrected irradiation values. It is particularly preferred to save all correction factor modules or corrected control data obtained by the method, since these are interrelated.
  • a process space sensor data set results from a component layer manufactured with corrected control data.
  • the method according to the invention can also be applied to control data that has already been corrected, provided it is known that it has already been corrected and in what way. Basically, only the correction factors have to be designed accordingly. For example, corrected control data obtained from one component can undergo an additional correction when applied to another component. Alternatively, corrected control data, which comes from a component, e.g. B. has the same shape, is to be made from the same material and to which the same requirements are placed with regard to its component properties, have been obtained, will undergo an additional correction when applied to another copy of this component.
  • control data that was corrected without taking special areas into account can now be optimized using the method, for example by only specifically correcting the special areas and retaining the remaining correction factors.
  • a shape and/or position of the subsequent component layer is provided in addition to a process space control data set.
  • Correction factors especially for downskin areas, i.e. surface areas or areas close to the surface of a component that are used in the manufacturing process in the manufacturing device above unsolidified powder and adjacent to it, are then preferably derived from the process space control data sets of both component layers.
  • the subsequent component layer is also taken into account, i.e. basically the target shapes of these component layers.
  • the invention has the additional advantage that reduced cooling times can be expected, at least during the production of components.
  • production can also be carried out with higher packing densities, as temperature-related distances between components can be reduced.
  • the component can be heat treated, e.g. for metallic components, after-annealing with optional subsequent quenching. Depending on the desired quality, subsequent heat treatment may even be mandatory.
  • the components are heated in an oven to a predetermined temperature after they have been manufactured and then, if necessary, cooled in a liquid bath.
  • the temperature in the chamber is usually between 300°C and 350°C.
  • a common temperature for the production of metal parts is between 250-300°C.
  • a further preferred embodiment addresses this problem and solves the problem that a desired component property should be set in the component through a different heat distribution of areas of the layers.
  • a component property is preferably a special structure of the internal structure and/or an internal stress structure or a further mechanical property.
  • a mechanical property can in particular be a predetermined hardness, a mechanical strength, a density and/or a porosity of the component.
  • a special The task is to create a component with areas of different structures, which determine the mechanical properties of the component.
  • a particular task that could be solved by the invention would be the production of a component in which a special area with a smaller porosity is to be built through heat treatment, which has better hardness and/or mechanical strength due to its greater density.
  • a component in which the mechanical strength should also be influenced by the (different) structure of the component areas can refer to both grains that adhere together and to a crystal structure.
  • a grain does not necessarily have to be a crystal, but can certainly be part of a crystal structure (e.g. the grain in metals).
  • a structure can be determined by an arrangement (relative or absolute) and/or by a size (relative or absolute) and/or by a shape of the crystals or grains.
  • Another special task would be the production of a component in which internal stresses should be resolved. As a rule, this involves stresses that develop as the component cools down. However, internal tensions can also be created in a targeted manner.
  • the step of subsequent heat treatment for example after-annealing, can be avoided or simplified. This requires that the component has a (possibly much) higher temperature during its production than is normally intended during its production, at least in some areas.
  • a special area can preferably be used to produce a particularly homogeneous temperature distribution during production.
  • This special area could also be referred to as a “special homogeneity area”.
  • a special area intended for heat treatment could also be referred to as a “heat treatment special area”.
  • this number of special areas can include a number of homogeneity special areas and/or a number of heat treatment special areas (possibly both types of special areas).
  • a A predetermined, systematic manufacturing feature of a special heat treatment area can be the creation or release of an internal stress or the production of a predetermined structure. In practice, the special heat treatment areas in particular are usually specified.
  • a special heat treatment area preferably also has a special homogeneity area which corresponds to a partial area, in particular the edge, of the special heat treatment area.
  • This special homogeneity area has the advantage that the heat treatment special area can be treated very homogeneously at a (predetermined) temperature.
  • a homogeneity correction factor module is used to make the temperature as homogeneous as possible over an area of the component layer; a heat treatment correction factor module is used to modify the specified temperature so that heat treatment is carried out in a special area during production a predetermined power is introduced there before, and/or during and/or after solidification and the special area is heated there more or less than the surrounding areas or a number of additional times.
  • a heat treatment correction factor module may well lead to a correction in which a special area is irradiated two or more times instead of once (at a higher or lower temperature) (e.g. once for solidification and then and/or before for heat treatment).
  • the heat treatment correction factor module is used to assign correction factors or corrected irradiation values with which a relevant special area has a different temperature is manufactured or treated than the surrounding areas.
  • the control data that is corrected is already designed so that the heat treatment (for metal components, for example post-annealing) takes place during production. The correction then ensures that this heat treatment takes place homogeneously in the component and/or ensures that the desired temperature or the temperature necessary for heat treatment is reached during production.
  • the areas in which heat treatment is to take place are preferably larger than the special areas or the special areas are part of the areas in which heat treatment is to take place.
  • the special areas here are basically homogeneity special areas.
  • a laser power greater than 400 W, in particular greater than 600 W or even greater than 800 W is preferred.
  • the laser power is preferably smaller than 1200 W, in particular smaller than 1100 W or even smaller than 1000 W.
  • a preferred focus diameter is larger than 60 pm, in particular larger than 80 pm or even larger than 100 pm.
  • the focus diameter is preferably smaller than 10 mm, in particular smaller than 1 mm.
  • Particularly preferred focus diameters are smaller than 260 pm, in particular smaller than 220 pm or even smaller than 180 pm.
  • the correction factor module is basically the above-mentioned heat treatment correction factor module. This module assigns a correction factor or a corrected irradiation value that includes a predetermined radiation power. It is preferred that, in the course of correcting the control data, a homogeneity correction factor module is used in addition to the heat treatment correction factor module.
  • a heat treatment correction factor module therefore assigns correction factors or corrected irradiation values for a heat treatment of the relevant special area, which raise or lower the temperature before and/or during and/or after the solidification of the special area in such a way that the relevant special area has a higher or is manufactured at a lower temperature than neighboring areas, so that heat treatment takes place there during production.
  • both a homogeneity correction factor module and a heat treatment correction factor module assign corrected irradiation values
  • these two modules should take irradiation values into account when correcting the control data.
  • values could be added, e.g by adding up the time periods that are specified for beam guidance, so that the beam requires a longer time to travel along a path and therefore introduces more heat there.
  • the heat treatment correction factor module can also ensure that irradiation takes place again.
  • the homogeneity correction factor module can ensure that a homogeneity special area within a heat treatment special area is heat treated differently than its surroundings in order to achieve a particularly homogeneous heat treatment.
  • Selected special areas of the component are specifically heat treated at a different temperature than others.
  • an interior area can be heated more or less than an exterior area, or areas in which different forces prevail when the component is later used are heat-treated differently than other component areas.
  • some areas of the component can be specifically made softer or harder or more brittle or more elastic than other areas of the component.
  • different areas can be thermally treated differently so that they have a different structure.
  • a heat treatment according to The invention enables partial areas of the component to receive heat treatments at different temperatures. These sub-areas can, for example, be areas that are intended to have better mechanical properties and/or a different structure than other areas. Specific areas can also be excluded from the heat treatment or heated again. It is preferred that areas that have already solidified are heated again after solidification (if necessary several times). In this case, the heat treatment takes place through this additional heating.
  • "normal" control data is used for the additive manufacturing of a subsequent component layer and then corrected based on the heat treatment correction factor module (e.g. a heat treatment map or function).
  • the heat treatment correction factor module particularly preferably specifies inhomogeneous irradiation (for the inhomogeneous heat treatment).
  • control data corrected in this way is then output to a device for the additive manufacturing of a component so that a new component layer can be manufactured.
  • This new component layer or a process space sensor data set of this new component layer then preferably serves as the basis for a new run through of the method for the next component layer.
  • the cooling of areas of a component layer is preferably controlled by adjusting the laser parameters so that internal stresses are reduced or avoided by means of a desired controlled cooling behavior.
  • An increased temperature is preferably achieved by adjusting the laser power and/or the beam profile.
  • a special area that experiences a higher effective temperature during manufacturing due to beam deformation or intensity change i.e. an area that is to undergo heat treatment
  • an overheat area where the overheating is caused by a change in radiation intentionally is induced.
  • the laser intensity is gradually reduced in some special areas so that the component or a partial area of the component is cooled in a controlled manner.
  • the (heat treatment) correction factor module can be saved last, especially after the component has been manufactured, and used to produce further components.
  • a heat treatment correction factor module which assigns correction factors or corrected irradiation values for a heat treatment to at least a partial area of a subsequent component layer, the correction factors or the corrected irradiation values for the heat treatment being generated from predetermined conditions and in at least a part of the special areas according to other rules are generated than in other areas of the target shape outside the special areas,
  • a homogeneity correction factor module which assigns correction factors or corrected irradiation values to at least a partial area of a subsequent component layer, the correction factors or the corrected irradiation values being generated from the process space sensor data set and being generated in the special areas according to other rules than in other areas of the target form outside the special areas,
  • a certain high temperature level can be maintained globally or locally over the component over the duration of the construction process.
  • areas can be created that have locally different properties than the entire component.
  • a big-spot or beam-shaping process for example, is better suited to this than a standard process, as significantly more power is available to build a part significantly "hotter” than necessary.
  • subsequent heat treatment can be saved or added can be used to adapt the component properties in a further special way, for example by particularly hardening the wall area of the component again.
  • FIG. 1 shows a schematic, partially sectioned view of an exemplary embodiment of a device for additive manufacturing
  • Figure 2 shows a sketch for an energy input and correction factors at the edge of a component layer
  • Figure 3 shows a possible process space sensor data set for a component layer and its target shape
  • FIG. 4 shows a block diagram of a possible process sequence of an exemplary embodiment of a method according to the invention
  • Figure 6 shows a normal correction of control data according to the prior art
  • Figure 7 shows an optimized correction of control data.
  • Such a manufacturing device 1 is shown schematically in Figure 1.
  • the device has a process chamber 3 or a process space 3 with a chamber wall 4 in which the manufacturing process essentially takes place.
  • the process chamber 3 there is an upwardly open container 5 with a container wall 6.
  • the upper opening of the Container 5 forms the current working level 7.
  • the area of this working level 7 located within the opening of the container 5 can be used to build the object 2 and is therefore referred to as construction area 8.
  • the container 5 has a base plate 11 which is movable in a vertical direction V and which is arranged on a carrier 10. This base plate 11 closes the container 5 at the bottom and thus forms its bottom.
  • the base plate 11 can be formed integrally with the carrier 10, but it can also be a plate formed separately from the carrier 10 and attached to the carrier 10 or simply stored on it.
  • a building platform 12 can be attached to the base plate 11 as a building base on which the object 2 is built. In principle, the object 2 can also be built on the base plate 11 itself, which then forms the construction base.
  • the basic construction of the object 2 is carried out by first applying a layer of building material 13 to the building platform 12, then - as explained later - with a laser beam 22 as an energy beam at the points which are to form parts of the object 2 to be manufactured, the building material 13 is selectively solidified, then with the help of the carrier 10 the base plate 11, thus the building platform 12 is lowered and a new layer of the building material 13 is applied and selectively solidified, etc.
  • the object 2 built in the container on the building platform 12 is below the working level 7 is shown in an intermediate state. It already has several solidified layers, surrounded by building material 13 that remains unsolidified.
  • Various materials can be used as building material 13, preferably powder, in particular metal powder, plastic powder, ceramic powder, sand, filled or mixed powder or even pasty materials and optionally a mixture of several materials .
  • Fresh building material 15 is located in a storage container 14 of the manufacturing device 1. With the help of a coater 16 that can be moved in a horizontal direction H, the building material can be applied in the working plane 7 or within the construction area 8 in the form of a thin layer.
  • an additional radiation heater 17 in the process chamber 3. This can be used to heat the applied building material 13 so that the irradiation device used for the selective solidification does not use too much energy must bring in.
  • An infrared radiator or VCSEL radiator, for example, can be used as the radiant heater 17.
  • the manufacturing device 1 has an irradiation device 20 or, more specifically, an exposure device 20 with a laser 21.
  • This laser 21 generates a laser beam 22, which is deflected via a deflection device 23 in order to travel along the exposure paths or tracks (hatch lines) provided in accordance with the exposure strategy in the layer to be selectively solidified and to selectively introduce the energy.
  • this laser beam 22 is suitably focused on the working plane 7 by a focusing device 24.
  • the irradiation device 20 is here preferably outside the process chamber 3 and the laser beam 22 is guided into the process chamber 3 via a coupling window 25 attached to the top of the process chamber 3 in the chamber wall 4.
  • the irradiation device 20 can, for example, comprise not just one but several lasers.
  • This can preferably be a gas or solid-state laser or any other type of laser such as.
  • B. act laser diodes in particular VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) or VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) or a row of these lasers.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • VECSEL Very External Cavity Surface Emitting Laser
  • one or more unpolarized single-mode lasers e.g. B. a 3 kW fiber laser with a wavelength of 1070 nm can be used.
  • Production is monitored with the sensor arrangement 18.
  • This can, for example, include a radiation sensor, e.g. a thermal imaging camera, and measures spatially resolved thermal data of a number of areas of a component layer B.
  • a control device 30 comprising a control unit 29, which controls the components of the irradiation device 20, namely here the laser 21, the deflection device 23 and the focusing device 24, and for this purpose transfers control data PS to them accordingly.
  • the control unit 29 also controls the radiant heater 17 using suitable heating control data HS, the coater 16 using coating control data ST and the movement of the carrier 10 using carrier control data TS and thus controls the layer thickness.
  • the control device 30 is, here z. B. via a bus 60 or another data connection, coupled to a terminal 40 with a display or the like. An operator can use this terminal 40 to control the control device 30 and thus the entire laser sintering device 1, e.g. B. by transmitting process control data PS.
  • control data PS is generated or modified in the manner according to the invention by means of a control data generation device 34 in such a way that the device 1 is controlled at least temporarily in a mode according to the invention.
  • the control data generation device 34 here comprises a data interface 35, designed to receive a process space control data set KD comprising information on a target shape F of the currently solidified component layer B, and the process space sensor data set SD of the currently solidified component layer B of the component 2 (see, for example, Figure 3) .
  • the process space sensor data set SD includes the spatially resolved heat data recorded by the sensor arrangement 18.
  • control data generating device 34 includes a registration unit 36, designed to define a number of special areas S in the target shape F, each special area S being an area with predetermined, systematic shape features and/or manufacturing features in the component layer B.
  • registration unit 36 is designed to assign the number of special areas S to corresponding areas of the number of areas in the process space sensor data set SD.
  • control data generating device 34 includes a module unit 37, designed to generate a correction factor map KK as a correction factor module KK.
  • This correction factor card KK assigns correction factors KF or the corrected irradiation values to at least a partial area of a subsequent component layer B1.
  • the correction factors KF or corrected irradiation values are generated from the process room sensor data set SD and are generated in the special areas S according to different rules than outside the special areas S.
  • control data generating device 34 includes a correction unit 38, designed to correct control data PS for the additive manufacturing of a subsequent component layer B1 based on the correction factor map KK.
  • the corrected control data PS can then be output to the device 1 for the additive manufacturing of a component 2 via the data interface 35, although another data interface can also be used for this.
  • the present invention is not limited to such a manufacturing device 1. It can be applied to other methods for the generative or additive production of a three-dimensional object by layer-by-layer application and selective solidification of a building material, with an energy beam being delivered to the building material to be solidified for solidification.
  • the irradiation device can not only be a laser, as described here, but any device could be used with which energy can be selectively applied to or into the building material as wave or particle radiation.
  • another light source, an electron beam, etc. could be used instead of a laser.
  • the building material is scanned layer by layer by the energy beam 22 at locations that correspond to the cross sections of the objects in the respective layer.
  • Figure 2 shows a sketch for an energy input and correction factors KF at the edge of a component layer B.
  • the arrow at the bottom indicates a spatial component, the arrow on the left indicates a strength value.
  • the solid vertical line is intended to symbolize the edge of the component layer B and the adjacent dashed line is intended to symbolize the boundary of a special area S that lies between these two lines.
  • the area between the dashed and dash-dotted vertical lines can be viewed as an adjacent normal area.
  • the solid lines show two possible temperature curves in a process room sensor data set SD, with the upper line showing a temperature curve overheated component edge area, the bottom line shows a temperature curve in a non-overheated component edge area.
  • the dashed lines show two possible correction factors KF for the respective solid lines if a special area (component edge area) would not be treated separately, but analogously to the component interior area (no special area).
  • the dotted lines in the middle show the changed correction factors for the component edge area (special area S) for the two cases mentioned above.
  • Figure 3 shows a possible process space sensor data set SD (left) for a component layer B and its target shape F in a process space control data set KD (right). At its ends you can see places in which overheating has occurred in the process space sensor data set SD of component layer B (shaded darker). These inhomogeneities in the temperature distribution can be compensated for in subsequent layers, especially if a special area S is designated in the target shape F (see Figures 6 and 7).
  • the two arrows indicate that the target shape can be segmented into a “normal area” (shown below, without a border) and a special area S (only a border).
  • the overheated areas are not considered special areas S, since the overheating in the “inside” can be counteracted during the production of the next component layer using an easily determined correction factor KF (see, for example, the method in Figure 4).
  • an easily determined correction factor KF see, for example, the method in Figure 4.
  • the correction factor KF must be determined in another way, e.g. by interpolation or by using correction factors KF of neighboring interior areas. Therefore, the edge R is viewed here as a special area S.
  • FIG 4 shows a block diagram of a possible process sequence of an exemplary embodiment of a method according to the invention for generating control data PS for a device 1 for the additive manufacturing of a component 2 in a manufacturing process (see Figure 1), in which the component 2 in the form of in a construction field 8 Component layers B are built up by selective solidification of building material 13, for example comprising a metal-based powder, by irradiating the building material 13 with at least one energy beam 22.
  • step I a process space sensor data set SD of a currently solidified component layer B of the component 2 is recorded by means of a sensor arrangement 18, the process space sensor data set SD comprising at least spatially resolved thermal radiation data of a number of areas of this component layer B.
  • step II a process space control data set KD with information about a target shape F of the currently solidified component layer B is provided. This can be done, for example, based on CAD data of component 2 or from specified control data PS.
  • step III a number of special areas S in the target shape F are defined, each special area S being an area with predetermined, systematic shape features and/or manufacturing features in the component layer B.
  • the component edge area of component layer B is marked as a special area with dashed lines.
  • step IV the number of special areas S is assigned to corresponding areas of the number of areas in the process space sensor data set SD. This can be done, for example, by means of image registration.
  • different hatchings can be seen in the component layer. These are intended to symbolize different measured temperatures or amounts of heat radiated.
  • a correction factor map KK is generated as a correction factor module KK, which assigns correction factors KF or corrected irradiation values to at least a partial area of a subsequent component layer B1 (see, for example, Figures 6 and 7).
  • correction factors KF are generated by selecting a value for “normal” areas that is lower the warmer the corresponding area of component layer B was in step IV. The procedure is different for the special area S.
  • the correction factors KF of neighboring “normal” areas could be used for the correction factors KF or the correction factors KF could be formed from predetermined, constant correction factors KF. However, they could also be determined using interpolating methods or based on a model of a theoretical temperature change.
  • step V the (original) control data PS for the additive manufacturing of a subsequent component layer B1 is corrected based on the correction factor map KK.
  • the corrected control data PS is output again to the device 1 for additive manufacturing of the component 2 for manufacturing the next component layer.
  • Figure 5 shows components for manufacturing a component 2, which can be arranged in the manufacturing device 1 or linked to it.
  • a simplified representation was chosen here, which only shows the components that are most important for the process.
  • the sensor arrangement 18 supplies the necessary process space sensor data set SD.
  • the deflection device 23 and the laser 21 are then controlled according to the corrected control data PS for producing the next component layer B with the energy beam 22.
  • the correction factor cards KK are still stored here in the storage unit 39.
  • Figures 6 and 7 outline a correction of control data PS.
  • the bottom line shows the spatially resolved thermal data from several component layers B, B1, B2 lying directly one above the other. These are recorded by the sensor arrangement 18 as a process space sensor data set SD and correction factor maps KK are created as correction factor modules KK according to the method as outlined in FIG. 4 (top line). It can be seen that the correction factor maps KK look like a negative image of the heat distributions. This is because if there is too much local heat at this point, less energy should be introduced in the next production step.
  • FIG 6 a normal correction is applied without taking special areas S into account. You can see that a homogeneous temperature distribution finally occurs within the inner surface of the component layer (component layer B2 at the bottom right), but that the edge experiences excessive energy input (indicated with a thick edge line). However, this is not perceived by the sensor arrangement 18, since it also “sees” unconsolidated areas at the edge and mixes their temperature with the temperature of the edge area due to the limited resolution.
  • Figure 7 shows an optimized correction with special areas S taken into account. Here the edge area is viewed as a special area S and the correction factors there are determined differently, for example by using correction factors of neighboring interior areas. This results in good homogeneity of the temperature distribution even in the edge area (component layer B2 at the bottom right).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung von Steuerdaten (PS) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) aufgebaut wird, das Verfahren umfassend die Schritte: - Aufnahme eines Prozessraum-Sensordatensatzes (SD) mit ortsaufgelösten Wärmedaten einer aktuell verfestigten Bauteilschicht (B), - Bereitstellen eines Prozessraum-Kontrolldatensatzes (KD) mit einer Soll-Form (F) der aktuell verfestigten Bauteilschicht (B), - Festlegen einer Anzahl von Sonderbereichen (S) in der Soll-Form (F), - Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen (S) zu entsprechenden Bereichen im Prozessraum-Sensordatensatz (SD), - Generieren eines Korrekturfaktor-Moduls (KK), wobei Korrekturfaktoren (KF) in den Sonderbereichen (S) gemäß anderen Regeln generiert werden als in anderen Bereichen der Soll-Form (F) außerhalb der Sonderbereiche (S), - Korrigieren von Steuerdaten (PS) für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht (B1) basierend auf dem Korrekturfaktor-Modul (KK), - Ausgeben der korrigierten Steuerdaten (PS) an eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2). Die Erfindung betrifft des Weiteren entsprechende Steuerdaten, ein Verfahren zur additiven Fertigung, eine Steuerdatenerzeugungsvorrichtung, eine Steuereinrichtung sowie eine Fertigungsvorrichtung.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung („Steuerdatenerzeugungsvorrichtung“) zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl aufgebaut wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren entsprechende Steuerdaten, ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils mit solchen Steuerdaten, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung, sowie eine Steuervorrichtung für eine solche Vorrichtung.
Bei der Herstellung von Prototypen und inzwischen auch in der Serienfertigung werden additive Fertigungsprozesse immer relevanter. Im Allgemeinen sind unter „additiven Fertigungsprozessen“ solche Fertigungsprozesse zu verstehen, bei denen in der Regel auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material (dem „Aufbaumaterial“) ein Fertigungsprodukt („Bauteil“) aufgebaut wird. Der Aufbau erfolgt dabei meist, aber nicht zwingend, schichtweise. Als ein Synonym für die additive Fertigung wird häufig auch der Begriff „3D-Druck“ verwendet, die Herstellung von Modellen, Mustern und Prototypen mit additiven Fertigungsprozessen wird oft als „Rapid Prototyping“, die Herstellung von Werkzeugen als „Rapid Tooling“ und die flexible Herstellung von Serienbauteilen wird als “Rapid Manufacturing” bezeichnet. Wie eingangs erwähnt, ist ein Kernpunkt die selektive Verfestigung des Aufbaumaterials, wobei diese Verfestigung bei vielen Fertigungsprozessen mit Hilfe einer Bestrahlung mit Strahlungsenergie, z. B. elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht- und/oder Wärmestrahlung, aber ggf. auch mit Teilchenstrahlung wie z. B. Elektronenstrahlung erfolgen kann. Beispiele für mit einer Bestrahlung arbeitende Verfahren sind das „selektive Lasersintern“ oder „selektive Laserschmelzen“. Dabei werden wiederholt dünne Schichten eines meist pulverförmigen Aufbaumaterials übereinander aufgebracht und in jeder Schicht wird das Aufbaumaterial durch räumlich begrenztes Bestrahlen der Stellen, die nach der Fertigung zum herzustellenden Bauteil gehören sollen, in einem „Schweißprozess“ selektiv verfestigt, indem die Pulverkörner des Aufbaumaterials mit Hilfe der durch die Strahlung an dieser Stelle lokal eingebrachten Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen werden. Während einer Abkühlung verfestigen diese Pulverkörner dann miteinander zu einem Festkörper. Meist wird dabei der Energiestrahl entlang von Verfestigungsbahnen über das Baufeld geführt und das Umschmelzen bzw. Verfestigen des Aufbaumaterials in der jeweiligen Schicht erfolgt entsprechend in Form von „Schweißbahnen“ oder „Schweißraupen“, so dass letztlich im Bauteil eine Vielzahl solcher aus Schweißbahnen gebildeter Schichten vorliegt. Auf diese Weise können inzwischen Bauteile mit sehr hoher Qualität und Bruchfestigkeit hergestellt werden.
Während der Fertigung kann der Fall auftreten, dass die durch den Energiestrahl eingetragene Energie inhomogen vom Bauteil aufgenommen wird. Dies äußert sich durch Bereiche einer Bauteilschicht mit einer inhomogenen Wärmeverteilung. Zuweilen kann es gewünscht sein, ausgesuchte Bereiche mit einem anderen Energieeintrag zu verfestigen, jedoch ist dies in der Regel unerwünscht, insbesondere bei uniformen Flächen oder regelmäßigen Konturen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere eine Verbesserung der Qualität eines Bauteils erlaubt. Bevorzugt ist eine Aufgabe der Erfindung, die Stabilität des Fertigungsprozesses zu erhöhen und insbesondere einen Abbruch der Fertigung zu verhindern oder zu verhindern, dass es an Stellen mit erhöhter Wärmeentwicklung bzw. -abstrahlung zu Problemen beim Auftrag des Aufbaumaterials kommt. Eine weitere bevorzugte Aufgabe ist, das Supportvolumen (und damit die Teilekosten) zu senken, und somit die Prozessgeschwindigkeit zu erhöhen, was sich vorteilhaft auf die Bauteilkosten auswirkt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 , Steuerdaten gemäß Patentanspruch 10, ein Fertigungsverfahren zur additiven Fertigung gemäß Patentanspruch 11, eine Steuerdatenerzeugungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 12, eine Steuereinrichtung gemäß Patentanspruch 13 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 14 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl aufgebaut wird. Die Steuerdaten stellen zwar noch kein fertiges Bauteil dar, repräsentieren jedoch ein Bauteil, weil ein Bauteil aus Schichten von Verfestigungsbahnen besteht, die gemäß den Steuerdaten verfestigt worden sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- Aufnahme eines Prozessraum-Sensordatensatzes einer aktuell verfestigten Bauteilschicht des Bauteils mittels einer Sensoranordnung, wobei der Prozessraum-Sensordatensatz zumindest ortsaufgelöste Wärmedaten einer Anzahl von Bereichen dieser Bauteilschicht umfasst,
- Bereitstellen eines Prozessraum-Kontrolldatensatzes umfassend Informationen zu einer Soll-Form der aktuell verfestigten Bauteilschicht,
- Festlegen einer Anzahl von Sonderbereichen in der Soll-Form, wobei jeder Sonderbereich ein Bereich mit vorbestimmten, systematischen Formmerkmalen und/oder Fertigungsmerkmalen in der Bauteilschicht ist,
- Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen zu entsprechenden Bereichen der Anzahl von Bereichen im Prozessraum-Sensordatensatz,
- Generieren eines Korrekturfaktor-Moduls, welches zumindest einem Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht Korrekturfaktoren oder korrigierte Bestrahlungswerte zuweist, wobei die Korrekturfaktoren oder die korrigierten Bestrahlungswerte aus dem Prozessraum-Sensordatensatz generiert werden und in den Sonderbereichen gemäß anderen Regeln generiert werden als in anderen Bereichen der Soll-Form außerhalb der Sonderbereiche,
- Korrigieren von Steuerdaten für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht basierend auf dem Korrekturfaktor-Modul,
- Ausgeben der korrigierten Steuerdaten an eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils.
Wie bereits angedeutet wurde, wird in einem Fertigungsprozess in einem Baufeld Aufbaumaterial schichtweise, d.h. nacheinander in mehreren Materialauftragsebenen bzw. Materialschichten, aufgebaut. Bei dem Aufbaumaterial handelt es sich bevorzugt um ein Metallpulver oder zumindest um ein metallbasiertes Pulver. Ein solches Pulver enthält bevorzugt mehr als 50 Gewichtsprozent Metall, insbesondere mehr als 60 Gew.-%, 70 Gew.-%, 80 Gew.-% oder gar mehr als 90 Gew.-% Metall. Die Erfindung ist aber nicht hierauf beschränkt, sondern kann auch mit anderen, vorzugsweise pulverförmigen, Aufbaumaterialien eingesetzt werden, wie z.B. Kunststoffen oder Keramik oder Mischungen der verschiedenen Materialien. Dabei wird, insbesondere jeweils zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten, Aufbaumaterial (insbesondere selektiv) verfestigt, indem eine Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem von einer Bestrahlungseinheit der Fertigungsvorrichtung erzeugten Energiestrahl erfolgt (damit ist ein energetischer Strahl aus Photonen oder Partikeln, z.B. ein Lichtstrahl oder ein Elektronenstrahl gemeint). Dabei wird nicht nur das Aufbaumaterial in der obersten, frisch aufgebrachten Materialschicht von dem Energiestrahl erfasst und auf- bzw. umgeschmolzen, sondern der Energiestrahl geht üblicherweise ein Stück tiefer in das Materialbett hinein und erreicht auch darunterliegendes, bereits umgeschmolzenes Material aus zuvor aufgetragenen Materialschichten.
Die Aufnahme des Prozessraum-Sensordatensatzes mit den Wärmedaten kann z.B. mit einer Wärmebildkamera erfolgen, z.B. mit einer CMOS-Kamera mit einem Spektralfilter im Nahinfrarot-Bereich, dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Es kann auch ein scannendes Messverfahren verwendet werden, bei dem eine Ortsauflösung - alleine oder zusätzlich - durch eine jeweilige Scanposition gegeben ist, und/oder ein Messverfahren, bei dem der Sensor im Strahlengang der Bearbeitungsmaschine (on axis) angeordnet ist und die Ortsauflösung - alleine oder zusätzlich - durch eine aktuelle Bearbeitungsposition gegeben ist. Mit ortsaufgelösten „Wärmedaten“ sind Informationen zur Wärmeverteilung in mindestens einem Bereich der Bauteilschicht oder einer gesamten Bauteilschicht gemeint. Dabei müssen Informationen zu verschiedenen Punkten der Bauteilschicht zusammen mit der Position dieser Punkte vorliegen. Beispielsweise könnte ein Infrarotbild der Bauteilschicht die Wärmedaten darstellen, da in diesem Bild Punkten der Bauteilschicht Wärmeinformationen zugeordnet sind. Die Wärmedaten müssen jedoch nicht zwingend ein Wärmebild einer Wärmekamera sein, sondern können auf andere Weise erhalten werden. Der Prozessraum-Sensordatensatz zeigt also z.B. eine Bauteilschicht oder zumindest einen Bauteilbereich in dieser Bauteilschicht als Wärmebild.
Es muss für die Wärmedaten nicht unbedingt direkt die absolute Temperatur gemessen werden, sondern es genügen bereits die Pixelwerte einer temperatursensitiven Kamera (also im Grunde die "Grauwerte"). Aus deren Auswertung allein kann die Temperatur bereits gut abgeschätzt werden. Die Wärmedaten können dabei eine Temperatur sowohl in absoluten als auch in relativen Werten wiedergeben. Typischerweise wird für eine Maschine oder einen Bauprozess (auch auf verschiedenen Maschinen) eine Baseline für die Temperaturwerte (Grauwerte) gemessen und die Temperatur wird basierend auf einer Änderung relativ zur Baseline eingeschätzt. Diese Änderung kann "klein" (z.B. bei sehr hohen Baselines) oder "groß" (z.B. bei sehr niedrigen Baselines) sein. Der Prozessraum-Kontrolldatensatz enthält Daten zur geometrischen Form der jeweils betrachteten Bauteilschicht und/oder zu Bestrahlungspfaden zur Fertigung dieser Bauteilschicht (Soll-Form). Der Ausdruck „Bereitstellen“ bedeutet bezogen auf den Prozessraum- Kontrolldatensatz, dass dieser einfach erhalten werden kann, z.B. wenn die Daten bereits von anderer Seite vorliegen, oder generiert werden kann, z.B. aus CAD-Daten eines Bauteils oder aus Steuerdaten. Kurz gesagt, die Soll-Form sollte eine Rekonstruktion der betreffenden Bauteilschicht ermöglichen. Beispielsweise kann der Prozessraum- Kontrolldatensatz bezüglich der Soll-Form parallele Schnitte eines CAD-generierten Bauteils umfassen (zumindest einen Schnitt) oder Scanvektoren zur Fertigung einer Bauteilschicht (oder vieler Bauteilschichten) eines Bauteils.
Im Grunde würden diese Informationen bereits genügen, um Inhomogenitäten des Energieeintrags so gering wie möglich zu halten. Es wird also während des Fertigungsprozesses die eingetragene Energie mittels einer Sensoranordnung gemessen, z.B. durch Messung der Wärmeabstrahlung einer Bauteilschicht mit einem Strahlungssensor. Dann können in diesen Messungen Bereiche mit einer zu hohen Wärmeabstrahlung detektiert werden und die entsprechenden Bereiche in der darauffolgenden Bauteilschicht mit einem geringeren Energieeintrag verfestigt werden. Entsprechendes gilt für Bereiche, die eine zu geringe Wärme abstrahlen. Auf diese Weise können Inhomogenitäten iterativ kompensiert werden.
Jedoch kann diese Kompensation in einigen Bereichen eines Bauteils nicht optimal angewendet werden, da die Daten der Sensoranordnung nicht unbedingt korrekte Werte für die wirkliche Wärmestrahlung widerspiegeln oder diese Bereiche thermisch anders „funktionieren“ als andere Bereiche. Dies sind beispielsweise Bereiche mit Ecken oder scharfen Kurven im Bauteil, Randbereiche des Bauteils oder sehr kleine Strukturen innerhalb eines Bauteils. Generell kann gesagt werden, dass überall dort, wo die Gefahr besteht, dass die Auflösung der Sensoranordnung eine genaue Trennung von Bereichen mit unterschiedlichem Energieeintrag nicht zulässt oder gezielt ein von der Umgebung abweichender Energieeintrag gewünscht ist, dieses generelle Verfahren keine optimale Kompensation von Inhomogenitäten bieten kann. Diese Bereiche sind insbesondere Randbereiche, also dort, wo auf der einen Seite ein großer Energieeintrag zur Verfestigung vorliegt und auf der anderen Seite kein Energieeintrag, da keine Verfestigung stattfinden soll. Diese Bereiche können aber auch Bereiche sein, in denen Streifen einer Schraffur miteinander überlappen und in einem schichtweise integrierenden Sensorsystem auffällig erscheinen, obwohl sie es in Realität nicht sein müssen.
Ein solcher Bereich wird im Rahmen der Erfindung als „Sonderbereich“ bezeichnet, da er einer gesonderten Aufmerksamkeit bedarf, damit die Kompensation von Inhomogenitäten so gut wie möglich erfolgen kann. Jeder Sonderbereich ist ein Bereich mit vorbestimmten, systematischen Form- und/oder Fertigungsmerkmalen in der Bauteilschicht. Formmerkmale sind Merkmale zur geometrischen Form oder zur Lage z.B., dass der Bereich am Rand eines zu verfestigenden Querschnitts eines Bauteils liegt, der Bereich kleiner als die Auflösung der Sensoranordnung ist oder ungenügend präzise durch die Sensoranordnung abgebildet wird oder in dem Bereich formbedingt oder bedingt durch eine Lage an oder nahe einer Oberfläche des späteren Bauteils besondere thermische Gegebenheiten herrschen, z.B. bei engen Kurven oder Verjüngungen. Fertigungsmerkmale wären z.B. eine Überlappung von Verfestigungsbahnen in einer Bauteilschicht, eine lokale Zunahme von Abständen der Verfestigungsbahnen in einer Bauteilschicht, eine lokale Änderung der Dicke bzw. Tiefe von Verfestigungsbahnen oder lokale Änderungen der Bestrahlung (z.B. durch Pulse oder durch eine Wahl eines anderen Prozessfensters, wie z. B. eine lokale Verfestigung mittels Wärmeleitungsschweißen bei genereller Wahl des Tiefschweißprozesses). Besondere Formmerkmale und Fertigungsmerkmale können auch in Kombination vorliegen, da es sein kann, dass aufgrund einer besonderen Form ein besonderer lokaler Fertigungsmodus gewählt wird. Der Ausdruck „vorbestimmt systematisch“ besagt, dass es sich bereits aus dem Prozessraum-Kontrolldatensatz (und ggf. der Erfahrung bei der Herstellung von Bauteilen) ergibt, dass bei der Fertigung in diesen Bereichen besondere thermische Bedingungen herrschen. Beispielsweise stellt der Rand eines Bauteils einen thermisch problematischen Bereich dar. Ein Sonderbereich könnte auch als (systematisch besonderer) „Überhitzungsbereich“, „Fehlerhitzungsbereich“, „Abweichungsbereich“ oder „Sonder-Korrekturbereich“ bezeichnet werden. Insbesondere kann ein Sonderbereich ein Bereich sein, der eine Nachbehandlung benötigt oder benötigen würde, wenn er während der Herstellung keine erhöhte Temperatur erfährt.
Im Hinblick auf einen besonderen Aspekt der Erfindung kann ein Sonderbereich ein Bereich sein, der thermisch nachbehandelt werden soll bzw. der zur Veränderung/Verbesserung seiner Eigenschaften oder der Eigenschaften des Bauteils (z.B. Härte, mechanische Festigkeit, Dichte, usw.) während der Herstellung des Bauteils mit unterschiedlichen Parametern (z.B. Laserparameter: Strahlprofil, Laserintensität) verfestigt wird. Eine Festlegung dieser Sonderbereiche zu entsprechenden Bereichen der Soll-Form erfolgt bevorzugt automatisch, z.B. in dem automatisch jeder Randbereich einer Bauteilschicht der Soll-Form mit einer vorgegebenen Breite, jeder Überlappbereich oder jeder klar begrenzte Bereich unterhalb eines vorgegebenen Volumens oder einer vorgegebenen Fläche in der Bauebene als Sonderbereich eingestuft wird. Was genau als Sonderbereich eingestuft werden soll, kann z.B. aus einer vorgegebenen Liste entnommen werden, könnte aber auch manuell durch eine Benutzereingabe vorgegeben werden. Besonders bevorzugt ist, wenn ein Benutzer mittels veränderbarer Voreinstellungen die Parameter für eine automatische Einstufung von Sonderbereichen eingeben bzw. ändern kann.
Diese Sonderbereiche sind also zunächst in einer nicht-dinglichen Umgebung (Soll-Form) festgelegt. Da diese Soll-Form der (realen) Bauteilschicht entspricht, die durch den Prozessraum-Sensordatensatz repräsentiert wird, muss nun ermittelt werden, welche Teile der betreffenden Bauteilschicht als Sonderbereiche anzusehen sind. Dies wird durch die anschließende Zuordnung erreicht. In dem Prozessraum-Sensordatensatz liegen ortsaufgelöste Wärmedaten von einer Anzahl von Bereichen der Bauteilschicht vor. Dies wird im Folgenden für ein besseres Verständnis als „Wärmebild der Bauteilschicht“ bezeichnet, wobei dieser Begriff nicht auch andere Möglichkeiten ausschließt, wie ortsaufgelöste Wärmedaten von einer Anzahl von Bereichen der Bauteilschicht vorliegen könnten.
Diese Zuordnung der Sonderbereiche zu entsprechenden Bereichen des „Wärmebilds der Bauteilschicht“ erfolgt bevorzugt automatisch, z.B. indem automatisch jeder Bereich des Wärmebilds, dessen Entsprechung in der Soll-Form als Sonderbereich eingestuft worden ist, im Wärmebild auch als Sonderbereich eingestuft wird. Diese Zuordnung kann rein informationstechnisch erfolgen, indem einem Bereich des Wärmebilds der Bauteilschicht ein Marker hinzugefügt wird, der angibt, dass es sich hier um einen Sonderbereich handelt oder indem diesem Bereich in einer Abbildung eine Markierung hinzugefügt wird (z.B. eine besondere Farbe). Es kann auch eine Maske erstellt werden, die angibt, welche Bereiche in dem Wärmebild der Bauteilschicht als Sonderbereiche anzusehen sind. Wie genau die Informationen zum Sonderbereich der Soll-Form zugeordnet werden (z.B. durch eine datentechnische Verknüpfung oder durch Abbilden) ist im Grunde unerheblich, solange danach feststeht, welche Bereiche des Wärmebilds der Bauteilschicht als Sonderbereiche anzusehen sind und welche nicht. Damit ist also klar, welche Wärmedaten der ortsaufgelösten Wärmedaten in einem Sonderbereich liegen und welche nicht. Das anschließend generierte Korrekturfaktor-Modul weist zumindest einem Teilbereich einer (direkt) nachfolgenden (also auf der anderen Bauteilschicht nach ihrer Fertigung unmittelbar aufliegenden) Bauteilschicht Korrekturfaktoren oder korrigierte Bestrahlungswerte zu, welche aus dem Prozessraum-Sensordatensatz generiert werden. Das Korrekturfaktor-Modul umfasst bevorzugt ein Programm und/oder eine Datenbank, wobei das Programm bevorzugt einen automatisierten Zugriff auf eine Datenbank umfasst, wobei der Zugriff ein Verwenden und/oder Modifizieren und/oder Abspeichern und/oder Überschreiben von Daten umfasst, die zumindest auf dem Prozessraum-Sensordatensatz und/oder dem Prozessraum-Kontrolldatensatz basieren. Die Korrekturfaktoren wirken insbesondere auf eine Leistung und/oder einen Fokusdurchmesser des Energiestrahls und/oder dessen Strahlprofil bzw. Intensitätsverteilung und/oder eine Scangeschwindigkeit und/oder einen Hatchabstand. Ist der Energiestrahl ein Laserstrahl, kann auch der Begriff „Laserkorrekturfaktor“ (oder LCF für engl. „Laser Correction Factor“) oder auch „Laserleistungskorrekturfaktor“ verwendet werden. Eine Einschränkung auf eine Laserleistung ist jedoch nicht notwendig, da im Grunde der Energieeintrag angepasst werden soll. Daher könnte das Korrekturfaktor-Modul auch als „Energieeintragsparameter-Modul“ oder „Volumen- energie-Modul“ bezeichnet werden, z. B. mit einer Volumenenergie als Referenzgröße.
Ein „Modul“ im Sinne des Korrekturfaktor-Moduls ist ein Element, welches bestimmungsgemäß zur Anwendung oder Sammlung einer Mehrzahl bzw. Vielzahl von Korrekturfaktoren verwendet wird. Es kann lediglich Daten enthalten, welche die Korrekturfaktoren sind oder aus denen die Korrekturfaktoren ermittelt werden können, aber auch eine Funktionalität, mit der Korrekturfaktoren ermittelt oder diese sogar auf Steuerbefehle angewendet werden können. Das Modul selber kann softwareimplementiert sein, z.B. in Form einer Tabelle, Funktion, Liste oder eines Datensatzes oder hardwareimplementiert, z.B. in Form eines FPGA oder eines Prozessors bzw. Controllers mit Speichereinheit. Bevorzugt ist das Korrekturfaktor-Modul also ein softwarebasiertes oder hardwarebasiertes Element, welches Daten in Form von Korrekturfaktoren umfasst oder Daten und/oder Funktionen umfasst, mittels denen sich die Korrekturfaktoren ermitteln lassen.
Das Korrekturfaktor-Modul kann in Form einer Korrekturfaktor-Karte vorliegen, welche die Korrekturfaktoren in Form einer Matrix aufweist. Existiert z.B. ein digitales Wärmebild der Bauteilschicht, kann die Korrekturfaktor-Karte durchaus Pixel bzw. Rasterzellen umfassen, die insbesondere den Pixeln im Wärmebild entsprechen, und statt Farbwerten oder Grauwerten skalare Größen umfassen, die Korrekturfaktoren angeben. Das Korrekturfaktor-Modul kann alternativ oder zusätzlich auch in Form einer Korrekturfaktor-Funktion KF vorliegen, die bevorzugt eine zweidimensionale Funktion ist. Die Korrekturfaktoren an einer zweidimensionalen Raumposition (x, y) in der Bauteilschicht können dann einfach die Funktionswerte der Korrekturfaktor-Funktion KF (x, y) an den entsprechenden Stellen sein. Die Korrekturfaktor-Funktion kann z.B. aus einer Korrekturfaktor-Karte durch einen Fit einer zweidimensionalen Polynomfunktion generiert werden. Auch wenn die Erstellung komplizierter als die einer Karte ist, hat eine Funktion den Vorteil eines geringeren Speicherbedarfs, da lediglich Funktionskoeffizienten abgespeichert werden müssen, und einer besseren Skalierbarkeit. Die Verwendung einer solchen Korrekturfaktor-Funktion kann auch Vorteile für eine Korrektur ohne Berücksichtigung der Sonderbereiche haben. Ein entsprechendes Verfahren umfasst dann ersatzweise die Schritte:
- Optional: Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen zu entsprechenden Bereichen der Anzahl von Bereichen im Prozessraum-Sensordatensatz,
- Generieren einer Korrekturfaktor-Funktion, welche zumindest einem Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht Korrekturfaktoren oder korrigierte Bestrahlungswerte zuweist, wobei die Korrekturfaktoren oder die korrigierten Bestrahlungswerte aus dem Prozessraum-Sensordatensatz generiert werden und bevorzugt in den Sonderbereichen gemäß anderen Regeln generiert werden als in anderen Bereichen der Soll-Form außerhalb der Sonderbereiche,
- Korrigieren von Steuerdaten für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht basierend auf der Korrekturfaktor-Funktion.
Wichtig für das erfindungsgemäße Verfahren ist hier, dass die Korrekturfaktoren oder korrigierte Bestrahlungswerte in den Sonderbereichen gemäß anderen Regeln generiert werden als in anderen Bereichen der Soll-Form außerhalb der Sonderbereiche. Dies liegt darin begründet, dass in den Sonderbereichen auch „andere Regeln“ gelten. Beispielsweise geben die Daten von Pixeln einer Wärmebildkamera wieder, welche Wärme von einem Flächenbereich auf der Bauebene abgestrahlt worden ist. Ein erstes Pixel, das einen unverfestigten Bereich aufgenommen hat, zeigt eine geringere Wärme als ein zweites Pixel, welches einen gerade verfestigten Bereich aufgenommen hat. Ein drittes Pixel, welches aber einen Randbereich mit verfestigten und unverfestigten Bereichen aufgenommen hat, wird eine geringere Wärme anzeigen als das zweite Pixel und eine größere Wärme als das erste Pixel, auch wenn der verfestigte Bereich überall gleichwarm sein sollte. Dies liegt daran, dass die Pixel ein Integral der Wärmestrahlung des von ihnen aufgenommenen Bereichs zeigen. In einem Fall, in dem das zweite Pixel (kein Sonderbereich) anzeigen würde, dass der von ihm aufgenommene Bereich zu heiß wäre, würde ein entsprechender Korrekturfaktor angeben, dass dort in der nächsten Schicht weniger Energie eingebracht werden soll. Beim dritten Pixel (Sonderbereich, hier benachbart zum zweiten Pixel), das als kälter angesehen wird, obwohl im verfestigten Bereich zu viel Wärme vorliegt, da auch ein Teil unverfestigter Bereich aufgenommen wurde, würde jedoch ohne eine gesonderte Behandlung kein Korrekturfaktor angewandt (oder ein Korrekturfaktor von 1), da keine Überhitzung erkannt worden ist. Richtig wäre hier jedoch, den gleichen Korrekturfaktor anzuwenden, der beim zweiten Pixel angewandt wird. Genau dies berücksichtigt das erfindungsgemäße Verfahren, indem die Korrekturfaktoren oder korrigierte Bestrahlungswerte in den Sonderbereichen gemäß anderen Regeln generiert werden als in anderen Bereichen der Soll-Form außerhalb der Sonderbereiche.
Wie genau diese anderen Regeln aussehen, kann vom Bauteil, dem verwendeten Aufbaumaterial, der Art der Bestrahlung und der Art des Sonderbereichs abhängig sein. Im Folgenden werden weiter unten einige bevorzugte Ausführungsformen genannt. In einer sehr einfachen Ausführungsform können z.B. die Korrekturfaktoren benachbarter Bereiche der Soll-Form für die Sonderbereiche verwendet werden.
Das Korrekturfaktor-Modul (kurz KF-Modul) muss sich nicht auf das gesamte Baufeld beziehen. Unterschiedliche Bereiche des Baufelds können von unterschiedlichen KF- Modulen korrigiert werden. Beispielsweise kann eine Gesamtkorrekturkarte aus einem Zusammensetzen von Korrekturfaktor-Karten (KF-Karten) gebildet werden. Eine Regelung eines Bauprozesses erfolgt bevorzugt pixelweise nach Punkten dieser KF-Karten, wobei eine Regelung umso besser ist, je hochauflösender eine KF-Karte ist. Entsprechend kann auch eine Gruppe von Korrekturfaktor-Funktionen verwendet werden, wobei jede Korrekturfaktor-Funktion für einen Bereich des Baufeldes angewandt wird. Bevorzugt werden festgelegte Bestrahlungswerte bei der Fertigung mit dem Korrekturfaktor korrigiert und/oder der Korrekturfaktor liefert direkt die Bestrahlungswerte. Der Korrekturfaktor ist dabei bevorzugt ein relativer Korrekturfaktor, der mit einer vorgegebenen Laserleistung multipliziert wird oder durch den eine vorgegebene Laserleistung dividiert wird.
Für die korrigierten Bestrahlungswerte gilt dasselbe wie für die Korrekturfaktoren, da sie lediglich Bestrahlungswerte sind, die mittels (dieser) Korrekturfaktoren bereits korrigiert worden sind. Das KF-Modul kann demzufolge Korrekturfaktoren umfassen, mit denen dann Bestrahlungswerte korrigiert werden oder bereits korrigierte Bestrahlungswerte. Es ist klar, dass die Korrekturfaktoren so gewählt werden, dass bei einem zu hohen Energieeintrag an einer Stelle in der nachfolgenden Schicht an dieser Stelle ein geringerer Energieeintrag erfolgt, der insbesondere so berechnet ist, dass sich ein gewünschter Energieeintrag einstellt.
Um nun eine Kompensation von Inhomogenitäten vorzunehmen, muss eine nachfolgende Bauteilschicht bestrahlt werden. In dem Fall, in dem nach ihrer Fertigung die nachfolgende Bauteilschicht immer noch Inhomogenitäten aufweisen sollte, kann das Verfahren für die jeweils nächste Bauteilschicht basierend auf der jeweils gerade gefertigten Bauteilschicht durchgeführt werden. Nach einigen wenigen Iterationen wird sich bei einer vernünftigen Wahl der Korrekturfaktoren der Energieeintrag homogenisieren lassen.
Es werden also Steuerdaten für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht basierend auf dem Korrekturfaktor-Modul (z.B. einer Korrekturfaktor-Karte oder -Funktion) korrigiert und die korrigierten Steuerdaten an eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils ausgegeben, damit eine neue Bauteilschicht gefertigt werden kann. Diese neue Bauteilschicht bzw. ein Prozessraum-Sensordatensatz dieser neuen Bauteilschicht soll nun als Basis für einen erneuten Durchlauf des Verfahrens für die nächste Bauteilschicht dienen.
Das KF-Modul kann zuletzt, insbesondere nach der Fertigung des Bauteils abgespeichert und zur Fertigung weiterer Bauteile verwendet werden. Umfasst das KF-Modul keine Korrekturverfahren, sondern korrigierte Bestrahlungsdaten (und besonders bevorzugt korrigierte Steuerdaten), könnte es als erfindungsgemäße Steuerdaten angesehen werden.
Mit dem vorangehend beschriebenen Verfahren lassen sich erfindungsgemäße Steuerdaten erzeugen, die zur Steuerung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung dienen. Wie gesagt, zeichnen sich diese Steuerdaten dadurch aus, dass sie korrigiert sind, so dass Inhomogenitäten in der Temperaturverteilung während der Fertigung kompensiert werden. Wohlgemerkt wird dabei nicht die Temperaturverteilung an sich kompensiert, sondern es wird eine inhomogene Temperaturverteilung einer aktuellen Schicht für eine kompensierende Bestrahlung in der Folgeschicht berücksichtigt. Genau genommen wird nicht nur der Wärmehaushalt einer einzigen Schicht geregelt, sondern mit entsprechend geringerem Effekt der Wärmehaushalt vieler bereits verfestigter Schichten bis hin zum Gesamtwärmehaushalt eines Bauteils oder sogar einer gleichzeitigen Fertigung von mehreren Bauteilen. Der Grund dafür ist, dass bereits verfestigte Schichten in der Regel weiterhin Wärme emittieren, da der Wärmeeintrag in den Baubehälter während des Fertigungsprozesses den Wärmeabfluss aus dem Baubehälter üblicherweise mindestens zeitweise übersteigt. Bei vielen verfestigten Schichten summiert sich der Effekt, was die Wärmeabstrahlung einer gemessenen Oberfläche deutlich beeinflusst. In der Praxis werden die Korrekturfaktoren des Korrekturfaktor-Moduls in der Regel erst im Maschinencontroller mit den Original-Steuerdaten (vektorisiert) kombiniert und als „Mikroschritte“ (Steuersignale im Scan-Takt der Fertigungsvorrichtung) an einen Belichtungscontroller weitergegeben. Es können jedoch auch direkt korrigierte Steuerdaten verwendet werden.
Die Steuerdaten umfassen darüber hinaus bevorzugt weitere Konstruktionsanweisungen wie z.B. eine Menge von Aufbaumaterial, das ggf. lokal selektiv für einen Schichtauftrag vorgesehen wird, und insbesondere auch das Absenken der Bauplattform zwischen der Fertigung der Bauteilschichten. Dies ist bei einer Anordnung von zwei Bauteilschichten implizit gegeben, da eine neue Bauteilschicht auf einem bereits verfestigten Bereich nur durch Auftrag von neuem Aufbaumaterial erfolgen kann. Durch diesen Auftrag ist es in der Regel notwendig, die Bauplattform abzusenken.
Bei einem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils, wird in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl gemäß den erfindungsgemäßen Steuerdaten aufgebaut. Zur Erstellung von Bauteilschichten des Bauteils wird der Energiestrahl dabei gemäß den Steuerdaten über das Baufeld bewegt, also mit korrigierten Bestrahlungsparametern.
Eine erfindungsgemäße Steuerdatenerzeugungsvorrichtung dient zur Generierung von erfindungsgemäßen Steuerdaten (gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren) für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl aufgebaut wird.
Die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung umfasst die folgenden Komponenten:
- Eine Datenschnittstelle ausgelegt zum Empfang eines Prozessraum-Kontrolldatensatzes umfassend Informationen zu einer Soll-Form der aktuell verfestigten Bauteilschicht, und eines Prozessraum-Sensordatensatzes einer aktuell verfestigten Bauteilschicht des Bauteils aufgenommen mittels einer Sensoranordnung, wobei der Prozessraum- Sensordatensatz zumindest ortsaufgelöste Wärmedaten einer Anzahl von Bereichen dieser Bauteilschicht umfasst,
- eine Registrierungs-Einheit, ausgelegt zum Festlegen einer Anzahl von Sonderbereichen in der Soll-Form, wobei jeder Sonderbereich ein Bereich mit vorbestimmten, systematischen Formmerkmalen und/oder Fertigungsmerkmalen in der Bauteilschicht ist, und zum Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen zu entsprechenden Bereichen der Anzahl von Bereichen im Prozessraum-Sensordatensatz,
- eine Moduleinheit, ausgelegt zum Generieren eines Korrekturfaktor-Moduls, welche zumindest einem T eilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht Korrekturfaktoren oder die korrigierte Bestrahlungswerte zuweist, wobei die Korrekturfaktoren oder korrigierten Bestrahlungswerte aus dem Prozessraum-Sensordatensatz generiert werden und in den Sonderbereichen gemäß anderen Regeln generiert werden als außerhalb der Sonderbereiche,
- eine Korrektureinheit, ausgelegt zum Korrigieren von Steuerdaten für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht basierend auf dem Korrekturfaktor-Modul,
- eine Datenschnittstelle (ggf. die oben genannte oder eine andere), ausgelegt zum Ausgeben der korrigierten Steuerdaten an eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils.
Die Funktion der Komponenten wurde oben bereits anhand des Verfahrens ausführlich erläutert.
Eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung dient einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl mittels einer Bestrahlungsvorrichtung aufgebaut wird. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, die Vorrichtung zur additiven Fertigung der Bauteilschichten des Bauteils gemäß erfindungsgemäßen Steuerdaten anzusteuern. Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Steuereinrichtung eine erfindungsgemäße Steuerdatenerzeugungsvorrichtung.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung („Fertigungsvorrichtung“) dient zur additiven Fertigung zumindest eines Bauteils in einem additiven Fertigungsprozess. Sie umfasst zumindest
- eine Zuführvorrichtung zum Aufbringen von Materialschichten von Aufbaumaterial auf ein Baufeld in einem Prozessraum,
- eine Bestrahlungsvorrichtung, um, insbesondere zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten, Aufbaumaterial durch Bestrahlung mit zumindest einem Energiestrahl selektiv zu verfestigen, sowie
- eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mehrere Bestrahlungsvorrichtungen aufweisen kann, die dann wie oben erwähnt entsprechend koordiniert mit den Steuerdaten angesteuert werden. Auch sei noch einmal erwähnt, dass insoweit der Energiestrahl auch aus mehreren überlagerten Energiestrahlen bestehen kann bzw. dass es sich bei dem Energiestrahl sowohl um Teilchenstrahlung als auch um elektromagnetische Strahlung, wie z. B. Licht- bzw. vorzugsweise Laserstrahlung, handeln kann.
Die Erfindung kann insbesondere in Form einer Rechnereinheit, insbesondere in einer Steuereinrichtung, mit geeigneter Software realisiert sein. Damit ist insbesondere die Erstellung der Steuerdaten gemeint, da die Fertigung eines Bauteils mittels weiterer Komponenten erfolgt. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen. Insbesondere kann sie in Form von geeigneten Softwareprogrammteilen in der Rechnereinheit realisiert sein. Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Rechnereinheiten, insbesondere in Steuereinrichtungen, von Fertigungsvorrichtungen, auf einfache Weise durch ein Software- bzw. Firmware-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Rechnereinheit ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens (zumindest diejenigen, die auf die Generierung von Steuerdaten bezogen sind, aber ggf. auch solche die zur Übermittlung der Steuerdaten für einen Fertigungsprozess dienen) auszuführen, wenn das Programm in der Rechnereinheit ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z.B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z. B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen. Zum T ransport zur Rechnereinheit und/oder zur Speicherung an oder in der Rechnereinheit kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen und Ausführungsbeispielen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird vor dem Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen an die entsprechenden Bereiche im Prozessraum-Sensordatensatz der Prozessraum-Sensordatensatz gemäß bestehender (vorher ermittelter) Kalibrierdaten oder gemäß einer Anpassungsfunktion (z.B. einem Fit-Algorithmus) angepasst. Dabei ist bevorzugt, dass zuerst eine Kalibrierung der Sensoranordnung erfolgt und der Prozessraum- Sensordatensatz mit der kalibrierten Sensoranordnung aufgenommen wird. Alternativ ist bevorzugt, dass vorgefertigte Kalibrierdaten vorliegen und der Prozessraum-Sensordatensatz nach seiner Aufnahme durch die Sensoranordnung angepasst wird. Dabei ist bevorzugt, dass mittels eines Anpassungsalgorithmus die Sonderbereiche auf entsprechende Bereiche im Prozessraum-Sensordatensatz registriert oder dort anderweitig abgebildet werden. Letzteres hat den Vorteil, dass die Sensordaten direkt in Abhängigkeit dazu kalibriert werden können, ob sie aus einem Sonderbereich stammen oder nicht.
Welcher Bereich ganz konkret als Sonderbereich angesehen wird, ist von der Art des Bauteils, der Art der Fertigung oder vom Benutzer abhängig. Es kann vorgegeben sein, z.B. durch Voreinstellungen oder durch Benutzervorgaben, was als Sonderbereich anzusehen ist. Die folgenden Bereiche eines Bauteils sind bevorzugte Sonderbereiche. Es können einzelne Alternativen oder Gruppen der folgenden Alternativen als Vorgaben für Sonderbereiche gewählt werden. - Ein Bauteil-Randbereich der Bauteilschicht,
- ein Bereich der Bauteilschicht, in dem Verfestigungsbahnen miteinander überlappen, insbesondere deren Anfangs- und/oder Endbereiche,
- ein Bereich, in dem sich ein Hatching-Streifen (ggf. aus parallel zueinander, nebeneinander angeordneten Verfestigungsbahnen) verjüngt (d. h. in dem die Verfestigungsbahnen eine geringere Länge aufweisen als eine Standard- oder Maximallänge),
- ein Bereich, der kleiner als die optische Auflösung der Sensoranordnung ist (d. h. ein kleinstmöglicher individuell durch die ortsauflösende Sensoranordnung messbarer Bereich der Bauteilschicht), ein Bereich mit Supportstrukturen, bevorzugt wobei eine Wandstärke oder eine Strebendicke oder ein Durchmesser der Supportstrukturen kleiner ist, als dass sie vollumfänglich mit dem Sensor aufgelöst werden kann (z.B. < 5x Pixelauflösung, z.B. ca. 500pm).
Gemäß einem bevorzugten Verfahren erfolgt das Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen an die entsprechenden Positionen im Prozessraum-Sensordatensatz mittels einer Bildregistrierung. Dabei ist ein (in der Bildverarbeitung gängiges) Verfahren basierend auf Enhanced Correlation Coefficients bevorzugt, (s. z.B. Georgios D. Evangelidis and Emmanouil Z. Psarakis "Parametric Image Alignment Using Enhanced Correlation Coefficient Maximization", IEEE transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 30, Nr. 10, Oktober 2008).
Gemäß einem bevorzugten Verfahren werden die Korrekturfaktoren des Korrekturfaktor- Moduls für einen Sonderbereich aus den Korrekturfaktoren für eine Anzahl von an den Sonderbereich angrenzenden Bauteilbereichen der Soll-Form interpoliert oder extrapoliert. Dies geschieht insbesondere durch Interpolation von Korrekturfaktoren gegenüberliegender Bauteilbereiche oder durch Interpolation von Korrekturfaktoren eines Bauteilbereichs und vorgegebenen Werten außerhalb des Bauteils, oder Korrekturfaktoren eines Bauteilbereichs. Dies ist insbesondere auch vorteilhaft, wenn der Sonderbereich ein Bereich ist, an dem eine thermische Nachbehandlung durchgeführt werden soll.
Alternativ ist bevorzugt, dass die Korrekturfaktoren des Korrekturfaktor-Moduls für einen Sonderbereich aus vorgegebenen, konstanten Korrekturfaktoren gebildet werden. Alternativ ist bevorzugt, dass die Korrekturfaktoren des Korrekturfaktor-Moduls für einen Sonderbereich durch interpolierende Verfahren aus der Bildverarbeitung ermittelt werden, die auf einer stetigen Fortsetzung der Grauwerte basieren, insbesondere basierend auf Einfärbungs-Algorithmen oder Inpainting-Algorithmen.
Alternativ ist bevorzugt, dass die Korrekturfaktoren des Korrekturfaktor-Moduls für einen Sonderbereich basierend auf einem Modell einer theoretischen Temperaturänderung oder der lokalen Wärmeleitungseigenschaften gebildet werden. Dies ist insbesondere auch vorteilhaft, wenn der Sonderbereich ein Bereich ist, an dem eine thermische Nachbehandlung durchgeführt werden soll.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren liegen vorbestimmte maximale und/oder minimale Werte für einen Korrekturfaktor vor, insbesondere ein Grenzwert-Modul, insbesondere eine Grenzwert-Funktion oder eine Grenzwert-Karte mit ortsaufgelösten maximalen und/oder minimalen Werten. Die Korrekturfaktoren werden dann bevorzugt so generiert, dass sie die maximalen Werte nicht überschreiten und/oder die minimalen Werte nicht unterschreiten.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren werden zum Generieren einer Korrekturfaktor-Karte die Korrekturfaktoren aus dem Prozessraum-Sensordatensatz außerhalb der Anzahl der Sonderbereiche mittels eines Reglers generiert, insbesondere eines PD-Reglers, eines PI- Reglers oder eines PID-Reglers. Dabei ist bevorzugt, dass die Korrekturfaktoren innerhalb eines Sonderbereichs, also dort, wo sie nach anderen Regeln erzeugt werden als in anderen Bereichen:
- ohne den Regler generiert werden, oder
- zunächst mittels des Reglers generiert werden und anschließend korrigiert werden oder
- zunächst die entsprechenden Werte des Prozessraum-Sensordatensatzes korrigiert werden und danach die Korrekturfaktoren mittels des Reglers generiert werden.
Für eine Korrektur im Nicht-Sonderbereich wird der Regler bevorzugt klassisch genutzt, wobei parametrierbare Proportional-, Differential- und/oder Integral-Anteile verwendet werden. Besonders bevorzugt ist eine Regelung vollständig SW-basiert. Die Parameter des Reglers können insbesondere bauteilspezifisch eingestellt werden.
Wie oben bereits angedeutet wurde, wird das Verfahren bevorzugt für mehrere aufeinanderfolgende Bauteilschichten angewandt. Dabei werden Steuerdaten bevorzugt zusammen mit einer Anzahl entsprechender Korrekturfaktor-Modulen und/oder mit korrigierten Steuerdaten abgespeichert. Hier ist zu beachten, dass die Korrekturfaktor-Module bereits korrigierte Bestrahlungswerte enthalten können, die korrigierten Steuerdaten aber weitere Daten als die korrigierten Bestrahlungswerte enthalten können. Es ist besonders bevorzugt, alle durch das Verfahren erhaltenen Korrekturfaktor-Module bzw. korrigierten Steuerdaten abzuspeichern, da diese miteinander Zusammenhängen. Schließlich ergibt sich ein Prozessraum-Sensordatensatz nach vorheriger Anwendung des Verfahrens aus einer mit korrigierten Steuerdaten gefertigten Bauteilschicht.
Es ist bevorzugt, dass für die Korrektur von Steuerdaten für ein Bauteil ausschließlich Daten des Korrekturfaktor-Moduls verwendet werden, das aus einer Bauteilschicht dieses bestimmten Bauteils generiert wurden, insbesondere aus der unmittelbar vorangehend gefertigten Bauteilschicht. Es wird also jedes Bauteil für sich betrachtet. Alternativ werden bevorzugt Daten eines Korrekturfaktor-Moduls verwendet, das aus einer gleichförmigen Bauteilschicht eines anderen Bauteils generiert wurden. Dies erlaubt, z.B. bei der Fertigung mehrerer gleichartiger Bauteile, das Korrekturfaktor-Modul eines der Bauteile auf die anderen Bauteile anzuwenden.
Es sollte hier beachtet werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch auf bereits korrigierte Steuerdaten angewandt werden kann, sofern bekannt ist, dass diese bereits korrigiert worden sind und auf welche Weise. Im Grunde müssen dann nur die Korrekturfaktoren entsprechend gestaltet sein. Beispielsweise können korrigierte Steuerdaten, welche von einem Bauteil gewonnen worden sind, bei einer Anwendung auf ein anderes Bauteil eine zusätzliche Korrektur erfahren. Alternativ können korrigierte Steuerdaten, welche von einem Bauteil, das z. B. eine gleiche Gestalt aufweist, aus dem gleichen Material hergestellt werden soll und an das die gleichen Anforderungen bzgl. seiner Bauteileigenschaften gestellt werden, gewonnen worden sind, bei einer Anwendung auf ein weiteres Exemplar dieses Bauteils eine zusätzliche Korrektur erfahren. Es können aber auch Steuerdaten, die ohne die Berücksichtigung von Sonderbereichen korrigiert wurden, nun mit dem Verfahren optimiert werden, z.B. indem nur die Sonderbereiche besonders korrigiert werden und die übrigen Korrekturfaktoren beibehalten werden.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren werden zum Festlegen einer Anzahl von Sonderbereichen in der aktuell verfestigten Bauteilschicht zusätzlich zu einem Prozessraum- Kontrolldatensatz Informationen zu einer Form und/oder Lage der nachfolgenden Bauteilschicht bereitgestellt. Korrekturfaktoren, insbesondere für Downskin-Bereiche, d. h. Oberflächenbereiche oder oberflächennahe Bereiche eines Bauteils, die im Fertigungsprozess in der Fertigungsvorrichtung oberhalb von un verfestigtem Pulver liegen und an dieses angrenzen, werden dann bevorzugt aus den Prozessraum-Kontrolldatensätzen beider Bauteilschichten abgeleitet. Es wird also bei der Wahl der Sonderbereiche zusätzlich die nachfolgende Bauteilschicht betrachtet, also im Grunde die Soll-Formen dieser Bauteilschichten.
Die Erfindung hat den zusätzlichen Vorteil, dass zumindest während einer Fertigung von Bauteilen mit verminderten Abkühlzeiten gerechnet werden kann. Zudem können Fertigungen auch mit höherer Packungsdichte durchgeführt werden, da temperaturbedingte Abstände von Bauteilen zueinander verringert werden können.
Bisher wurde ein besonderer Wert auf Ausführungsformen gelegt, die Steuerdaten dermaßen korrigieren, dass Inhomogenitäten in der Temperaturverteilung während der Fertigung kompensiert werden. Es kann jedoch auch bewusst durch eine Korrektur in einem Sonderbereich eine andere Temperatur eingestellt werden, als in einem anderen (benachbarten) Bereich.
Häufig entstehen in einem Bauteil ungewünschte innere Spannungen, die zu nachteilhaften Bauteileigenschaften wie z.B. Rissen oder Verformungen führen können. Um solche Spannungen aufzulösen bzw. zu verringern, kann eine Wärmebehandlung des Bauteils erfolgen, z.B. bei metallischen Bauteilen ein Nachglühen mit einem optionalen anschließenden Abschrecken. Je nach erwünschter Qualität kann eine nachträgliche Wärmebehandlung sogar zwingend sein. Dazu werden die Bauteile nach ihrer Fertigung in einem Ofen auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt und danach ggf. in einem Flüssigkeitsbad abgekühlt. Für eine Wärmebehandlung liegt die Temperatur in der Kammer in der Regel zwischen 300°C und 350°C. Eine übliche Temperatur für die Fertigung von Metallteilen liegt zwischen 250- 300°C.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform nimmt sich dieses Problems an, und löst die Aufgabe, dass in dem Bauteil eine gewünschte Bauteileigenschaft durch eine unterschiedliche Wärmeverteilung von Bereichen der Schichten eingestellt werden soll. Eine solche Bauteileigenschaft ist bevorzugt eine besondere Struktur des inneren Gefüges und/oder eine innere Spannungsstruktur oder eine weitere mechanische Eigenschaft. Bei einer mechanischen Eigenschaft kann es sich insbesondere um eine vorgegebene Härte, eine mechanische Festigkeit, eine Dichte und/oder eine Porosität des Bauteils handeln. Eine besondere Aufgabe ist es, ein Bauteil mit Bereichen unterschiedlichen Gefüges zu erzeugen, welches mechanische Eigenschaften des Bauteils bestimmt.
Eine besondere Aufgabe, welche durch die Erfindung gelöst werden könnte, wäre die Herstellung eines Bauteils, bei dem durch eine Wärmebehandlung ein Sonderbereich mit einer kleineren Porosität gebaut werden soll, der aufgrund seiner größeren Dichte eine bessere Härte und/oder mechanische Festigkeit hat.
Eine weitere besondere Aufgabe wäre die Herstellung eines Bauteils, bei dem die mechanische Festigkeit auch vom (unterschiedlichem) Gefüge der Bauteilbereiche beeinflusst werden soll. Zu dem Begriff „Gefüge“ wird angemerkt, dass sich dieser sowohl auf zusammenhaftende Körner als auch auf eine Kristallstruktur beziehen kann. Ein Korn muss dabei nicht unbedingt ein Kristall sein, kann aber durchaus Teil einer Kristallstruktur sein (z.B. die Körnung bei Metallen). Ein Gefüge kann durch eine (zueinander relative oder absolute) Anordnung und/oder durch eine (zueinander relative oder absolute) Größe und/oder durch eine Form der Kristalle bzw. Körner bestimmt sein.
Eine weitere besondere Aufgabe wäre die Herstellung eines Bauteils, bei dem Innere Spannungen aufgelöst werden sollen. In der Regel geht es hier um Spannungen, die sich während einer Abkühlung des Bauteils bilden. Es können aber auch gezielt innere Spannungen hergestellt werden.
Mit den nachfolgenden bevorzugten Ausführungsformen kann der Schritt der nachträglichen Wärmebehandlung, z.B. einem Nachglühen, vermieden oder vereinfacht werden. Dazu ist es erforderlich, dass das Bauteil während seiner Fertigung eine (ggf. viel) höhere Temperatur hat als bei seiner Fertigung normalerweise vorgesehen ist, zumindest in einigen Teilbereichen.
Ein Sonderbereich kann wie oben bevorzugt zur Herstellung einer besonders homogenen Temperaturverteilung bei der Fertigung dienen. Man könnte diesen Sonderbereich auch als „Homogenitäts-Sonderbereich“ bezeichnen. Ein Sonderbereich, der einer Wärmebehandlung dienen soll, könnte auch als „Wärmebehandlungs-Sonderbereich“ bezeichnet werden.
Bei dem Festlegen der Anzahl von Sonderbereichen kann diese Anzahl der Sonderbereiche eine Anzahl von Homogenitäts-Sonderbereichen und/oder eine Anzahl von Wärmebehandlungs-Sonderbereichen umfassen (ggf. auch beide Arten von Sonderbereichen). Ein vorbestimmtes, systematisches Fertigungsmerkmal eines Wärmebehandlungs-Sonderbereichs kann die Herstellung oder Auflösung einer inneren Spannung sein oder die Herstellung eines vorgegebenen Gefüges. In der Praxis werden insbesondere die Wärmebehandlungs-Sonderbereiche in der Regel fest vorgegeben.
Es können durchaus beide Typen von Sonderbereichen in einer Bauteilschicht vorliegen. Bevorzugt weist ein Wärmebehandlungs-Sonderbereich noch zusätzlich einen Homogenitäts-Sonderbereich auf, der einem Teilbereich, insbesondere dem Rand, des Wärmebehandlungs-Sonderbereichs entspricht. Dieser Homogenitäts-Sonderbereich hat den Vorteil, dass der Wärmebehandlungs-Sonderbereich sehr homogen mit einer (vorgegebenen) Temperatur behandelt werden kann.
Unabhängig von der Art des Sonderbereichs erfolgt die Zuordnung zum Prozessraum- Sensordatensatz jeweils gleich.
Was ein Korrekturfaktor-Modul betrifft, kann dieses entsprechend dem jeweiligen Sonderbereich als „Homogenitäts-Korrekturfaktor-Modul“ oder als „Wärmebehandlungs-Korrektur- faktor-Modul“ bezeichnet werden. Ein Homogenitäts-Korrekturfaktor-Modul dient dazu, die Temperatur über einen Bereich der Bauteilschicht möglichst homogen zu gestalten, ein Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul dient dazu, die vorgegebene Temperatur so zu modifizieren, dass in einem Sonderbereich eine Wärmebehandlung während der Fertigung vorgenommen wird, indem dort eine vorgegebene Leistung vor, und/oder während und/oder nach einer Verfestigung eingebracht wird und der Sonderbereich dort mehr oder weniger erhitzt wird, als die umgebenden Bereiche oder eine Anzahl von weiteren Malen erhitzt wird. Ein Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul kann durchaus zu einer Korrektur führen, bei der ein Sonderbereich statt ein einziges Mal (mit einer höheren oder niedrigeren Temperatur) zwei oder mehrere Male bestrahlt wird (z.B. einmal zum Verfestigen und anschließend und/oder davor zur Wärmebehandlung).
Dient ein Homogenitäts-Korrekturfaktor-Modul also dazu, dass die zugewiesenen Korrekturfaktoren bzw. korrigierte Bestrahlungswerte zu einer homogenen Fertigung führen, so dient das Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul dazu, Korrekturfaktoren bzw. korrigierte Bestrahlungswerte zuzuweisen, mit denen ein betreffender Sonderbereich mit einer anderen Temperatur gefertigt oder behandelt wird, als die umgebenden Bereiche. In einem bevorzugten Fall sind die Steuerdaten, die korrigiert werden, bereits so gestaltet, dass die Wärmebehandlung (für Bauteile aus Metall z.B. das Nachglühen) während der Fertigung erfolgt. Die Korrektur sorgt dann dafür, dass diese Wärmebehandlung im Bauteil homogen erfolgt und/oder stellt sicher, dass die gewünschte Temperatur bzw. die zur Wärmebehandlung notwendige Temperatur während der Herstellung erreicht wird. Die Bereiche, in denen eine Wärmebehandlung erfolgen soll, sind bevorzugt größer als die Sonderbereiche bzw. die Sonderbereiche sind ein Teil der Bereiche, in denen eine Wärmebehandlung erfolgen soll. Die Sonderbereiche sind hier also im Grunde Homogenitäts- Sonderbereiche.
Für eine Wärmebehandlung wird eine Laserleistung größer als 400 W, insbesondere größer als 600 W oder gar größer als 800 W bevorzugt. Die Laserleistung ist aber bevorzugt kleiner als 1200 W, insbesondere kleiner als 1100 W oder gar kleiner als 1000 W. Ein bevorzugter Fokusdurchmesser ist größer als 60 pm, insbesondere größer als 80 pm oder gar größer als 100 pm. Der Fokusdurchmesser ist aber bevorzugt kleiner als 10 mm, insbesondere kleiner als 1 mm. Besonders bevorzugte Fokusdurchmesser sind kleiner als 260 pm, insbesondere kleiner als 220 pm oder gar kleiner als 180 pm.
In dem Falle, dass herkömmliche Steuerdaten verwendet werden, ist das Korrekturfaktor- Modul im Grunde das oben genannte Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul. Dieses Modul weist einen Korrekturfaktor oder einen korrigierten Bestrahlungswert zu, der eine vorgegebene Strahlungsleistung umfasst. Es ist dabei bevorzugt, dass im Zuge des Korrigierens der Steuerdaten zusätzlich zum Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul noch ein Homogenitäts-Korrekturfaktor-Modul verwendet wird.
Ein Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul weist also Korrekturfaktoren bzw. korrigierte Bestrahlungswerte für eine Wärmebehandlung des betreffenden Sonderbereichs zu, welche die Temperatur vor und/oder bei und/oder nach der Verfestigung des Sonderbereichs so anheben oder absenken, dass der betreffende Sonderbereich mit einer höheren oder niedrigeren Temperatur gefertigt wird als benachbarte Bereiche, so dass dort während der Fertigung eine Wärmebehandlung erfolgt.
Es wird angemerkt, dass in dem Falle, dass sowohl ein Homogenitäts-Korrekturfaktor- Modul als auch ein Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul korrigierte Bestrahlungswerte zuweist, diese beiden Module Bestrahlungswerte bei dem Korrigieren der Steuerdaten berücksichtigt werden sollten. Es könnten dabei insbesondere Werte addiert werden, z.B. indem Zeitdauern, die für eine Strahlführung vorgegeben sind, addiert werden, so dass der Strahl eine längere Zeit zum Abfahren einer Bahn benötigt, also mehr Wärme dort einbringt. Das Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul kann aber auch dafür sorgen, dass ein weiteres Mal bestrahlt wird. Das Homogenitäts-Korrekturfaktor-Modul kann dafür sorgen, dass ein Homogenitäts-Sonderbereich innerhalb eines Wärmebehandlungs-Sonderbereichs anders wärmebehandelt wird als dessen Umgebung, um eine besonders homogene Wärmebehandlung zu erreichen.
Es ist mit der Ausführungsform möglich, eine besondere Wärmebehandlung zum Anpassen von weiteren Bauteileigenschaften vorzunehmen. Dabei werden ausgewählte Sonderbereiche des Bauteils gezielt mit einer anderen Temperatur wärmebehandelt als andere. Beispielsweise kann ein Innenbereich stärker oder schwächer aufgeheizt werden als ein Außenbereich oder es werden Bereiche, in denen bei der späteren Verwendung des Bauteils bestimmungsgemäß andere Kräfte herrschen, anders wärmebehandelt als andere Bauteilbereiche. Dadurch kann erreicht werden, dass einige Bereiche des Bauteils gezielt weicher oder härter oder spröder oder elastischer gestaltet werden können als andere Bereiche des Bauteils. Insbesondere können unterschiedliche Bereiche unterschiedlich thermisch behandelt werden, so dass sie ein unterschiedliches Gefüge aufweisen.
Dies kann auch mit bereits vorgefertigten Steuerdaten erreicht werden. Hierzu müssen aber bei der Korrektur der Steuerdaten darauf geachtet werden, dass beim Generieren des Korrekturfaktor-Moduls dessen Korrekturfaktoren so generiert werden, dass in dem betreffenden Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht eine Temperaturverteilung erreicht wird, die durch die vorgefertigten Steuerdaten vorgegeben ist. Dies sollte im Übrigen nicht nur bei einer besonderen Temperaturbehandlung erfolgen, sondern auch bei einer „normalen“ Fertigung, wenn unterschiedliche Fertigungstemperaturen gewünscht sind. Es könnten an Stelle der Korrekturfaktoren auch direkt korrigierte Bestrahlungswerte zugewiesen werden. Diese müssen dann aber auf den vorgefertigten Steuerdaten basieren und sollten so gestaltet sein, dass das gewünschte Temperaturprofil erreicht wird.
Bei einer Warmbehandlung (im Ofen) gemäß dem Stand der Technik muss, je nachdem welche Eigenschaften das resultierenden Bauteil haben soll, ein Kompromiss für Parameter gefunden werden: einige Teilbereiche könnten eine stärkere Wärmebehandlung benötigen, während andere eine schwächere bekommen sollen. Im Ofen kann aber nur eine durchschnittliche Temperatur über das Bauteil erreicht werden. Eine Wärmebehandlung gemäß der Erfindung ermöglicht, dass Teilbereiche des Bauteils Wärmebehandlungen mit unterschiedlichen Temperaturen erhalten können. Diese Teilbereiche können z.B. Bereiche sein, die besseren mechanischen Eigenschaften und/oder ein anderes Gefüge haben sollen als andere Bereiche. Es können auch gezielt Bereiche von der Wärmebehandlung ausgenommen oder erneut erhitzt werden. Es ist es bevorzugt, dass bereits verfestigte Bereiche nach der Verfestigung (ggf. mehrmals) erneut erhitzt werden. Die Wärmebehandlung erfolgt also in diesem Fall durch diese zusätzliche Erhitzung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden „normale“ Steuerdaten für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht verwendet und diese dann basierend auf dem Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul (z.B. einer Wärmebehandlungs-Karte oder -Funktion) korrigiert. Das Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Modul gibt dabei besonders bevorzugt eine inhomogene Bestrahlung (für die inhomogene Wärmebehandlung) vor.
Die dermaßen korrigierten Steuerdaten werden dann an eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils ausgegeben, damit eine neue Bauteilschicht gefertigt werden kann. Diese neue Bauteilschicht bzw. ein Prozessraum-Sensordatensatz dieser neuen Bauteilschicht dient bevorzugt daraufhin wieder als Basis für einen erneuten Durchlauf des Verfahrens für die nächste Bauteilschicht.
Bevorzugt wird die Abkühlung von Bereichen einer Bauteilschicht durch Einstellen der Laserparameter kontrolliert, damit mittels eines gewünschten kontrollierten Abkühlungsverhaltens innere Spannungen vermindert bzw. vermieden werden. Es ist aber je nach Bauteil auch bevorzugt, das Abkühlverhalten durch Einstellen der Laserparameter dermaßen zu kontrollieren, dass gezielt Spannungen entstehen. Es kann nämlich auch vorteilhaft sein, absichtlich innere Spannungen zu indizieren, damit das resultierende Bauteil daraus folgend bestimmte Eigenschaften aufweist (ähnlich wie bei temperiertem Glas).
Bevorzugt wird eine erhöhte Temperatur durch die Anpassung der Laserleistung und/oder des Strahlprofils erreicht.
Ein Sonderbereich, der während der Herstellung mit einer höheren effektiven Temperatur aufgrund der Strahlverformung bzw. der Intensitätsänderung erfährt (also ein Bereich, der eine Wärmebehandlung erfahren soll) könnte hier als ein „Überhitzungsbereich“ bezeichnet werden, wobei die Überhitzung durch eine Änderung der Strahlung absichtlich induziert wird. Es ist im Rahmen der Erfindung auch bevorzugt, dass die Laserintensität in einigen Sonderbereichen graduell reduziert wird, damit das Bauteil oder ein Teilbereich des Bauteils kontrolliert abgekühlt wird.
Das (Wärmebehandlungs-)Korrekturfaktor-Modul kann zuletzt, insbesondere nach der Fertigung des Bauteils abgespeichert und zur Fertigung weiterer Bauteile verwendet werden.
Betrachtet man das erfindungsgemäße Verfahren, so könnte für eine bevorzugte Ausführungsform, bei der die Wärmebehandlung im Zuge einer Korrektur von „normalen“ Steuerdaten erfolgt, so aussehen:
- Generieren eines Wärmebehandlungs-Korrekturfaktor-Moduls, welches zumindest einem Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht Korrekturfaktoren oder korrigierte Bestrahlungswerte für eine Wärmebehandlung zuweist, wobei die Korrekturfaktoren oder die korrigierten Bestrahlungswerte für die Wärmebehandlung aus vorgegebenen Bedingungen generiert werden und in zumindest einem Teil der Sonderbereiche gemäß anderen Regeln generiert werden als in anderen Bereichen der Soll-Form außerhalb der Sonderbereiche,
- (bevorzugt zusätzlich:) Generieren eines Homogenitäts-Korrekturfaktor-Moduls, welches zumindest einem Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht Korrekturfaktoren oder korrigierte Bestrahlungswerte zuweist, wobei die Korrekturfaktoren oder die korrigierten Bestrahlungswerte aus dem Prozessraum-Sensordatensatz generiert werden und in den Sonderbereichen gemäß anderen Regeln generiert werden als in anderen Bereichen der Soll-Form außerhalb der Sonderbereiche,
- Korrigieren von Steuerdaten für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht basierend auf dem Homogenitäts-Korrekturfaktor-Modul und dem Wärmebehandlungs- Korrekturfaktor-Modul,
- Ausgeben der korrigierten Steuerdaten an eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils.
Kurz gesagt lässt sich mit diesen besonderen Ausführungsformen über die Dauer des Bauprozesses ein bestimmtes hohes Temperaturniveau global oder lokal über das Bauteil halten. Bei einer lokalen Differenzierung können gezielt Bereiche erzeugt werden, welche lokal andere Eigenschaften haben als das Gesamtbauteil. Grundsätzlich eignet sich z.B. ein Big-Spot bzw. Beam-Shaping Prozess hierzu besser als ein Standardprozess, da deutlich mehr Leistung zur Verfügung steht, um ein Teil deutlich "heißer" als notwendig zu bauen. Dadurch kann eine nachfolgende Wärmebehandlung eingespart werden oder dazu verwendet werden, die Bauteileigenschaften auf eine weitere besondere Weise anzupassen, z.B. indem der Wandbereich des Bauteils nochmals besonders gehärtet wird.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur additiven Fertigung,
Figur 2 eine Skizze für einen Energieeintrag und Korrekturfaktoren am Rand einer Bauteilschicht,
Figur 3 einen möglichen Prozessraum-Sensordatensatz für eine Bauteilschicht und deren Soll-Form,
Figur 4 ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 5 Komponenten zur Fertigung eines Bauteils,
Figur 6 eine normale Korrektur von Steuerdaten gemäß dem Stand der Technik,
Figur 7 eine optimierte Korrektur von Steuerdaten.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung von Bauteilen in Form einer selektiven Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung beschrieben, wobei explizit noch einmal darauf hingewiesen ist, dass die Erfindung nicht auf selektive Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtungen beschränkt ist. Die Vorrichtung wird im Folgenden - ohne eine Beschränkung der Allgemeinheit - daher kurz als „Fertigungsvorrichtung“ 1 bezeichnet.
Eine solche Fertigungsvorrichtung 1 ist schematisch in Figur 1 gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Prozesskammer 3 bzw. einen Prozessraum 3 mit einer Kammerwandung 4 auf, in der im Wesentlichen der Fertigungsprozess abläuft. In der Prozesskammer 3 befindet sich ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6. Die obere Öffnung des Behälters 5 bildet die jeweils aktuelle Arbeitsebene 7. Der innerhalb der Öffnung des Behälters 5 liegende Bereich dieser Arbeitsebene 7 kann zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden und wird daher als Baufeld 8 bezeichnet.
Der Behälter 5 weist eine in einer vertikalen Richtung V bewegliche Grundplatte 11 auf, die auf einem Träger 10 angeordnet ist. Diese Grundplatte 11 schließt den Behälter 5 nach unten ab und bildet damit dessen Boden. Die Grundplatte 11 kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein, sie kann aber auch eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein und an dem Träger 10 befestigt oder auf diesem einfach gelagert sein. Je nach Art des konkreten Aufbaumaterials, also beispielsweise des verwendeten Pulvers, und des Fertigungsprozesses kann auf der Grundplatte 11 eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Grundsätzlich kann das Objekt 2 aber auch auf der Grundplatte 11 selbst aufgebaut werden, die dann die Bauunterlage bildet.
Der grundsätzliche Aufbau des Objekts 2 erfolgt, indem eine Schicht Aufbaumaterial 13 zunächst auf die Bauplattform 12 aufgebracht wird, dann - wie später erläutert - mit einem Laserstrahl 22 als Energiestrahl an den Punkten, welche Teile des zu fertigenden Objekts 2 bilden sollen, das Aufbaumaterial 13 selektiv verfestigt wird, dann mit Hilfe des Trägers 10 die Grundplatte 11 , somit die Bauplattform 12 abgesenkt wird und eine neue Schicht des Aufbaumaterials 13 aufgetragen und selektiv verfestigt wird usw. In Figur 1 ist das in dem Behälter auf der Bauplattform 12 aufgebaute Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt. Es weist bereits mehrere verfestigte Schichten auf, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13. Als Aufbaumaterial 13 können verschiedene Materialien verwendet werden, vorzugsweise Pulver, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver oder auch pastöse Materialien sowie optional eine Mischung mehrerer Materialien.
Frisches Aufbaumaterial 15 befindet sich in einem Vorratsbehälter 14 der Fertigungsvorrichtung 1. Mit Hilfe eines in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichters 16 kann das Aufbaumaterial in der Arbeitsebene 7 bzw. innerhalb des Baufelds 8 in Form einer dünnen Schicht aufgebracht werden.
Optional befindet sich in der Prozesskammer 3 eine zusätzliche Strahlungsheizung 17. Diese kann zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 13 dienen, so dass die für die selektive Verfestigung genutzte Bestrahlungseinrichtung nicht zu viel Energie einbringen muss. Das heißt, es kann beispielsweise mit Hilfe der Strahlungsheizung 17 schon eine Menge an Grundenergie in das Aufbaumaterial 13 eingebracht werden, welche natürlich noch unterhalb der notwendigen Energie ist, bei der das Aufbaumaterial 13 verschmilzt oder sintert. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler oder VCSEL-Strahler genutzt werden.
Zum selektiven Verfestigen weist die Fertigungsvorrichtung 1 eine Bestrahlungsvorrichtung 20 bzw. konkret Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21 auf. Dieser Laser 21 erzeugt einen Laserstrahl 22, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt wird, um so die gemäß der Belichtungsstrategie vorgesehenen Belichtungspfade oder Spuren (Hatchlinien) in der jeweils selektiv zu verfestigenden Schicht abzufahren und selektiv die Energie einzubringen. Weiter wird dieser Laserstrahl 22 durch eine Fokussiereinrichtung 24 auf die Arbeitsebene 7 in geeigneter Weise fokussiert. Die Bestrahlungsvorrichtung 20 befindet sich hier vorzugsweise außerhalb der Prozesskammer 3 und der Laserstrahl 22 wird über ein an der Oberseite der Prozesskammer 3 in der Kammerwandung 4 angebrachtes Einkoppelfenster 25 in die Prozesskammer 3 geleitet.
Die Bestrahlungsvorrichtung 20 kann beispielsweise nicht nur einen, sondern mehrere Laser umfassen. Vorzugsweise kann es sich hierbei um Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z. B. Laserdioden handeln, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) oder eine Zeile dieser Laser. Ganz besonders bevorzugt können im Rahmen der Erfindung ein oder mehrere unpolarisierte Single-Mode-Laser, z. B. ein 3 kW-Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1070 nm, eingesetzt werden.
Die Fertigung wird mit der Sensoranordnung 18 überwacht. Diese kann z.B. einen Strahlungssensor, z.B. eine Wärmebildkamera, umfassen und misst ortsaufgelöste Wärmedaten einer Anzahl von Bereichen einer Bauteilschicht B.
Zur Steuerung der Einheiten der Fertigungsvorrichtung 1 dient eine Steuereinrichtung 30 umfassend eine Steuereinheit 29, welche die Komponenten der Bestrahlungsvorrichtung 20, nämlich hier den Laser 21 , die Umlenkvorrichtung 23 und die Fokussiervorrichtung 24, ansteuert und hierzu an diese entsprechend Steuerdaten PS übergibt. Die Steuereinheit 29 steuert auch mittels geeigneter Heizungssteuerdaten HS die Strahlungsheizung 17 an, mittels Beschichtungssteuerdaten ST den Beschichter 16 und mittels Trägersteuerdaten TS die Bewegung des Trägers 10 und steuert somit die Schichtdicke.
Die Steuereinrichtung 30 ist, hier z. B. über einen Bus 60 oder eine andere Datenverbindung, mit einem Terminal 40 mit einem Display oder dergleichen gekoppelt. Über dieses Terminal 40 kann ein Bediener die Steuereinrichtung 30 und somit die gesamte Lasersintervorrichtung 1 steuern, z. B. durch Übermittlung von Prozesssteuerdaten PS.
Um den Produktionsprozess zu optimieren, werden mittels einer Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 in der erfindungsgemäßen Weise die Steuerdaten PS so generiert bzw. so modifiziert, dass die Ansteuerung der Vorrichtung 1 zumindest zeitweise in einem erfindungsgemäßen Modus erfolgt.
Die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 umfasst hier eine Datenschnittstelle 35, ausgelegt zum Empfang eines Prozessraum-Kontrolldatensatzes KD umfassend Informationen zu einer Soll-Form F der aktuell verfestigten Bauteilschicht B, und des Prozessraum-Sensordatensatzes SD der aktuell verfestigten Bauteilschicht B des Bauteils 2 (s. z.B. Figur 3). Der Prozessraum-Sensordatensatz SD umfasst dabei die mittels der Sensoranordnung 18 aufgenommenen ortsaufgelösten Wärmedaten.
Des Weiteren umfasst die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 eine Registrierungs-Einheit 36, ausgelegt zum Festlegen einer Anzahl von Sonderbereichen S in der Soll-Form F, wobei jeder Sonderbereich S ein Bereich mit vorbestimmten, systematischen Formmerkmalen und/oder Fertigungsmerkmalen in der Bauteilschicht B ist. Zudem ist die Registrierungseinheit 36 zum Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen S zu entsprechenden Bereichen der Anzahl von Bereichen im Prozessraum-Sensordatensatz SD ausgelegt.
Zusätzlich umfasst die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 eine Moduleinheit 37, ausgelegt zum Generieren einer Korrekturfaktor- Karte KK als Korrekturfaktor- Mod ul KK. Diese Korrekturfaktor- Karte KK weist zumindest einem Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht B1 Korrekturfaktoren KF oder die korrigierte Bestrahlungswerte zu. Die Korrekturfaktoren KF oder korrigierten Bestrahlungswerte werden dabei aus dem Prozessraum-Sensordatensatz SD generiert und in den Sonderbereichen S gemäß anderen Regeln generiert als außerhalb der Sonderbereiche S. Darüber hinaus umfasst die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 eine Korrektureinheit 38, ausgelegt zum Korrigieren von Steuerdaten PS für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht B1 basierend auf der Korrekturfaktor-Karte KK.
Eine Ausgabe der korrigierten Steuerdaten PS an die Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines Bauteils 2 kann in diesem Beispiel dann wieder über die Datenschnittstelle 35 erfolgen, wobei dafür aber auch eine andere Datenschnittstelle verwendet werden kann.
Es wird an dieser Stelle auch noch einmal darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Fertigungsvorrichtung 1 beschränkt ist. Sie kann auf andere Verfahren zum generativen bzw. additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials angewendet werden, wobei ein Energiestrahl zum Verfestigen auf das zu verfestigende Aufbaumaterial abgegeben wird. Dementsprechend kann auch die Bestrahlungsvorrichtung nicht nur, wie hier beschrieben, ein Laser sein, sondern es könnte jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie als Wellen- oder Teilchenstrahlung selektiv auf bzw. in das Aufbaumaterial gebracht werden kann. Beispielsweise könnte anstelle eines Lasers eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl etc. verwendet werden.
Auch wenn in Figur 1 nur ein einzelnes Objekt 2 bzw. Bauteil 2 dargestellt wird, ist es möglich und in der Regel auch üblich, mehrere Objekte in der Prozesskammer 3 bzw. im Behälter 5 zeitlich parallel herzustellen. Dazu wird das Aufbaumaterial schichtweise an Stellen, die den Querschnitten der Objekte in der jeweiligen Schicht entsprechen, durch den Energiestrahl 22 abgetastet.
Figur 2 zeigt eine Skizze für einen Energieeintrag und Korrekturfaktoren KF am Rand einer Bauteilschicht B. Der Pfeil unten deutet eine räumliche Komponente an, der Pfeil links einen Stärkewert. Die durchgezogene vertikale Linie soll den Rand der Bauteilschicht B symbolisieren und die benachbarte gestrichelte Linie die Grenze eines Sonderbereichs S, der zwischen diesen beiden Linien liegt. Der Bereich zwischen der gestrichelten und der strichpunktierten vertikalen Linie kann als benachbarter, normaler Bereich angesehen werden.
Die durchgezogenen Linien zeigen zwei mögliche Temperaturverläufe in einem Prozessraum-Sensordatensatz SD, wobei die obere Linie einen Temperaturverlauf eines überhitzten Bauteilrandbereichs, die untere Linie einen Temperaturverlauf in einem nicht überhitzten Bauteilrandbereich anzeigt.
Die gestrichelten Linien zeigen zwei mögliche Korrekturfaktoren KF für die jeweiligen durchgezogenen Linien, wenn ein Sonderbereich (Bauteilrandbereich) nicht gesondert behandelt werden würde, sondern analog zu dem Bauteilinnenbereich (kein Sonderbereich). Die gepunkteten Linien in der Mitte zeigen die geänderten Korrekturfaktoren für den Bauteilrandbereich (Sonderbereich S) für die beiden oben genannten Fälle.
Figur 3 zeigt einen möglichen Prozessraum-Sensordatensatz SD (links) für eine Bauteilschicht B und deren Soll-Form F in einem Prozessraum-Kontrolldatensatz KD (rechts). An ihren Enden sieht man in dem Prozessraum-Sensordatensatz SD der Bauteilschicht B Stellen, in denen eine Überhitzung aufgetreten ist (dunkler schraffiert). Diese Inhomogenitäten der Temperaturverteilung können in nachfolgenden Schichten kompensiert werden, insbesondere, wenn in der Soll-Form F ein Sonderbereich S ausgewiesen wird (s. Figuren 6 und 7). Die beiden Pfeile deuten an, dass die Soll-Form in einen „normalen Bereich“ (unten, ohne Umrandung dargestellt) und einen Sonderbereich S (nur Umrandung) segmentiert werden kann.
Wohlgemerkt werden nicht die überhitzten Bereiche als Sonderbereiche S angesehen, da der Überhitzung im „Inneren“ bei der Fertigung der nächsten Bauteilschicht mittels eines einfach ermittelbaren Korrekturfaktors KF entgegengewirkt werden kann (s. z.B. das Verfahren in Figur 4). Am Rand R sieht es jedoch anders aus. Hier muss der Korrekturfaktor KF auf andere Weise ermittelt werden, z.B. durch Interpolation oder indem Korrekturfaktoren KF benachbarter Innenbereiche verwendet werden. Daher wird der Rand R hier als Sonderbereich S angesehen.
Figur 4 zeigt ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Generierung von Steuerdaten PS für eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines Bauteils 2 in einem Fertigungsprozess (s. Figur 1), in welchem in einem Baufeld 8 das Bauteil 2 in Form von Bauteilschichten B durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial 13, z.B. umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials 13 mit zumindest einem Energiestrahl 22 aufgebaut wird. In Schritt I erfolgt eine Aufnahme eines Prozessraum-Sensordatensatzes SD einer aktuell verfestigten Bauteilschicht B des Bauteils 2 mittels einer Sensoranordnung 18, wobei der Prozessraum-Sensordatensatz SD zumindest ortsaufgelöste Wärmestrahlungsdaten einer Anzahl von Bereichen dieser Bauteilschicht B umfasst.
In Schritt II wird ein Prozessraum-Kontrolldatensatz KD mit Informationen zu einer Soll- Form F der aktuell verfestigten Bauteilschicht B bereitgestellt. Dies kann z.B. basierend auf CAD-Daten des Bauteils 2 oder aus vorgegebenen Steuerdaten PS erfolgen.
In Schritt III wird eine Anzahl von Sonderbereichen S in der Soll-Form F festgelegt, wobei jeder Sonderbereich S ein Bereich mit vorbestimmten, systematischen Formmerkmalen und/oder Fertigungsmerkmalen in der Bauteilschicht B ist. Hier ist der Bauteil-Randbereich der Bauteilschicht B als Sonderbereich gestrichelt markiert.
In Schritt IV wird die Anzahl von Sonderbereichen S zu entsprechenden Bereichen der Anzahl von Bereichen im Prozessraum-Sensordatensatz SD zugeordnet. Dies kann z.B. mittels einer Bildregistrierung erfolgen. Im Prozessraum-Sensordatensatz SD sind in der Bauteilschicht unterschiedliche Schraffuren zu erkennen. Diese sollen unterschiedliche gemessene Temperaturen bzw. abgestrahlte Wärmemengen symbolisieren.
In Schritt V wird eine Korrekturfaktor-Karte KK als Korrekturfaktor-Modul KK generiert, welche zumindest einem Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht B1 Korrekturfaktoren KF oder korrigierte Bestrahlungswerte zuweist (s. z.B. Figuren 6 und 7). Hier werden z.B. Korrekturfaktoren KF generiert, indem für “normale“ Bereiche jeweils ein Wert gewählt wird, der umso geringer ist, je wärmer der entsprechende Bereich der Bauteilschicht B in Schritt IV war. Für den Sonderbereich S wird anders vorgegangen. Hier könnten für die Korrekturfaktoren KF die Korrekturfaktoren KF benachbarter „normaler“ Bereiche verwendet werden oder die Korrekturfaktoren KF aus vorgegebenen, konstanten Korrekturfaktoren KF gebildet werden. Sie könnten aber auch durch interpolierende Verfahren ermittelt werden oder basierend auf einem Modell einer theoretischen Temperaturänderung.
In diesem Schritt V werden die (ursprünglichen) Steuerdaten PS für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht B1 basierend auf der Korrekturfaktor-Karte KK korrigiert. Als Ergebnis des Verfahrens werden die korrigierten Steuerdaten PS wieder an die Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung des Bauteils 2 zur Fertigung der nächsten Bauteilschicht ausgegeben.
Figur 5 zeigt Komponenten zur Fertigung eines Bauteils 2, die in der Fertigungsvorrichtung 1 angeordnet oder damit verknüpft sein können. Im Unterschied zu Figur 1 wurde hier eine vereinfachte Darstellung gewählt, die nur die für das Verfahren wichtigsten Komponenten zeigt. Im fett umrandeten Kasten links sind wieder die Bestrahlungssteuerschnittstelle 31 und die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 mit Datenschnittstelle 35, Registrierungs- Einheit 36, Moduleinheit 37 und Korrektureinheit 38 zu sehen. Diese erhalten von links Steuerdaten PS, welche durch Korrekturfaktor-Karten KK als Korrekturfaktor-Module KK korrigiert werden und in korrigierter Form der Bestrahlungssteuerschnittstelle 31 zugehen. Die Sensoranordnung 18 liefert den dazu nötigen Prozessraum-Sensordatensatz SD. Die Umlenkvorrichtung 23 und der Laser 21 wird dann entsprechend der korrigierten Steuerdaten PS zur Fertigung der nächsten Bauteilschicht B mit dem Energiestrahl 22 gesteuert. Die Korrekturfaktor-Karten KK werden hier noch in der Speichereinheit 39 abgespeichert.
Figuren 6 und 7 skizzieren eine Korrektur von Steuerdaten PS. In der unteren Zeile sind die ortsaufgelösten Wärmedaten von mehreren unmittelbar übereinanderliegenden Bauteilschicht B, B1 , B2 zu sehen. Diese werden von der Sensoranordnung 18 als Prozessraum-Sensordatensatz SD aufgenommen und es werden nach dem Verfahren wie in Figur 4 skizziert Korrekturfaktor-Karten KK als Korrekturfaktor-Module KK erstellt (obere Zeile). Zu erkennen ist, dass die Korrekturfaktor-Karten KK wie ein Negativbild der Wärmeverteilungen aussehen. Dies liegt daran, dass bei einer zu großen lokalen Wärme an dieser Stelle im nächsten Fertigungsschritt eine geringere Energie eingebracht werden soll.
In Figur 6 wird eine normale Korrektur ohne die Berücksichtigung von Sonderbereichen S angewandt. Man sieht, dass sich innerhalb der Innenfläche der Bauteilschicht zuletzt (Bauteilschicht B2 rechts unten) eine homogene Temperarturverteilung einstellt, jedoch der Rand einen zu starken Energieeintrag erfährt (mit einer dicken Randlinie angedeutet). Dies wird jedoch von der Sensoranordnung 18 nicht wahrgenommen, da diese am Rand auch unverfestigte Bereiche „sieht“ und deren Temperatur mit der Temperatur des Randbereichs aufgrund der begrenzten Auflösung vermischt. Figur 7 zeigt eine optimierte Korrektur mit einer Berücksichtigung von Sonderbereichen S. Hier wird der Randbereich als Sonderbereich S angesehen und die Korrekturfaktoren dort anders ermittelt, z.B. indem Korrekturfaktoren benachbarter Innenbereiche verwendet werden. Es ergibt sich dadurch eine gute Homogenität der Temperaturverteilung auch im Randbereich (Bauteilschicht B2 rechts unten).
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedensterWeise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel könnte eine Verfestigung anstatt mit Laserlicht auch mit anderen Energiestrahlen erfolgen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können. Der Ausdruck "eine Anzahl" ist als "mindestens ein(e)" zu verstehen.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung zur additiven Fertigung / Lasersintervorrichtung
2 Bauteil / Objekt
3 Prozessraum / Prozesskammer
4 Kammerwandung
5 Behälter
6 Behälterwandung
7 Arbeitsebene
8 Baufeld
10 Träger
11 Grundplatte
12 Bauplattform
13 Aufbaumaterial (im Behälter 5)
14 Vorratsbehälter
15 Aufbaumaterial (im Vorratsbehälter 14)
16 Beschichter
17 Strahlungsheizung
18 Sensoranordnung
20 Bestrahlungsvorrichtung / Belichtungsvorrichtung
21 Laser
22 Laserstrahl / Energiestrahl
23 Umlenkvorrichtung / Scanner
24 Fokussiereinrichtung
25 Einkoppelfenster
29 Steuereinheit
30 Steuereinrichtung
31 Bestrahlungssteuerschnittstelle
34 Steuerdatenerzeugungsvorrichtung
35 Datenschnittstelle
36 Registrierungs-Einheit
37 Moduleinheit
38 Korrektureinheit
39 Speichereinheit
40 Terminal
60 Bus B, B1, B2 Bauteilschicht
F Soll-Form
H horizontale Richtung
HS Heizungssteuerdaten KD Prozessraum-Kontrolldatensatz
KF Korrekturfaktor
KK Korrekturfaktor-Karte / Korrekturfaktor-Modul
PS Prozesssteuerdaten
S Sonderbereich SD Prozessraum-Sensordatensatz
ST Beschichtungssteuerdaten
TS T rägersteuerdaten
V vertikale Richtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Generierung von Steuerdaten (PS) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) aufgebaut wird, das Verfahren umfassend die Schritte:
- Aufnahme eines Prozessraum-Sensordatensatzes (SD) einer aktuell verfestigten Bauteilschicht (B) des Bauteils (2) mittels einer Sensoranordnung (18), wobei der Prozessraum-Sensordatensatz (SD) zumindest ortsaufgelöste Wärmedaten einer Anzahl von Bereichen dieser Bauteilschicht (B) umfasst,
- Bereitstellen eines Prozessraum-Kontrolldatensatzes (KD) umfassend Informationen zu einer Soll-Form (F) der aktuell verfestigten Bauteilschicht (B),
- Festlegen einer Anzahl von Sonderbereichen (S) in der Soll-Form (F), wobei jeder Sonderbereich (S) ein Bereich mit vorbestimmten, systematischen Formmerkmalen und/oder Fertigungsmerkmalen in der Bauteilschicht (B) ist,
- Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen (S) zu entsprechenden Bereichen der Anzahl von Bereichen im Prozessraum-Sensordatensatz (SD),
- Generieren eines Korrekturfaktor-Moduls (KK), welches zumindest einem Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht (B1) Korrekturfaktoren (KF) oder korrigierte Bestrahlungswerte zuweist, wobei die Korrekturfaktoren (KF) oder die korrigierten Bestrahlungswerte aus dem Prozessraum-Sensordatensatz (SD) generiert werden und in den Sonderbereichen (S) gemäß anderen Regeln generiert werden als in anderen Bereichen der Soll-Form (F) außerhalb der Sonderbereiche (S),
- Korrigieren von Steuerdaten (PS) für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht (B1) basierend auf dem Korrekturfaktor-Modul (KK),
- Ausgeben der korrigierten Steuerdaten (PS) an eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei vor dem Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen (S) an die entsprechenden Bereiche im Prozessraum-Sensordatensatz (SD) der Prozessraum-Sensordatensatz (SD) gemäß bestehender Kalibrierdaten oder gemäß einer Anpassungsfunktion angepasst wird, bevorzugt wobei
- zuerst eine Kalibrierung der Sensoranordnung erfolgt und der Prozessraum- Sensordatensatz mit der kalibrierten Sensoranordnung aufgenommen wird oder - vorgefertigte Kalibrierdaten vorliegen und der Prozessraum-Sensordatensatz nach seiner Aufnahme durch die Sensoranordnung angepasst wird, bevorzugt wobei mittels eines Anpassungsalgorithmus die Sonderbereiche auf entsprechende Bereiche im Prozessraum-Sensordatensatz registriert oder dort anderweitig abgebildet werden.
3. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Sonderbereich (S)
- ein Bauteil-Randbereich der Bauteilschicht ist, und/oder
- ein Bereich der Bauteilschicht ist, in dem Verfestigungsbahnen miteinander überlappen, insbesondere deren Anfangs- oder Endbereiche, und/oder
- ein Bereich ist, in dem sich ein Hatching-Streifen verjüngt, und/oder
- ein Bereich ist, der kleiner als die optische Auflösung der Sensoranordnung (18) ist, und/oder
- ein Bereich mit Supportstrukturen ist.
4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen (S) an die entsprechenden Positionen im Prozessraum- Sensordatensatz (SD) mittels einer Bildregistrierung erfolgt, insbesondere mittels eines Verfahrens basierend auf Enhanced Correlation Coefficients.
5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Korrekturfaktoren (KF) des Korrekturfaktor-Moduls (KK) für einen Sonderbereich (S)
- aus den Korrekturfaktoren (KF) für eine Anzahl von an den Sonderbereich (S) angrenzenden Bauteilbereichen der Soll-Form (F) interpoliert oder extrapoliert werden, insbesondere durch Interpolation von Korrekturfaktoren (KF) gegenüberliegender Bauteilbereiche oder eines Bauteilbereichs und vorgegebenen Werten außerhalb des Bauteils, oder Korrekturfaktoren (KF) eines Bauteilbereichs verwendet werden,
- aus vorgegebenen, konstanten Korrekturfaktoren (KF) gebildet werden,
- durch interpolierende Verfahren aus der Bildverarbeitung ermittelt werden, die auf einer stetigen Fortsetzung der Grauwerte basieren, insbesondere basierend auf Einfärbungs- Algorithmen oder Inpainting-Algorithmen,
- basierend auf einem Modell einer theoretischen Temperaturänderung gebildet werden.
6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei vorbestimmte maximale und/oder minimale Werte für einen Korrekturfaktor (KF) vorliegen, insbesondere ein Grenzwert-Modul mit ortsaufgelösten maximalen und/oder minimalen Werten, und die Korrekturfaktoren (KF) so generiert werden, dass sie die maximalen Werte nicht überschreiten und/oder die minimalen Werte nicht unterschreiten.
7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zum Generieren des Korrekturfaktor-Moduls (KK) die Korrekturfaktoren (KF) aus dem Prozessraum- Sensordatensatz (SD) außerhalb der Anzahl der Sonderbereiche (S) mittels eines Reglers, insbesondere eines PD-Reglers, eines PI-Reglers oder eines PID-Reglers, generiert werden, und innerhalb der Anzahl der Sonderbereiche (S) bevorzugt
- ohne den Regler generiert werden, oder
- zunächst mittels des Reglers generiert werden und anschließend korrigiert werden oder
- zunächst die entsprechenden Werte des Prozessraum-Sensordatensatzes (SD) korrigiert werden und danach die Korrekturfaktoren (KF) mittels des Reglers generiert werden.
8. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren für mehrere aufeinanderfolgende Bauteilschichten (B, B1 , B2) angewandt wird, bevorzugt wobei Steuerdaten (PS) zusammen mit einer Anzahl entsprechender Korrekturfaktor- Module (KK) und/oder korrigierten Steuerdaten (PS) abgespeichert werden, bevorzugt wobei für die Korrektur von Steuerdaten (PS) für ein Bauteil (2)
- ausschließlich Daten des Korrekturfaktor-Moduls (KK) verwendet werden, die aus einer Bauteilschicht (B) dieses Bauteils (2) generiert wurden oder
- Daten eines Korrekturfaktor-Moduls (KK) verwendet werden, die aus einer gleichförmigen Bauteilschicht (B) eines anderen Bauteils (2) generiert wurden.
9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zum Festlegen einer Anzahl von Sonderbereichen (S) in der aktuell verfestigten Bauteilschicht (B) zusätzlich zu einem Prozessraum-Kontrolldatensatz (KD) Informationen zu einer Form und/oder Lage der nachfolgenden Bauteilschicht (B1) bereitgestellt werden und Korrekturfaktoren (KF), insbesondere für Downskin-Bereiche, aus den Prozessraum-Kontrolldatensätzen (KD) beider Bauteilschichten (B, B1) abgeleitet werden.
10. Steuerdaten (PS) zur Steuerung einer Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung, welche nach einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche korrigiert worden sind.
11. Fertigungsverfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (2), wobei in einem Baufeld (8) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) gemäß den Steuerdaten (PS) nach Anspruch 10 aufgebaut wird, wobei zur Erstellung von Bauteilschichten (B, B1 , B2) des Bauteils (2) der Energiestrahl (22) innerhalb festgelegter Bereiche gemäß diesen Steuerdaten (PS) über das Baufeld (8) bewegt wird.
12. Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (34) zur Generierung von Steuerdaten (PS) nach Anspruch 10 für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) aufgebaut wird, die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (34) umfassend:
- eine Datenschnittstelle (35), ausgelegt zum Empfang eines Prozessraum- Kontrolldatensatzes (KD) umfassend Informationen zu einer Soll-Form (F) der aktuell verfestigten Bauteilschicht (B), und eines Prozessraum-Sensordatensatzes (SD) einer aktuell verfestigten Bauteilschicht (B) des Bauteils (2) aufgenommen mittels einer Sensoranordnung (18), wobei der Prozessraum-Sensordatensatz (SD) zumindest ortsaufgelöste Wärmedaten einer Anzahl von Bereichen dieser Bauteilschicht (B) umfasst,
- eine Registrierungs-Einheit (36), ausgelegt zum Festlegen einer Anzahl von Sonderbereichen (S) in der Soll-Form (F), wobei jeder Sonderbereich (S) ein Bereich mit vorbestimmten, systematischen Formmerkmalen und/oder Fertigungsmerkmalen in der Bauteilschicht (B) ist, und zum Zuordnen der Anzahl von Sonderbereichen (S) zu entsprechenden Bereichen der Anzahl von Bereichen im Prozessraum-Sensordatensatz (SD),
- eine Moduleinheit (37), ausgelegt zum Generieren eines Korrekturfaktor-Moduls (KK), welches zumindest einem Teilbereich einer nachfolgenden Bauteilschicht (B1) Korrekturfaktoren (KF) oder die korrigierte Bestrahlungswerte zuweist, wobei die Korrekturfaktoren (KF) oder korrigierten Bestrahlungswerte aus dem Prozessraum- Sensordatensatz (SD) generiert werden und in den Sonderbereichen (S) gemäß anderen Regeln generiert werden als außerhalb der Sonderbereiche (S),
- eine Korrektureinheit (38), ausgelegt zum Korrigieren von Steuerdaten (PS) für die additive Fertigung einer nachfolgenden Bauteilschicht (B1) basierend auf dem Korrekturfaktor-Modul (KK), eine Datenschnittstelle (35), ausgelegt zum Ausgeben der korrigierten Steuerdaten (PS) an eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2).
13. Steuereinrichtung (30) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2) in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld (8) Aufbaumaterial (13), vorzugsweise umfassend ein Metallpulver, schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial (13) mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials (13) mit zumindest einem Energiestrahl (22) mittels einer Bestrahlungsvorrichtung (20) aufgebaut wird, wobei die Steuereinrichtung (30) ausgebildet ist, die Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung der Bauteilschichten (B, B1 , B2) des Bauteils (2) gemäß Steuerdaten (PS) nach Anspruch 10 anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung (30) vorzugsweise eine Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (34) nach Anspruch 12 umfasst.
14. Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung zumindest eines Bauteils (2) in einem additiven Fertigungsprozess mit zumindest
- einer Zuführvorrichtung zum Aufbringen von Materialschichten von Aufbaumaterial (13) auf ein Baufeld in einem Prozessraum (3),
- einer Bestrahlungsvorrichtung (20), um, insbesondere zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten, Aufbaumaterial (13) durch Bestrahlung mit zumindest einem Energiestrahl (22) selektiv zu verfestigen, sowie
- einer Steuereinrichtung (30) nach Anspruch 13.
15. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9 und/oder 11 auszuführen.
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