WO2024083543A1 - Verfahren, steuerprogramm und planungseinrichtung zur pulverbettbasierten schichtweisen additiven fertigung - Google Patents

Verfahren, steuerprogramm und planungseinrichtung zur pulverbettbasierten schichtweisen additiven fertigung Download PDF

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WO2024083543A1
WO2024083543A1 PCT/EP2023/077838 EP2023077838W WO2024083543A1 WO 2024083543 A1 WO2024083543 A1 WO 2024083543A1 EP 2023077838 W EP2023077838 W EP 2023077838W WO 2024083543 A1 WO2024083543 A1 WO 2024083543A1
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powder bed
layer
component
machine
beams
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PCT/EP2023/077838
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Bernhard Gutmann
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • B22F10/20—Direct sintering or melting
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    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes

Definitions

  • the present invention relates to a method, in particular LMF, SLS or EBM method, for the layer-by-layer additive manufacturing of at least one component in a powder bed by means of at least two beams which are two-dimensionally deflectable, a control program which has code means which are adapted to carry out all steps of the method, and a planning device for creating a control program for controlling a machine for the layer-by-layer additive manufacturing of at least one component in a powder bed by means of at least two beams which are two-dimensionally deflectable over a common powder bed area.
  • a powdery material e.g. a metal or ceramic powder
  • a powdery material e.g. a metal or ceramic powder
  • Thin powder bed layers are applied one after the other in a chamber on a building platform in order to form three-dimensional objects by irradiating the respective powder bed layers with an irradiation beam, e.g. a laser beam.
  • an irradiation beam e.g. a laser beam.
  • Corresponding devices are referred to as additive manufacturing devices, 3D printing systems, selective laser sintering machines or selective laser melting machines and the like. For the functioning of such a device, reference is made, for example, to EP 2 732 890 A2.
  • PBF Powder Bed Fusion
  • thin powder bed layers e.g. made of metal, ceramic or thermoplastic powder
  • LPBF Laser Powder Bed Fusion
  • SLS selective laser sintering
  • SLM selective laser melting
  • EBM electron beam melting
  • Powder bed-based additive manufacturing of metal powder with a laser beam is also known as Laser Metal Fusion (LMF).
  • the present disclosure is directed, at least in part, to improving or overcoming one or more aspects of prior systems, and in particular to avoiding local overheating.
  • the present disclosure is directed, at least in part, to improving on or overcoming one or more aspects of prior systems. Summary of Revelation
  • Some objects of the present disclosure can be achieved by a method, in particular LMF, SLS or EBM method, for layer-by-layer additive manufacturing of at least one component in a powder bed by means of at least two beams which are two-dimensionally deflectable according to claim 1, a control program which has code means which are adapted to carry out all steps of the method according to claim 11, and a planning device for creating a control program for controlling a machine for layer-by-layer additive manufacturing of at least one component in a powder bed by means of at least two beams which are two-dimensionally deflectable over a common powder bed region according to claim 12.
  • the present disclosure discloses a method, in particular LMF, SLS or EBM method, for the layer-by-layer additive manufacturing of at least one component in a powder bed by means of at least two beams which can be deflected two-dimensionally, wherein the powder bed has a plurality of powder bed layers which are divided into a plurality of segmentation lines running approximately perpendicular to a direction of a gas flow, wherein the gas flow flows essentially parallel over the powder bed, wherein within a segment of the powder bed layer the at least two beams solidify the at least one component to be solidified by means of an essentially equal laser load, and wherein individual segmentation lines of a respective powder bed layer are adapted or shifted on the basis of a criterion.
  • the gas flow flows parallel to the plane spanned by the powder bed.
  • the adaptation of the segmentation lines is preferably understood to mean a shift of the segmentation line. This means in particular that the segmentation line is shifted in parallel.
  • the present disclosure discloses a method, in particular LMF, SLS or EBM methods, for the layer-by-layer additive manufacturing of at least one component in a powder bed by means of at least two beams which are deflectable in two dimensions, wherein the powder bed has a plurality of powder bed layers which are are divided into a plurality of segments by variable segmentation lines running approximately perpendicular to a direction of a gas flow, wherein the gas flow flows essentially parallel over the powder bed, wherein within a segment of the powder bed layer the at least two beams solidify the at least one component to be solidified by means of an essentially equal laser utilization, and wherein the variable segmentation lines of a respective powder bed layer are set on the basis of a criterion.
  • the first and second aspects of the present disclosure overcome the above-mentioned disadvantages of the prior art.
  • a method is provided that can be easily carried out in an automated manner, can also be easily implemented in existing additive manufacturing devices and can preferably be carried out during the entire manufacturing process. Furthermore, local overheating in the component can be avoided.
  • An island refers to a single, connected surface area of the cross-section of a component in a powder bed layer that is to be solidified or solidified.
  • a contour run is understood to mean solidification along a section of the target outline or along the entire target outline of an island.
  • the contour run can be formed by a single or multiple, overlapping solidification steps, with the outline of the island being formed by the outer edge of the contour run.
  • Such contour runs are known, for example, from DE 10 2005 027 0311 B3. Contour runs enable increased surface quality, for example through homogeneous material properties or a reduction in surface roughness.
  • Such contour runs can be approximated, for example, by means of consecutive linear vectors along which the beam is deflected over the powder bed.
  • the contour run When solidifying the island, a distinction is made at least between the contour run and the other, inner areas.
  • These inner areas can be solidified according to various scanning strategies, for example divided into strips or checkerboard fields.
  • the inner area of the island In the strip strategy, the inner area of the island is solidified strip by strip, with the beam solidifying each strip by deflecting it along vectors that are essentially perpendicular to the strip. Such a strategy is described in detail in EP 2956262 A2, for example.
  • the checkerboard field strategy the The inner area of the island is divided into square sections, which are solidified along vectors arranged parallel to a pair of side surfaces of each square section. The vectors are usually rotated by 90° to each other in the case of adjacent square sections.
  • a vector represents a trajectory of a beam to be executed during the solidification of the powder bed, which is created when planning the solidification.
  • a powder bed layer usually has a layer thickness of 20 pm to 120 pm, preferably 40 pm to 80 pm.
  • the criterion for adjusting individual segmentation lines of a respective powder bed layer is selected from: the geometry of at least one island of the at least one component, the slice contour of the at least one island of the at least one component and/or the change in the melt volume.
  • the segmentation line is shifted to a location at which the slice contour of at least one island of the at least one component changes at least approximately abruptly and/or at which the geometry of at least one island of the at least one component changes at least approximately abruptly and/or at which the volume of at least one island of the at least one component is divided more evenly into the segments.
  • the segmentation lines are shifted in such a way that very short vectors in peripheral areas are avoided. This leads to a more even utilization of the beams. Furthermore, local overheating can be avoided.
  • the segments of a respective powder bed layer are processed by at least two jets against the gas flow direction. This has the advantage that the smoke/dirt produced by the processing or the like does not contaminate the powder bed layer still to be processed or impair the further processing process.
  • the at least two beams solidify the at least one island of the at least one component to be processed by means of a substantially equal laser load. This prevents one beam from running ahead of the other beam and achieves high productivity.
  • the segmentation lines have a substantially straight and/or curved shape, at least in sections.
  • the segmentation lines are shifted in sections, preferably in jumps. This has the advantage that the segmentation lines can be optimally adapted to the circumstances.
  • the segments formed from the segmentation lines have a predefined width, wherein the segments preferably have a width of 1 to 15 cm.
  • the segments formed from the segmentation lines have substantially the same width and/or substantially the same volume.
  • the laser utilization is defined by a combination of the scanning speed, the length of the vectors and predetermined delays/minimum times.
  • An alternative simple approximation is the exposure area or the exposure time. The exposure time depends on the scanning speeds, the length of the vectors in the exposure area and the defined delays/minimum times.
  • the present disclosure discloses a control program comprising code means adapted to carry out all steps of the method for layer-by-layer additive manufacturing of at least one component in a powder bed by means of at least two beams when the control program is executed on a machine control of an additive manufacturing device, in particular an LMF, SLS or EBM machine.
  • the third aspect of the present disclosure overcomes the above-mentioned disadvantages of the prior art.
  • a control program is provided that can be easily carried out or executed automatically, can also be easily implemented in existing additive manufacturing devices and can preferably be carried out during the entire manufacturing process. Furthermore, local overheating in the component can be avoided.
  • a typical control program usually has a data volume in the range of megabytes to gigabytes and thus such a large number of instructions for the machine control that manual execution is not reasonably possible.
  • the control program on the other hand, has the advantage that the instructions can be executed automatically.
  • a control program usually has information on the layer thickness of the powder bed layers to be applied, the vectors to be solidified and in particular also processing parameters, for example depending on the layer thickness or the powder to be used.
  • the present disclosure discloses a planning device for creating a control program for controlling a machine for the layer-by-layer additive manufacturing of at least one component in a powder bed by means of at least two beams which can be deflected two-dimensionally over a common powder bed area
  • the planning device comprising: a vector module for creating vectors for the control program, which calculates vectors for at least one island to be solidified in each powder bed layer in such a way that when solidification is carried out along the vectors by means of beams on the machine, the island is formed, an assignment module, which is designed as part of the vector module or as a separate module, which assigns one of the several available beams of the machine to each vector of the control program in such a way that the control program is adapted, when executed on a machine control of the machine, in particular an LMF, SLS or EBM machine, to carry out the method for layer-by-layer additive manufacturing of at least one component in a powder bed by means of at least two beams, and a control interface
  • the fourth aspect of the present disclosure overcomes the above-mentioned disadvantages of the prior art.
  • a planning facility is provided that can be easily automated, can also be easily implemented in existing additive manufacturing devices and can preferably be carried out throughout the entire manufacturing process. Furthermore, local overheating in the component can be avoided.
  • this also allows an automated creation of a control program taking into account rules that avoid adverse interactions between beams. For example, it could be disadvantageous if the beams solidify the powder bed layer in the immediate vicinity, as this could lead to local overheating or the emissions during solidification could adversely affect the other beam.
  • Such a planning device often includes a computer program that is operated on a machine control or a separate computer.
  • such planning devices are often referred to as build processors.
  • Build processors are known from the state of the art, of which there are machine-specific versions, e.g. for LMF and EBM machines from various manufacturers.
  • Such a planning device creates control programs of the type described above, in particular automatically, from information about a component to be manufactured. The use of such planning devices is particularly relevant for the manufacture of complex components, since the manual programming of the control programs to be generated cannot be created within an economically reasonable time and quality due to the amount of data in the megabyte or gigabyte range.
  • the planning device includes a vector module for creating vectors for the control program, which calculates vectors for at least one island to be solidified in each powder bed layer in such a way that when solidification is carried out along the vectors using beams on the machine, the island is formed, with the vectors forming a contour run for at least one selection of the islands.
  • This allows control programs to be created in an automated manner with different scanning strategies, for example with a strip strategy or a checkerboard field strategy.
  • the planning device comprises an assignment module, which is designed as part of the vector module or as a separate module, which is assigned to each vector of the Control program assigns one of the several available beams to the machine in such a way that the control program is adapted to carry out the aforementioned method when executed on a machine control of the machine, in particular an LMF, SLS or EBM machine.
  • this also allows an automated creation of a control program taking into account rules that avoid adverse interactions between beams. For example, it could be disadvantageous if the beams in the immediate vicinity solidify the powder bed layer, as this could lead to local overheating or the emissions during solidification could have an adverse effect on the other beam.
  • the planning device also includes a control interface for controlling the machine according to the control program or for exporting the control program for transfer to a machine control system. If the planning device is set up to control the machine, this is usually part of the machine control system, so that the large control program does not have to be transferred through the machine operator's network, for example.
  • a planning device that exports the control program for transfer has the advantage that the control program can be transferred to any, optionally several suitable machines.
  • the planning device can, for example, include a computer that is independent of the machine or can be executed on it.
  • the planning device further comprises: an input interface for importing powder bed layer data of a component to be additively manufactured layer by layer and/or a slicing module for creating the powder bed layer data of the component from a construction plan of the component, wherein the powder bed layer data includes information on the islands of several, in particular all, powder bed layers to be solidified.
  • a construction module is usually referred to as a program for computer-aided design (CAD) or computer-aided design.
  • CAD computer-aided design
  • construction modules from any manufacturer can advantageously be used.
  • it can It can be advantageous if no design has to be created on the machine, as the operating options may be limited compared to an office workstation, for example due to a smaller screen or less ergonomic operating devices.
  • the planning device preferably comprises a machine control system and/or at least one additional computer. This means that some functions can be carried out at an ergonomic office workstation, for example on a laptop or a workstation, while others can be carried out on the machine, so that the time-consuming transfer of large amounts of data, such as control programs, between the office workstation and the machine can be avoided.
  • each of the modules is implemented on one or more of the computers. This allows the above-mentioned advantages of the ergonomic office workplace and the avoidance of lengthy data transfers to be used flexibly.
  • Fig. 1 schematically shows a PBF machine for powder bed-based additive manufacturing of components
  • Fig. 2a schematically shows a powder bed layer with islands to be solidified of at least one component according to the prior art
  • Fig. 2b schematically shows a powder bed layer with islands of at least one component to be solidified according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 3a schematically shows a powder bed layer with islands to be solidified of at least one component according to the prior art
  • Fig. 3b schematically shows a powder bed layer with islands of at least one component to be solidified according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 4 schematically shows a planning device for creating a
  • Fig. 5 shows a schematic of a planning system distributed across two computers.
  • Fig. 1 shows a schematic of a PBF machine 1 with a process chamber 3 and a machine control 5.
  • the machine control 5 has a data carrier 7 for storing control programs.
  • the PBF machine 1 also has at least two scanners 9a, 9b, each of which deflects a beam 11a, 11b.
  • the scanner 9a, 9b can, for example, comprise a scanner mirror that can be rotated in two directions for a laser beam, or two scanner mirrors that can be rotated in one direction.
  • the scanner 9a, 9b can, for example, comprise a galvanometer scanner.
  • the scanner 9a, 9b can comprise several pairs of electrodes for an electron beam, between which an electric field can be applied in order to deflect the electron beam.
  • the PBF machine 1 also comprises a substrate plate 13 which is arranged below the scanners 9a, 9b and on which a powder bed 15 is deposited layer by layer. is applied.
  • the substrate plate 13 is adjusted by a desired distance in the -Z direction, i.e. in the direction of increasing distance from the scanners 9a, 9b, and then a new powder bed layer is applied using a powder slider 17.
  • Wipers, blades or cylinders, for example, can be used as powder sliders 17.
  • the scanners 9a, 9b are in this case suitable for deflecting their respective beam 11a, 11b over the entire powder bed 15.
  • the entire powder bed surface represents a common powder bed region 18 in which the beams 11a, 11b can solidify the powder.
  • the substrate plate 13 can be adjusted again in the -Z direction and a new powder bed layer applied in order to manufacture components 19 layer by layer.
  • the layer of the at least one component 19 to be solidified in a powder bed layer is formed as an island 20; 20a, 20b.
  • An island 20; 20a, 20b is thus a "slice" of the at least one component 19, wherein several islands 20; 20a, 20b can be present in a layer, which are associated with only one component 19.
  • the process chamber 3 is gas-tight and comprises a gas inlet 21 and a gas outlet 23.
  • the gas inlet 21 can be used to fill the process chamber 3 with an inert gas such as nitrogen or argon to prevent oxidation of the powder.
  • an inert gas such as nitrogen or argon
  • a constant protective gas flow can also be formed over the powder bed 15 in order to remove condensates, powder particles and other particles thrown into the atmosphere by the process in the event of solidification with laser beams in order to reduce possible impairment of the laser beam.
  • the gas outlet 23 can also be used to evacuate the process chamber 3 so that electron beams can be used as beams 11a, 11b.
  • the process chamber 3 must be designed to be vacuum-tight.
  • the machine control 5 also has a data interface 25, via which, for example, control programs can be imported.
  • a control program is executed via a control interface 41, the machine control 5 can carry out all the steps on the machine required for layer-by-layer additive manufacturing, such as activating the beams 11a, 11b or deactivate, deflect with the scanner 9a, 9b, adjust the substrate plate 13 along the Z-axis or initiate a powder application.
  • Fig. 2a schematically shows a powder bed layer with two islands 20a, 20b of the at least one component 19 to be solidified according to the prior art.
  • the powder bed layer is divided into three segments using segmentation lines 14a, 14b.
  • the segmentation lines 14a, 14b are arranged at the same distance from one another and are rigid, i.e. the same distance from one another in each layer. It is irrelevant at which positions the islands 20a, 20b to be solidified are positioned on the powder bed layer.
  • Fig. 2b schematically shows a powder bed layer with two islands 20a, 20b to be solidified of the at least one component 19 according to an embodiment of the present invention.
  • the powder bed layer is divided into three segments using segmentation lines 14a, 14b.
  • the segmentation lines 14a, 14b are mostly arranged at the same distance from one another, with the segmentation line 14a being raised in sections so that the island 20b lies within a segment. This means that the island 20b, which is now located within a single segment, can be processed evenly without a segment change or transition from one segment to another segment.
  • Fig. 3a schematically shows a powder bed layer with an island 20 of the at least one component 19 to be solidified according to the prior art.
  • the powder bed layer is divided into three segments using segmentation lines 14a, 14b.
  • the segmentation lines 14a, 14b are arranged at the same distance from one another and are rigid, i.e. the same distance from one another in each layer. It is irrelevant at which positions the island 20 to be solidified is positioned on the powder bed layer.
  • Fig. 3b schematically shows a powder bed layer with an island 20 to be solidified of the at least one component 19 according to an embodiment of the present invention.
  • the powder bed layer is divided into three segments using segmentation lines 14a, 14b.
  • the segmentation lines 14a, 14b are mostly arranged at the same distance from one another, wherein the segmentation lines 14a, 14b have been shifted in sections at locations at which the geometry of the island 20 of the at least one component 19 changes at least approximately abruptly and/or at which the volume of the island 20 of the at least one component 19 is divided more evenly into the segments.
  • the allocation lines 16 in Fig. 3b are arranged much more centrally in the segment sections of the island 20.
  • the allocation line 16 is a virtual line which divides the processing area of the beams 11a, 11b into sections with the same laser utilization.
  • the left section is solidified by beam 11a, while the right, opposite part is solidified by beam 11b.
  • Fig. 4 shows a schematic diagram of a planning device 31 for creating a control program for controlling a PBF machine 1 for powder bed-based additive manufacturing with at least two beams 11a, 11b, which can be deflected two-dimensionally over a common powder bed area 18.
  • the planning device 31 comprises an input interface 33, a slicing module 35, a vector module 37, an assignment module 39 and a control interface 41'.
  • the input interface 33 is used to import powder bed layer data of a component 19 to be additively manufactured layer by layer from a construction plan of the component 19.
  • the slicing module 35 creates the powder bed layer data of the component 19 from a construction plan of the component 19, wherein the powder bed layer data includes information on the islands of several, in particular all, powder bed layers to be solidified.
  • the vector module 37 creates vectors for the control program.
  • the vector module 37 calculates vectors for at least one island to be solidified in each powder bed layer such that when solidification is carried out along the island is formed by means of the vectors by means of beams 11a, 11b on the machine 1, wherein the vectors form a contour travel in at least one selection of the islands.
  • the assignment module 39 is designed as part of the vector module 37 or as a separate module.
  • the assignment module 39 assigns one of the several available beams 11a, 11b of the machine 1 to each vector of the control program in such a way that the control program is adapted, when executed on a machine control of the machine 1, in particular an LMF, SLS or EBM machine, to carry out the method for layer-by-layer additive manufacturing of at least one component 19 in a powder bed 15 by means of at least two beams 11a, 11b, which can be deflected two-dimensionally over a common powder bed area 18.
  • the control interface 41' controls the machine 1 according to the control program or exports the control program in order to transfer it to a machine control.
  • Fig. 5 shows a schematic of a possibility for transferring the data of the planning device 31 to the machine control 5, which optionally has an internal data carrier 7.
  • the data of the planning device 31 are transferred via a data interface 25 of the machine control 5.
  • This transfer can be carried out, for example, by means of a data carrier, such as a USB stick, or a network 43 (intranet, Internet).

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Abstract

Verfahren, insbesondere LMF-, SLS- oder EBM-Verfahren, zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils (19) in einem Pulverbett (15) mittels mindestens zwei Strahlen (11a, 11b), welche zweidimensional ablenkbar sind, wobei das Pulverbett (15) mehrere Pulverbettschichten aufweist, welche mittels mehrerer annähernd senkrecht zu einer Richtung eines Gasstroms (G) verlaufender Segmentierungslinien (14a, 14b) in mehrere Segmente unterteilt werden, wobei der Gasstrom im Wesentlichen parallel über dem Pulverbett (15) strömt, wobei innerhalb eines Segments der Pulverbettschicht (15) die mindestens zwei Strahlen (11a, 11b) das zumindest eine zu verfestigende Bauteil (19) mittels einer im Wesentlichen gleichen Laserauslastung verfestigen, und wobei einzelne Segmentierungslinien (14a, 14b) einer jeweiligen Pulverbettschicht auf Basis eines Kriteriums angepasst werden.

Description

Verfahren ramm und zur pulverbettbasierten schichtweisen additiven Fertigung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere LMF-, SLS- oder EBM-Verfahren, zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen, welche zweidimensional ablenkbar sind, ein Steuerprogramm, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens angepasst sind, und eine Planungseinrichtung zur Erstellung eines Steuerprogramms zur Steuerung einer Maschine zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen, welche über einen gemeinsamen Pulverbettbereich zweidimensional ablenkbar sind.
Hintergrund der Offenbarung
Bei der additiven Fertigung, z.B. beim selektiven Lasersintern oder selektiven Laserschmelzen, wird ein pulverförmiges Material, z.B. ein Metall- oder Keramikpulver, mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt. Nacheinander werden dünne Pulverbettschichten in einer Kammer auf einer Bauplattform aufgebracht, um dreidimensionale Objekte zu formen, indem die jeweiligen Pulverbettschichten mit einem Bestrahlungsstrahl, beispielsweise einem Laserstrahl, bestrahlt werden. Entsprechende Vorrichtungen werden als additive Fertigungsvorrichtungen, 3D-Drucksysteme, selektive Lasersintermaschinen oder selektive Laserschmelzmaschinen und dergleichen bezeichnet. Zur Funktionsweise einer solchen Vorrichtung wird zum Beispiel auf EP 2 732 890 A2 verwiesen.
In den letzten Jahren hat die additive Fertigung von Bauteilen auch im industriellen Umfeld an Bedeutung gewonnen. Die additive Fertigung in einem Pulverbett (Powder Bed Fusion, PBF), bei der schrittweise dünne Pulverbettschichten, bspw. aus Metall-, Keramik- oder Thermoplastpulver, aufgetragen und mit einem oder mehreren Strahlen lokal verfestigt werden, um sukzessive das Bauteil aufzubauen, ist besonders geeignet zur Fertigung komplexer und filigraner Bauteile. Maschinen, die geeignet sind zur Durchführung eines PBF-Verfahrens, werden im Folgenden mit PBF-Maschinen bezeichnet. Als Strahlquellen werden dabei üblicherweise Laser und Elektronenstrahlsysteme verwendet. Bei Verwendung einer Laserquelle spricht man auch von Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Der Strahl kann das Pulver zum Verfestigen sintern oder schmelzen und dabei mit zuvor bereits verfestigten Bauteilschichten stoffschlüssig verbinden. Je nach Strahlquelle spricht man beim Sintern vom Selektiven Lasersintern (Selective Laser Sintering, SLS) oder Elektronenstrahlsintern, beim Schmelzen vom Selektiven Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) oder Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting, EBM). Bei der pulverbettbasierten additiven Fertigung von Metallpulver mit einem Laserstrahl ist bspw. auch die Bezeichnung des Laser Metal Fusion (LMF) bekannt.
Aus dem Stand der Technik sind Systeme bekannt, in welchen eine Pulverbettschicht in mehrere starre Segmente unterteilt werden. Diese Segmente werden von den Laserstrahlen nacheinander abgearbeitet, um ein Vorauseilen eines einzelnen Laserstrahls zu vermeiden. Dies hat unter anderem den Nachteil, dass in Randbereichen, in welchen einzelne Inseln eines Bauteils in mehreren benachbarten Segmenten existent sind, sehr kurze Vektoren entstehen können, die zu einer lokalen Überhitzung führen können. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn eine Insel knapp über ein benachbartes Segment hinausragt. Des Weiteren entstehen durch die Segmentierung viele Nahtstellen zwischen benachbarten Segmenten, was unter anderem zu einer unkontrollierten Abkühlung im Bauteil führen kann.
Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren bereitzustellen, das leicht automatisiert durchgeführt werden kann, auf einfache Weise auch in bestehenden additiven Fertigungsvorrichtungen implementiert werden kann und vorzugsweise während des gesamten Fertigungsprozesses durchgeführt werden kann.
Im Allgemeinen ist die vorliegende Offenbarung zumindest teilweise darauf gerichtet, einen oder mehrere Aspekte der bisherigen Systeme zu verbessern oder zu überwinden, und insbesondere lokale Überhitzungen zu vermeiden.
Somit ist die vorliegende Offenbarung zumindest teilweise darauf gerichtet, einen oder mehrere Aspekte früherer Systeme zu verbessern oder zu überwinden. Zusammenfassung der Offenbarung
Einige Aufgaben der vorliegenden Offenbarung können durch ein Verfahren, insbesondere LMF-, SLS- oder EBM-Verfahren, zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen, welche zweidimensional ablenkbar sind gemäß Anspruch 1, ein Steuerprogramm, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens angepasst sind gemäß Anspruch 11, und eine Planungseinrichtung zur Erstellung eines Steuerprogramms zur Steuerung einer Maschine zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen, welche über einen gemeinsamen Pulverbettbereich zweidimensional ablenkbar sind gemäß Anspruch 12 gelöst werden. Weitere Aspekte und Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einem ersten Aspekt offenbart die vorliegende Offenbarung ein Verfahren, insbesondere LMF-, SLS- oder EBM-Verfahren, zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen, welche zweidimensional ablenkbar sind, wobei das Pulverbett mehrere Pulverbettschichten aufweist, welche mittels mehrerer annähernd senkrecht zu einer Richtung eines Gasstroms verlaufender Segmentierungslinien in mehrere Segmente unterteilt werden, wobei der Gasstrom im Wesentlichen parallel über dem Pulverbett strömt, wobei innerhalb eines Segments der Pulverbettschicht die mindestens zwei Strahlen das zumindest eine zu verfestigende Bauteil mittels einer im Wesentlichen gleichen Laserauslastung verfestigen, und wobei einzelne Segmentierungslinien einer jeweiligen Pulverbettschicht auf Basis eines Kriteriums angepasst bzw. verschoben werden. Vorzugsweise strömt der Gasstrom parallel zur der vom Pulverbett aufgespannten Ebene. Unter der Anpassung der Segmentierungslinien wird vorzugsweise eine Verschiebung der Segmentierungslinie verstanden. Dies bedeutet insbesondere, dass die Segmentierungslinie parallel verschoben wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt offenbart die vorliegende Offenbarung ein Verfahren, insbesondere LMF-, SLS- oder EBM-Verfahren, zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen, welche zweidimensional ablenkbar sind, wobei das Pulverbett mehrere Pulverbettschichten aufweist, welche mittels mehrerer annähernd senkrecht zu einer Richtung eines Gasstroms verlaufender, variabler Segmentierungslinien in mehrere Segmente unterteilt werden, wobei der Gasstrom im Wesentlichen parallel über dem Pulverbett strömt, wobei innerhalb eines Segments der Pulverbettschicht die mindestens zwei Strahlen das zumindest eine zu verfestigende Bauteil mittels einer im Wesentlichen gleichen Laserauslastung verfestigen, und wobei die variablen Segmentierungslinien einer jeweiligen Pulverbettschicht auf Basis eines Kriteriums gesetzt werden.
Vorteilhafterweise werden durch den ersten und zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung die oben genannten Nachteile des Standes der Technik überwunden. Insbesondere wird ein Verfahren bereitgestellt, das leicht automatisiert durchgeführt werden kann, auf einfache Weise auch in bestehenden additiven Fertigungsvorrichtungen implementiert werden kann und vorzugsweise während des gesamten Fertigungsprozesses durchgeführt werden kann. Des Weiteren können lokale Überhitzungen im Bauteil vermieden werden.
Eine Insel bezeichnet einen einzelnen, zusammenhängenden Flächenbereich des zu verfestigenden oder verfestigten Querschnitts eines Bauteils in einer Pulverbettschicht. Unter einer Konturfahrt wird eine Verfestigung entlang eines Abschnitts des Sollumrisses oder entlang des gesamten Sollumrisses einer Insel verstanden. Dabei kann die Konturfahrt durch einen einmaligen oder mehrmalige, überlappende Verfestigungsschritte gebildet werden, wobei der Umriss der Insel durch den äußeren Rand der Konturfahrt gebildet wird. Solche Konturfahrten sind bspw. aus DE 10 2005 027 0311 B3 bekannt. Konturfahrten ermöglichen eine erhöhte Oberflächenqualität, bspw. durch homogene Materialeigenschaften oder eine Verringerung der Oberflächenrauhigkeit. Solche Konturfahrten können bspw. durch aneinanderhängende lineare Vektoren approximiert werden, entlang denen der Strahl über das Pulverbett abgelenkt wird. Beim Verfestigen der Insel wird zumindest zwischen der Konturfahrt und den übrigen, innenliegenden Bereichen unterschieden. Diese innenliegenden Bereiche können gemäß verschiedener Scanstrategien verfestigt werden, bspw. aufgeteilt auf Streifen oder Schachbrettfelder. Bei der Streifen-Strategie wird der innenliegende Bereich der Insel streifenweise verfestigt, wobei der Strahl jeden Streifen durch Ablenken entlang von im Wesentlichen senkrecht zum Streifen ausgerichteten Vektoren verfestigt. Eine solche Strategie ist bspw. in der EP 2956262 A2 ausführlich beschrieben. Bei der Schachbrettfeld-Strategie wird üblicherweise der innenliegende Bereich der Insel in quadratische Abschnitte aufgeteilt, die entlang von parallel zu jeweils einem Seitenflächenpaar jedes quadratischen Abschnitts angeordneten Vektoren verfestigt werden. Dabei werden die Vektoren bei nebeneinanderliegenden quadratischen Abschnitten üblicherweise um 90° zueinander gedreht. Eine solche Strategie ist bspw. in der CN 105750543 A offenbart worden. Die Oberflächenrauhigkeit wird mittels der Konturfahrten verringert, da die Kontur der Insel nicht mehr zahlreiche Vektorstartpunkte und Vektorendpunkte umfasst, entlang denen die im Vergleich zur Konturfahrt innenliegenden Bereiche einer Insel verfestigt werden.
Ein Vektor repräsentiert dabei eine bei der Verfestigung des Pulverbetts auszuführende Bewegungsbahn eines Strahls, der bei der Planung der Verfestigung erstellt wird.
Eine Pulverbettschicht weist in der Regel eine Schichtstärke von 20 pm bis 120 pm, vorzugsweise 40 pm bis 80 pm, auf.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Kriterium zum Anpassen einzelner Segmentierungslinien einer jeweiligen Pulverbettschicht ausgewählt aus: der Geometrie mindestens einer Insel des mindestens einen Bauteils, der Slice- Contour der mindestens einen Insel des mindestens einen Bauteils und/oder der Änderung des Schmelzvolumens.
Bevorzugt wird die Segmentierungslinie an eine Stelle verschoben, an welcher sich die Slice-Contour mindestens einer Insel des mindestens einen Bauteils zumindest annähernd sprunghaft ändert und/oder an welcher sich die Geometrie mindestens einer Insel des mindestens einen Bauteils zumindest annähernd sprunghaft ändert und/oder an welcher sich das Volumen mindestens einer Insel des mindestens einen Bauteils gleichmäßiger in die Segmente aufteilt.
Vorteilhafterweise werden die Segmentierungslinien so verschoben, dass sehr kurze Vektoren in Randgebieten vermieden werden. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Auslastung der Strahlen. Des Weiteren können lokale Überhitzungen vermieden werden.
In einer weiteren Variante werden die Segmente einer jeweiligen Pulverbettschicht von den mindestens zwei Strahlen gegen die Gasstromrichtung bearbeitet. Dies hat den Vorteil, dass der durch die Bearbeitung entstehende Schmauch/Schmutz oder dergleichen nicht die noch zu bearbeitende Pulverbettschicht verschmutzt bzw. den weiteren Bearbeitungsprozess beeinträchtigt.
In einer weiteren Ausführungsform werden innerhalb eines Segments der Pulverbettschicht die mindestens zwei Strahlen die zu bearbeitende mindestens eine Insel des mindestens einen Bauteils mittels einer im Wesentlichen gleichen Laserauslastung verfestigt. Dadurch kann vermieden, dass ein Strahl dem anderen Strahl vorauseilt sowie eine hohe Produktivität erzielt wird.
Bevorzugt weisen die Segmentierungslinien eine zumindest abschnittsweise im Wesentlichen gerade und/oder gekrümmte Form auf. In einer weiteren Variante des Verfahrens werden die Segmentierungslinien abschnittsweise, vorzugsweise sprunghaft, verschoben. Dies hat den Vorteil, dass die Segmentierungslinien an die Gegebenheiten optimal angepasst werden können.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die aus den Segmentierungslinien gebildeten Segmente eine vordefinierte Breite aufweisen, wobei die Segmente vorzugsweise eine Breite von 1 bis 15 cm auf. Bevorzugt weisen die aus den Segmentierungslinien gebildeten Segmente im Wesentlichen die gleiche Breite und/oder im Wesentlichen das gleiche Volumen auf.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Laserauslastung durch eine Kombination der Scangeschwindigkeit, der Länge der Vektoren und vorbestimmten Delays/Mindestzeiten definiert. Eine alternative einfache Näherung ist die Belichtungsfläche oder die Belichtungszeit. Die Belichtungszeit hängt von den Scangeschwindigkeiten, der Länge der Vektoren in der Belichtungsfläche und den definierten Delays/Mindestzeiten ab.
Gemäß einem dritten Aspekt offenbart die vorliegende Offenbarung ein Steuerprogramm, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen angepasst sind, wenn das Steuerprogramm auf einer Maschinensteuerung einer additiven Fertigungsvorrichtung, insbesondere einer LMF-, SLS- oder EBM-Maschine, ausgeführt wird.
Vorteilhafterweise werden durch den dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung die oben genannten Nachteile des Standes der Technik überwunden. Insbesondere wird ein Steuerprogramm bereitgestellt, das leicht automatisiert durchgeführt bzw. ausgeführt werden kann, auf einfache Weise auch in bestehenden additiven Fertigungsvorrichtungen implementiert werden kann und vorzugsweise während des gesamten Fertigungsprozesses durchgeführt werden kann. Des Weiteren können lokale Überhitzungen im Bauteil vermieden werden. Ein typisches Steuerprogramm weist dabei üblicherweise eine Datenmenge im Bereich von Megabyte bis Gigabyte auf und damit eine derart große Anzahl an Anweisungen für die Maschinensteuerung, dass eine manuelle Ausführung nicht sinnvoll möglich ist. Das Steuerprogramm hat dagegen den Vorteil, dass die Anweisungen automatisiert ausgeführt werden können. Ein Steuerprogramm weist dabei üblicherweise Informationen zur Schichtdicke der aufzutragenden Pulverbettschichten, die zu verfestigenden Vektoren und insbesondere auch Bearbeitungsparameter beispielsweise in Abhängigkeit der Schichtdicke oder des zu verwendenden Pulvers auf.
Gemäß einem vierten Aspekt offenbart die vorliegende Offenbarung eine Planungseinrichtung zur Erstellung eines Steuerprogramms zur Steuerung einer Maschine zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen, welche über einen gemeinsamen Pulverbettbereich zweidimensional ablenkbar sind, die Planungseinrichtung umfassend: ein Vektormodul zum Erstellen von Vektoren für das Steuerprogramm, das zu mindestens einer zu verfestigenden Insel in jeder Pulverbettschicht Vektoren berechnet derart, dass bei Ausführung einer Verfestigung entlang der Vektoren mittels Strahlen an der Maschine die Insel ausgebildet wird, ein Zuordnungsmodul, das als Teil des Vektormoduls oder als separates Modul ausgebildet ist, das jedem Vektor des Steuerprogramms einen der mehreren verfügbaren Strahlen der Maschine derart zuordnet, dass das Steuerprogramm angepasst ist, bei Ausführung auf einer Maschinensteuerung der Maschine, insbesondere einer LMF-, SLS- oder EBM-Maschine, das Verfahren zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen durchzuführen, und eine Steuerungsschnittstelle zur Steuerung der Maschine entsprechend des Steuerprogramms oder zum Export des Steuerprogramms zur Übertragung an eine Maschinensteuerung.
Vorteilhafterweise werden durch den vierten Aspekt der vorliegenden Offenbarung die oben genannten Nachteile des Standes der Technik überwunden. Insbesondere wird eine Planungseinrichtung bereitgestellt, die leicht automatisiert durchgeführt werden kann, auf einfache Weise auch in bestehenden additiven Fertigungsvorrichtungen implementiert werden kann und vorzugsweise während des gesamten Fertigungsprozesses durchgeführt werden kann. Des Weiteren können lokale Überhitzungen im Bauteil vermieden werden. Neben den Vorteilen des Verfahrens erlaubt dies außerdem eine automatisierte Erstellung eines Steuerprogramms unter Berücksichtigung von Regeln, die nachteilige Interaktionen von Strahlen miteinander vermeiden. Bspw. könnte es nachteilig sein, wenn die Strahlen in unmittelbarer Nachbarschaft die Pulverbettschicht verfestigen, da dies zu lokalen Überhitzungen führen könnte oder die Emissionen bei der Verfestigung den jeweils anderen Strahl nachteilig beeinflussen.
Eine solche Planungseinrichtung umfasst oft ein Computerprogramm, das auf einer Maschinensteuerung oder einem separaten Computer betrieben wird. Bei der pulverbettbasierten additiven Fertigung werden solche Planungseinrichtungen oft als Build Prozessor bezeichnet. Bekannt sind aus dem Stand der Technik Build Prozessoren von denen es maschinenspezifisch angepasste Versionen bspw. für LMF- und EBM-Maschinen verschiedener Hersteller gibt. Eine solche Planungseinrichtung erstellt aus Informationen zu einem herzustellenden Bauteil insbesondere automatisiert Steuerprogramme der zuvor beschriebenen Art. Der Einsatz solcher Planungseinrichtungen ist insbesondere zur Fertigung komplexer Bauteile relevant, da die händische Programmierung der zu erzeugenden Steuerprogramme auf Grund ihrer Datenmenge im Bereich von Megabyte oder Gigabyte nicht innerhalb einer wirtschaftlich sinnvollen Zeit und Qualität erstellt werden können.
Die Planungseinrichtung umfasst ein Vektormodul zum Erstellen von Vektoren für das Steuerprogramm, das zu mindestens einer zu verfestigenden Insel in jeder Pulverbettschicht Vektoren berechnet derart, dass bei Ausführung einer Verfestigung entlang der Vektoren mittels Strahlen an der Maschine die Insel ausgebildet wird, wobei die Vektoren bei zumindest einer Auswahl der Inseln eine Konturfahrt ausbilden. Dadurch lassen sich in automatisierter Weise Steuerprogramme mit verschiedenen Scanstrategien erstellen, bspw. mit einer Streifen-Strategie oder einer Schachbrettfeld-Strategie.
Des Weiteren umfasst die Planungseinrichtung ein Zuordnungsmodul, das als Teil des Vektormoduls oder als separates Modul ausgebildet ist, das jedem Vektor des Steuerprogramms einen der mehreren verfügbaren Strahlen der Maschine derart zuordnet, dass das Steuerprogramm angepasst ist, bei Ausführung auf einer Maschinensteuerung der Maschine, insbesondere einer LMF-, SLS- oder EBM- Maschine, das zuvor genannte Verfahren durchzuführen. Neben den Vorteilen des Verfahrens erlaubt dies außerdem eine automatisierte Erstellung eines Steuerprogramms unter Berücksichtigung von Regeln, die nachteilige Interaktionen von Strahlen miteinander vermeiden. Bspw. könnte es nachteilig sein, wenn die Strahlen in unmittelbarer Nachbarschaft die Pulverbettschicht verfestigen, da dies zu lokalen Überhitzungen führen könnte oder die Emissionen bei der Verfestigung den jeweils anderen Strahl nachteilig beeinflussen.
Außerdem umfasst die Planungseinrichtung eine Steuerungsschnittstelle zur Steuerung der Maschine entsprechend des Steuerprogramms oder zum Export des Steuerprogramms zur Übertragung an eine Maschinensteuerung. Wenn die Planungseinrichtung eingerichtet ist zur Steuerung der Maschine, ist diese üblicherweise Teil der Maschinensteuerung, so dass das große Steuerprogramm bspw. nicht durch das Netzwerk des Maschinenbetreibers übertragen werden muss. Eine Planungseinrichtung, die das Steuerprogramm zur Übertragung exportiert, hat hingegen den Vorteil, dass das Steuerprogramm an beliebige, optional auch mehrere geeignete Maschinen übertragen werden kann. Die Planungseinrichtung kann bspw. einen von der Maschine unabhängigen Computer umfassen oder auf diesem ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Planungseinrichtung weiterhin: eine Eingangsschnittstelle zum Import von Pulverbettschichtdaten eines schichtweise additiv zu fertigenden Bauteils und/oder ein Slicing-Modul zum Erstellen der Pulverbettschichtdaten des Bauteils aus einem Bauplan des Bauteils, wobei die Pulverbettschichtdaten Informationen zu den zu verfestigenden Inseln mehrerer, insbesondere aller Pulverbettschichten umfassen. Dies hat den Vorteil, dass der Bauplan des zu fertigenden Bauteils, d.h. die mit einem Konstruktionsmodul erstellte Konstruktion, auf einem weiteren, unabhängigen Computer oder mit einem weiteren, unabhängigen Computerprogramm erstellt werden kann. Ein Konstruktionsmodul wird im Stand der Technik üblicherweise als Programm für das Computer Aided Design (CAD) oder auch rechnerunterstütztes Konstruieren bezeichnet. Vorteilhaft können in dieser Variante Konstruktionsmodule beliebiger Hersteller verwendet werden. Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn an der Maschine keine Konstruktion erstellt werden muss, da die Bedienmöglichkeiten im Vergleich zu einem Büroarbeitsplatz eingeschränkt sein können, zum Beispiel durch einen kleineren Bildschirm oder durch weniger ergonomische Bediengeräte.
Bevorzugt umfasst die Planungseinrichtung eine Maschinensteuerung und/oder zumindest einen weiteren Computer. Dadurch können manche Funktionen, an einem ergonomischen Büroarbeitsplatz, beispielsweise an einem Laptop oder einer Workstation durchgeführt werden, andere wiederum an der Maschine, so dass das langwierige Übertragen großer Datenmengen, wie zum Beispiel von Steuerprogrammen zwischen Büroarbeitsplatz und Maschine, vermieden werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Planungseinrichtung ist jedes der Module auf einem oder mehreren der Computer implementiert. Dadurch können die o.g. Vorteile des ergonomischen Büroarbeitsplatzes und das Vermeiden langwieriger Datenübertragungen flexibel genutzt werden.
Andere Merkmale und Aspekte dieser Offenbarung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
Kurzbeschreibuno der Zeichnungen
Die beigefügten Zeichnungen, die hierin aufgenommen werden und einen Teil der Beschreibung bilden, veranschaulichen beispielhafte Ausführungsformen der Offenbarung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Offenbarung zu erläutern. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 schematisch eine PBF-Maschine zur pulverbettbasierten additiven Fertigung von Bauteilen,
Fig. 2a schematisch eine Pulverbettschicht mit zu verfestigenden Inseln mindestens eines Bauteils gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2b schematisch eine Pulverbettschicht mit zu verfestigenden Inseln mindestens eines Bauteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Fig. 3a schematisch eine Pulverbettschicht mit zu verfestigenden Inseln mindestens eines Bauteils gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 3b schematisch eine Pulverbettschicht mit zu verfestigenden Inseln mindestens eines Bauteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 schematisch eine Planungseinrichtung zur Erstellung eines
Steuerprogramms zur Steuerung einer PBF-Maschine, und
Fig. 5 schematisch eine Planungseinrichtung verteilt auf zwei Computer.
Detaillierte Beschreibung
Das Folgende ist eine detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die darin beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten beispielhaften Ausführungsformen sollen die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung lehren und es dem Durchschnittsfachmann ermöglichen, die vorliegende Offenbarung in vielen verschiedenen Umgebungen und für viele verschiedene Anwendungen zu implementieren und zu verwenden. Daher sind die beispielhaften Ausführungsformen nicht als einschränkende Beschreibung des Umfangs des Patentschutzes gedacht und sollten nicht als solche betrachtet werden. Vielmehr soll der Umfang des Patentschutzes durch die beigefügten Ansprüche definiert werden.
Fig. 1 zeigt schematisch eine PBF-Maschine 1 mit einer Prozesskammer 3 und einer Maschinensteuerung 5. Die Maschinensteuerung 5 weist dabei einen Datenträger 7 zur Speicherung von Steuerprogrammen auf. Die PBF-Maschine 1 weist außerdem mindestens zwei Scanner 9a, 9b auf, die jeweils einen Strahl 11a, 11b ablenken. Der Scanner 9a, 9b kann beispielweise für einen Laserstrahl einen in zwei Richtungen drehbaren Scannerspiegel oder zwei in eine Richtung drehbare Scannerspiegel umfassen. Der Scanner 9a, 9b kann beispielsweise einen Galvanometer-Scanner umfassen. Alternativ kann der Scanner 9a, 9b für einen Elektronenstrahl mehrere Elektrodenpaare umfassen, zwischen denen ein elektrisches Feld angelegt werden kann, um den Elektronenstrahl abzulenken.
Die PBF-Maschine 1 umfasst außerdem eine Substratplatte 13, die unterhalb der Scanner 9a, 9b angeordnet ist und auf der ein Pulverbett 15 schichtweise aufgetragen wird. Dazu wird die Substratplatte 13 um eine gewünschte Distanz in -Z-Richtung, d.h. in Richtung zunehmender Entfernung zu den Scannern 9a, 9b, verstellt und anschließend mit einem Pulverschieber 17 eine neue Pulverbettschicht aufgetragen. Als Pulverschieber 17 kommen beispielweise Wischer, Klingen oder Zylinder in Betracht. Die Scanner 9a, 9b sind in diesem Fall geeignet ihren jeweiligen Strahl 11a, 11b über das komplette Pulverbett 15 abzulenken. Somit stellt in diesem Ausführungsbeispiel die gesamte Pulverbettoberfläche einen gemeinsamen Pulverbettbereich 18 dar, in dem die Strahlen 11a, 11b das Pulver verfestigen können. Nach dem Verfestigen der jeweils obersten Pulverbettschicht kann die Substratplatte 13 erneut in -Z- Richtung verstellt und eine neue Pulverbettschicht aufgetragen werden, um so Bauteile 19 schichtweise zu fertigen. Die in einer Pulverbettschicht zu verfestigende Schicht des mindestens einen Bauteils 19 wird als Insel 20; 20a, 20b bezeichnet. Eine Insel 20; 20a, 20b ist somit eine „Scheibe" des mindestens einen Bauteils 19, wobei in einer Schicht mehrere Inseln 20; 20a, 20b vorhanden sein können, welche lediglich einem Bauteil 19 zugehörig sind.
Die Prozesskammer 3 ist gasdicht ausgebildet und umfasst einen Gaseinlass 21 und einen Gasauslass 23. Mit dem Gaseinlass 21 kann die Prozesskammer 3 mit einem inerten Gas wie bspw. Stickstoff oder Argon gefüllt werden, um eine Oxidation des Pulvers zu verhindern. Zusammen mit dem Gasauslass 23 kann außerdem ein stetiger Schutzgasstrom über dem Pulverbett 15 ausgebildet werden, um im Falle einer Verfestigung mit Laserstrahlen Kondensate, Pulverpartikel und sonstige durch den Prozess in die Atmosphäre geschleuderte Partikel abzutransportieren, um mögliche Beeinträchtigungen des Laserstrahls zu verringern. Der Gasauslass 23 kann außerdem verwendet werden, um die Prozesskammer 3 zu evakuieren, so dass als Strahlen 11a, 11b Elektronenstrahlen verwendet werden können. Dazu muss die Prozesskammer 3 vakuumfest ausgebildet sein.
Die Maschinensteuerung 5 weist außerdem eine Datenschnittstelle 25 auf, über die bspw. Steuerprogramme importiert werden können. Die Maschinensteuerung 5 kann bei Ausführung eines Steuerprogramms über eine Steuerungsschnittstelle 41 sämtliche für die schichtweise additive Fertigung notwendigen Schritte an der Maschine ausführen, wie bspw. die Strahlen 11a, 11b zu aktivieren oder deaktivieren, mit dem Scanner 9a, 9b abzulenken, die Substratplatte 13 entlang der Z-Achse zu verstellen oder einen Pulverauftrag zu initiieren.
Fig. 2a zeigt schematisch eine Pulverbettschicht mit zwei zu verfestigenden Inseln 20a, 20b des mindestens einen Bauteils 19 gemäß dem Stand der Technik. Hierbei ist die Pulverbettschicht mit Hilfe von Segmentierungslinien 14a, 14b in drei Segmente unterteilt. Die Segmentierungslinien 14a, 14b sind hierbei im gleichen Abstand zueinander angeordnet und starr, d.h. in jeder Schicht gleich zueinander beabstandet. Dabei ist es unerheblich an welchen Positionen die zu verfestigenden Inseln 20a, 20b auf der Pulverbettschicht positioniert sind.
Fig. 2b zeigt schematisch eine Pulverbettschicht mit zwei zu verfestigenden Inseln 20a, 20b des mindestens einen Bauteils 19 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Hierbei ist die Pulverbettschicht mit Hilfe von Segmentierungslinien 14a, 14b in drei Segmente unterteilt. Die Segmentierungslinien 14a, 14b sind hierbei größtenteils im gleichen Abstand zueinander angeordnet, wobei die Segmentierungslinie 14a abschnittsweise so angehoben wurde, dass die Insel 20b innerhalb eines Segments liegt. Dies hat zur Folge, dass die Insel 20b, welche sich nun innerhalb eines einzelnen Segments befindet, gleichmäßig ohne einen Segmentwechsel bzw. Übergang von einem Segment zu einem weiteren Segment bearbeitet werden kann.
Fig. 3a zeigt schematisch eine Pulverbettschicht mit einer zu verfestigenden Insel 20 des mindestens einen Bauteils 19 gemäß dem Stand der Technik. Hierbei ist die Pulverbettschicht mit Hilfe von Segmentierungslinien 14a, 14b in drei Segmente unterteilt. Die Segmentierungslinien 14a, 14b sind hierbei im gleichen Abstand zueinander angeordnet und starr, d.h. in jeder Schicht gleich zueinander beabstandet. Dabei ist es unerheblich an welchen Positionen die zu verfestigende Insel 20 auf der Pulverbettschicht positioniert ist.
Fig. 3b zeigt schematisch eine Pulverbettschicht mit einer zu verfestigenden Insel 20 des mindestens eines Bauteils 19 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Hierbei ist die Pulverbettschicht mit Hilfe von Segmentierungslinien 14a, 14b in drei Segmente unterteilt. Die Segmentierungslinien 14a, 14b sind hierbei größtenteils im gleichen Abstand zueinander angeordnet, wobei die Segmentierungslinien 14a, 14b abschnittsweise an Stellen verschoben wurden, an welchen sich die Geometrie der Insel 20 des mindestens einen Bauteils 19 zumindest annähernd sprunghaft ändert und/oder an welchen sich das Volumen der Insel 20 des mindestens einen Bauteils 19 gleichmäßiger in die Segmente aufteilt.
Wie dies aus einer Zusammenschau der Figuren 3a und 3b ersichtlich ist, sind die Zuordnungslinien 16 in Fig. 3b wesentlich mittiger in den Segmentabschnitten der Insel 20 angeordnet. Die Zuordnungslinie 16 ist eine virtuelle Linie, welcher den Bearbeitungsbereich der Strahlen 11a, 11b in Abschnitte mit gleicher Laserauslastung unterteilt. Hier wird der linke Abschnitt vom Strahl 11a verfestigt, wobei der rechte, gegenüberliegende Teil vom Strahl 11b verfestigt wird. Vorteilhafterweise können hierdurch sehr kurze Vektoren in Randbereichen vermieden werden, wie dies in Fig. 3a der Fall ist. Diese können zu lokalen Überhitzungen im Bauteil 19 führen.
Fig. 4 zeigt schematisch eine Planungseinrichtung 31 zur Erstellung eines Steuerprogramms zur Steuerung einer PBF-Maschine 1 zur pulverbettbasierten additiven Fertigung mit mindestens zwei Strahlen 11a, 11b, welche über einen gemeinsamen Pulverbettbereich 18 zweidimensional ablenkbar sind. Die Planungseinrichtung 31 umfasst eine Eingangsschnittstelle 33, ein Slicing-Modul 35, ein Vektormodul 37, ein Zuordnungsmodul 39 und eine Steuerungsschnittstelle 41'.
Die Eingangsschnittstelle 33 dient zum Importieren von Pulverbettschichtdaten eines schichtweise additiv zu fertigenden Bauteils 19 aus einem Bauplan des Bauteils 19.
Das Slicing-Modul 35 erstellt hierbei die Pulverbettschichtdaten des Bauteils 19 aus einem Bauplan des Bauteils 19, wobei die Pulverbettschichtdaten Informationen zu den zu verfestigenden Inseln mehrerer, insbesondere aller Pulverbettschichten umfassen.
Das Vektormodul 37 erstellt Vektoren für das Steuerprogramm. Hierbei berechnet des Vektormodul 37 zu mindestens einer zu verfestigenden Insel in jeder Pulverbettschicht Vektoren derart, dass bei Ausführung einer Verfestigung entlang der Vektoren mittels Strahlen 11a, 11b an der Maschine 1 die Insel ausgebildet wird, wobei die Vektoren bei zumindest einer Auswahl der Inseln eine Konturfahrt ausbilden.
Das Zuordnungsmodul 39 ist als Teil des Vektormoduls 37 oder als separates Modul ausgebildet. Hierbei ordnet das Zuordnungsmodul 39 jedem Vektor des Steuerprogramms einen der mehreren verfügbaren Strahlen 11a, 11b der Maschine 1 derart zu, dass das Steuerprogramm angepasst ist, bei Ausführung auf einer Maschinensteuerung der Maschine 1, insbesondere einer LMF-, SLS- oder EBM-Maschine, das Verfahren zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils 19 in einem Pulverbett 15 mittels mindestens zwei Strahlen 11a, 11b, welche über einem gemeinsamen Pulverbettbereich 18 zweidimensional ablenkbar sind durchzuführen.
Die Steuerungsschnittstelle 41' steuert die Maschine 1 entsprechend des Steuerprogramms oder exportiert das Steuerprogramm, um dieses an eine Maschinensteuerung zu übertragen.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Möglichkeit der Übertragung der Daten der Planungseinrichtung 31 auf die Maschinensteuerung 5, welche optional über einen internen Datenträger 7 verfügt. Die Daten der Planungseinrichtung 31 werden über eine Datenschnittstelle 25 der Maschinensteuerung 5 übertragen. Dies Übertragung kann bspw. mittels eines Datenträgers, wie einem USB-Stick, oder einem Netzwerk 43 (Intranet, Internet) durchgeführt werden.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale getrennt und unabhängig voneinander zum Zwecke der ursprünglichen Offenbarung sowie zum Zwecke der Beschränkung der beanspruchten Erfindung unabhängig von der Zusammensetzung der Merkmale in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen offenbart werden sollen. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass alle Wertebereiche oder Angaben zu Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Zwischenwert zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung sowie zum Zweck der Einschränkung der beanspruchten Erfindung, insbesondere als Grenzen von Wertebereichen, offenbaren. Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung hierin beschrieben worden sind, können Verbesserungen und Modifikationen aufgenommen werden, ohne vom Umfang der folgenden Ansprüche abzuweichen.
Bezugszeichenliste
1 PBF-Maschine
3 Prozesskammer
5 Maschinensteuerung
7 Datenträger
9a, 9b Scanner
11a, 11b Strahl
13 Substratplatte
14a, 14b Segmentierungslinie
15 Pulverbett
16 Zuordnungslinie
17 Pulverschieber (Wischer, Klinge, Zylinder)
18 gemeinsamer Pulverbettbereich
19 Bauteil
20; 20a, 20b Insel
21 Gaseinlass
23 Gasauslass
25 Datenschnittstelle
31 Planungseinrichtung
33 Eingangsschnittstelle
35 Slicing-Modul
37 Vektormodul
39 Zuordnungsmodul
41, 41' Steuerungsschnittstelle
43 Netzwerk (Intranet, Internet)
G Gasstromrichtung/Richtung des Gasstroms
Z Z-Richtung

Claims

Ansprüche Verfahren, insbesondere LMF-, SLS- oder EBM-Verfahren, zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils (19) in einem Pulverbett (15) mittels mindestens zwei Strahlen (11a, 11b), welche zweidimensional ablenkbar sind, wobei das Pulverbett (15) mehrere Pulverbettschichten aufweist, welche mittels mehrerer annähernd senkrecht zu einer Richtung eines Gasstroms (G) verlaufender Segmentierungslinien (14a, 14b) in mehrere Segmente unterteilt werden, wobei der Gasstrom im Wesentlichen parallel über dem Pulverbett (15) strömt, wobei innerhalb eines Segments der Pulverbettschicht (15) die mindestens zwei Strahlen (11a, 11b) das zumindest eine zu verfestigende Bauteil (19) mittels einer im Wesentlichen gleichen Laserauslastung verfestigen, und wobei einzelne Segmentierungslinien (14a, 14b) einer jeweiligen Pulverbettschicht auf Basis eines Kriteriums angepasst werden. Verfahren, insbesondere LMF-, SLS- oder EBM-Verfahren, zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils (19) in einem Pulverbett (15) mittels mindestens zwei Strahlen (11a, 11b), welche zweidimensional ablenkbar sind, wobei das Pulverbett (15) mehrere Pulverbettschichten aufweist, welche mittels mehrerer annähernd senkrecht zu einer Richtung eines Gasstroms (G) verlaufender, variabler Segmentierungslinien (14a, 14b) in mehrere Segmente unterteilt werden, wobei der Gasstrom im Wesentlichen parallel über dem Pulverbett (15) strömt, wobei innerhalb eines Segments der Pulverbettschicht (15) die mindestens zwei Strahlen (11a, 11b) das zumindest eine zu verfestigende Bauteil (19) mittels einer im Wesentlichen gleichen Laserauslastung verfestigen, und wobei die variablen Segmentierungslinien (14a, 14b) einer jeweiligen Pulverbettschicht auf Basis eines Kriteriums gesetzt werden. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kriterium zum Anpassen einzelner Segmentierungslinien (14a, 14b) oder zum Setzen variabler Segmentierungslinien (14a, 14b) einer jeweiligen Pulverbettschicht ausgewählt wird aus: der Geometrie mindestens einer Insel (20; 20a, 20b) des mindestens einen Bauteils (19), der Slice-Contour der mindestens einen Insel (20; 20a, 20b) des mindestens einen Bauteils (19) und/oder der Änderung des Schmelzvolumens. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Segmentierungslinie (14a, 14b) an eine Stelle verschoben oder gesetzt wird, an welcher sich die Slice-Contour mindestens einer Insel (20; 20a, 20b) des mindestens einen Bauteils (19) zumindest annähernd sprunghaft ändert und/oder an welcher sich die Geometrie mindestens einer Insel (20; 20a, 20b) des mindestens einen Bauteils (19) zumindest annähernd sprunghaft ändert und/oder an welcher sich das Volumen mindestens einer Insel (20; 20a, 20b) des mindestens einen Bauteils (19) gleichmäßiger in die Segmente aufteilt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Segmente einer jeweiligen Pulverbettschicht von den mindestens zwei Strahlen (11a, 11b) gegen die Gasstromrichtung (G) bearbeitet werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei innerhalb eines Segments der Pulverbettschicht die mindestens zwei Strahlen (11a, 11b) die zu bearbeitende mindestens eine Insel (20; 20a, 20b) des mindestens einen Bauteils (19) mittels einer im Wesentlichen gleichen Laserauslastung verfestigen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Segmentierungslinien (14a, 14b) eine zumindest abschnittsweise im Wesentlichen gerade und/oder gekrümmte Form aufweisen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 7, wobei die Segmentierungslinien (14a, 14b) abschnittsweise, vorzugsweise sprunghaft, verschoben werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die aus den Segmentierungslinien (14a, 14b) gebildeten Segmente eine vordefinierte Breite aufweisen, wobei die Segmente vorzugsweise eine Breite von 1 bis 15 cm aufweisen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die aus den Segmentierungslinien (14a, 14b) gebildeten Segmente im Wesentlichen die gleiche Breite und/oder im Wesentlichen das gleiche Volumen aufweisen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Laserauslastung durch eine Kombination der Scangeschwindigkeit, der Länge der Vektoren und vorbestimmten Delays definiert wird. Steuerprogramm, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 angepasst sind, wenn das Steuerprogramm auf einer Maschinensteuerung (5) einer additiven Fertigungsvorrichtung, insbesondere einer LMF-, SLS- oder EBM-Maschine, ausgeführt wird. Planungseinrichtung (31) zur Erstellung eines Steuerprogramms zur Steuerung einer Maschine (1) zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen (11a, 11b), welche über einen gemeinsamen Pulverbettbereich zweidimensional ablenkbar sind, die Planungseinrichtung (31) umfassend: ein Vektormodul (37) zum Erstellen von Vektoren für das Steuerprogramm, das zu mindestens einer zu verfestigenden Insel (20; 20a, 20b) in jeder Pulverbettschicht Vektoren berechnet derart, dass bei Ausführung einer Verfestigung entlang der Vektoren mittels Strahlen (11a, 11b) an der Maschine (1) die Insel (20; 20a, 20b) ausgebildet wird, ein Zuordnungsmodul (39), das als Teil des Vektormoduls (37) oder als separates Modul ausgebildet ist, das jedem Vektor des Steuerprogramms einen der mehreren verfügbaren Strahlen (11a, 11b) der Maschine (1) derart zuordnet, dass das Steuerprogramm angepasst ist, bei Ausführung auf einer Maschinensteuerung (5) der Maschine (1), insbesondere einer LMF-, SLS- oder EBM-Maschine, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen, und eine Steuerungsschnittstelle (41, 41') zur Steuerung der Maschine (1) entsprechend des Steuerprogramms oder zum Export des Steuerprogramms zur Übertragung an eine Maschinensteuerung (5). Planungseinrichtung (31) nach Anspruch 13, wobei die Planungseinrichtung (31) weiterhin umfasst: eine Eingangsschnittstelle (33) zum Import von Pulverbettschichtdaten eines schichtweise additiv zu fertigenden Bauteils (19) und/oder ein Slicing-Modul (35) zum Erstellen der Pulverbettschichtdaten des Bauteils (19) aus einem Bauplan des Bauteils (19), wobei die Pulverbettschichtdaten Informationen zu den zu verfestigenden Inseln mehrerer, insbesondere aller Pulverbettschichten umfassen. Planungseinrichtung (31) nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Planungseinrichtung (31) eine Maschinensteuerung (5) und/oder zumindest einen weiteren Computer umfasst.
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