DE10165113B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (8), bei dem man ein pulverförmiges Rohmaterial in aufeinander folgend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit wenigstens einem mittels einer steuerbaren Strahlablenkeinrichtung ablenkbaren oder führbaren Strahl (16) entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers (8) zu zusammenhängenden Bereichen verfestigt oder verschmelzt, wobei die Steuerung der Strahlablenkeinrichtung auf der Basis von Geometriebeschreibungsdaten des herzustellenden Formkörpers erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass man die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit am jeweiligen Auftreffort des Strahls (16) auf der Schicht (S) auftreffende Strahlungsenergie des Strahls oder die durch Bestrahlung zugeführte Energie an der jeweils aktuell bestrahlten Stelle der Schicht durch Änderung vorbestimmter Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit davon variiert, ob der jeweils aktuell bestrahlte Bereich der Schicht (S) auf einem zusammenhängend verfestigten Bereich (52) oder auf nichtverfestigtem Rohmaterial der vorausgehenden Schicht liegt, wobei die vorbestimmten Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit von und in Zuordnung zu den jeweiligen Geometriebeschreibungsdaten für die zu bestrahlenden Stellen vor der Bestrahlung der betreffenden Stellen im Voraus festgelegt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers oder Gegenstandes nach der Methode des selektiven Pulverschmelzens oder einer anderen Prototypen-Herstellungsmethode, bei der man ein pulverförmiges Rohmaterial in aufeinander folgend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit wenigstens einem, insbesondere gesteuert ablenkbaren Strahl, vorzugsweise Laserstrahl, entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers zu zusammenhängenden Bereichen verfestigt bzw. verschmelzt.
  • Unter den Begriffen Stereolithographie, selektives Pulverschmelzen, selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern u. dgl., sind in jüngerer Zeit leistungsfähige Methoden zur Herstellung von Formkörpern auch komplizierter Geometrien bekannt geworden, wobei diese häufig unter dem Begriff „rapid prototyping“ oder „rapid tooling“ oder „rapid manufacturing“ zusammengefassten Methoden im Wesentlichen auf folgendem Prinzip basieren: Der Formkörper, also irgendein herzustellender Gegenstand, wird nach Maßgabe von CAD-Daten bzw. von davon abgeleiteten geometrischen Beschreibungsdaten schichtweise aus einem zunächst flüssigen Rohmaterial oder feinkörnigen bzw. pulvrigen Rohmaterial aufgebaut, indem das Rohmaterial entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers durch selektives Bestrahlen verfestigt bzw. verschmolzen wird. Üblicherweise erfolgt das Bestrahlen mittels wenigstens einem gesteuert ablenkbaren Laserstrahl. Dabei erfolgt die Steuerung einer den Strahl ablenkenden Strahlablenkeinrichtung mittels einer Steuereinrichtung auf der Basis geometrischer Beschreibungsdaten des herzustellenden Formkörpers, welche üblicherweise von einem Mikrocomputer nach Maßgabe eines entsprechenden Programms aus CAD-Daten abgeleitet und bereitgestellt werden. Der Laserstrahl zeichnet auf der zuletzt präparierten Rohmaterialschicht das dieser Schicht zugeordnete Querschnittsmuster des Formkörpers, um das Rohmaterial dem Querschnittsmuster entsprechend selektiv zu verfestigen bzw. zu verschmelzen. Nach einem solchen Bestrahlungsschritt erfolgt dann die Präparation der nächsten Rohmaterialschicht auf der zuletzt durch Bestrahlen selektiv und bereichsweise verfestigten bzw. verschmolzenen Schicht. Nach Ausbildung einer an ihrer Oberfläche hinreichend glatten Rohmaterialschicht erfolgt dann wieder ein Belichtungsschritt in der vorstehend erläuterten Weise. Der Formkörper entsteht somit Schicht für Schicht, wobei die aufeinander folgend hergestellten Querschnitts-Schichten des Formkörpers aneinander haften.
  • Beim selektiven Verschmelzen von Metallpulvern, wie es beispielsweise in der WO 98/24574 A1 beschrieben ist, erfolgt das Präparieren der Schichten normalerweise durch Hinzugabe von Pulvermaterial auf der zuletzt verfestigten Schicht nach jedem Bestrahlungsschritt. Nach Glättung der Pulverschicht und Einstellen des Schichtniveaus relativ zur Strahlungsquelle bzw. zur Strahlablenkeinrichtung erfolgt dann der nächste Bestrahlungsschritt in der oben beschriebenen Weise. Die jeweilige Einstellung des Schichtniveaus erfolgt normalerweise durch entsprechendes Absenken einer Plattform, auf der der Formkörper schichtweise aufgebaut wird.
  • In entsprechender Weise erfolgt der Aufbau eines Formkörpers bei Methoden nach dem Prinzip des selektiven Lasersinterns (selective laser sintering), wobei insbesondere Metallpulver mit niedrigschmelzenden Bindemitteln eingesetzt werden.
  • Aus der US 5 427 733 A ist ein System zum selektiven Lasersintern bekannt, bei dem ein pulverförmiges Rohmaterial in aufeinander folgend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit einem gesteuert ablenkbaren Laserstrahl, entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers zu zusammenhängenden Bereichen durch Sintern verfestigt wird. Da unterschiedliches Wärmeleitverhalten des pulverförmigen Rohmaterials einerseits und der bereits durch Sintern verfestigten Bereiche des entstehenden Formkörpers andererseits zu lokal unterschiedlichen Aufheizeffekten des Pulvers an der jeweils bestrahlten Stelle der aktuell bearbeiteten obersten Schicht führen kann, je nachdem, ob die bestrahlte Stelle auf Rohmaterialpulver oder auf einem verfestigten Bereich der vorausgehend bearbeiteten Schicht liegt, wird in der US 5 427 733 A vorgeschlagen, die Sintertemperatur auf einen konstanten Temperaturwert zu regeln, indem durch Erfassung der von der aktuell bestrahlten Stelle ausgehenden Wärmestrahlung die Temperatur gemessen und abhängig von dem Messwert die Laserstrahlleistung so gesteuert wird, dass die Sintertemperatur stets auf einem konstanten Wert unabhängig von der Materialkonsistenz in der Umgebung der aktuell bestrahlten Stelle gehalten wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Verfahren der eingangs genannten Art eine vereinfachte Vorgehensweise zur Vermeidung des ungleichmäßigen lokalen Aufheizens bei der Bestrahlung jeweiliger Rohmaterialschichten vorzuschlagen.
  • Diese Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1 erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach einer Methode der schnellen Prototypen-Herstellung, insbesondere selektiven Laserschmelzmethode, bei der man ein pulverförmiges Rohmaterial in aufeinander folgend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit wenigstens einem, mittels einer steuerbaren Strahlablenkeinrichtung gesteuert ablenkbaren Strahl, vorzugsweise Laserstrahl, entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmusters des Formkörpers zu zusammenhängenden Bereichen verfestigt bzw. verschmelzt, wobei die Steuerung der Strahlablenkeinrichtung auf der Basis von Geometriebeschreibungsdaten des herzustellenden Formkörpers erfolgt, wobei man die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit am jeweiligen Auftreffort des Strahls auf der Schicht auftreffende Strahlungsenergie des Strahls bzw. die durch Bestrahlung zugeführte Energie an der jeweils aktuell bestrahlten Stelle der betreffenden Schicht durch Änderung vorbestimmter Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit davon variiert, ob der jeweils aktuell bestrahlte Bereich der Schicht auf einem zusammenhängend verfestigten Bereich oder auf nichtverfestigtem Rohmaterial der vorausgehend bestrahlten Schicht liegt, wobei die vorbestimmten Bestrahlungsparameter Abhängigkeit von und in Zuordnung zu den jeweiligen Geometriebeschreibungsdaten für die zu bestrahlenden Stellen vor der Bestrahlung der jeweiligen Stellen im Voraus festgelegt werden.
  • Es geht somit erfindungsgemäß darum, den durch Bestrahlung bewirkten Energieeintrag in den umzuschmelzenden Bereichen abhängig von den Wärmeleitungsbedingungen in der jeweiligen Umgebung des Strahlauftreffpunkts auf der betreffenden Schicht so zu variieren, dass das pulvrige Rohmaterial an sämtlichen Stellen des zu verfestigenden Querschnittsmusters bei einer Temperatur aus einem relativ kleinen Temperaturbereich verschmolzen wird. Es soll verhindert werden, dass aufgrund lokal unterschiedlicher thermischer Bedingungen (Umschmelztemperaturen) Materialspannungen bzw. Materialverzug oder sonstige nicht erwünschte Verformungen des Formkörpers entstehen.
  • Da die Geometrie des herzustellenden Formkörpers durch die CAD-Daten bzw. durch die daraus abgeleiteten Geometriebeschreibungsdaten für die Prozesssteuerung determiniert ist und auch die den Energieeintrag in das Rohmaterial bestimmenden Parameter, wie Absorptionsvermögen des Rohmaterials für das Licht des Laserstrahls, Wärmeleiteigenschaften des Rohmaterials, Wärmeleiteigenschaften des verfestigten Materials, (ggf. geregelte) Basistemperatur des Materials, Laserstrahlintensität etc. bestimmbar sind, kann gemäß der vorliegenden Erfindung prinzipiell für jeden zu verfestigenden Punkt des Formkörpers eine im Voraus getroffene Festlegung der Bestrahlungsbedingungen erfolgen. Gemäß einer Variante dieses Aspekts der Erfindung werden somit prozessvorbereitend Datensätze mit Daten der betreffenden Bestrahlungsparameter, wie Strahlungsleistung, Bestrahlungsdauer etc. in Zuordnung zu den CAD-Daten bzw. Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers erzeugt. Die Datenvorbereitung wird somit so getroffen, dass nicht nur die Geometriebeschreibungsdaten als Grundlage für die Steuerung des Herstellungsprozesses im Vorfeld ermittelt werden, sondern auch die „Energieeintragparameter“ oder Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit von und in Zuordnung zu den Geometriebeschreibungsdaten.
  • Auf diese Weise kann man die unterschiedliche Wärmetransportfähigkeit von pulvrigem Rohmaterial einerseits und bereits zusammenhängend verschmolzenem Rohmaterial andererseits berücksichtigen, um zu gewährleisten, dass der Strahl an sämtlichen belichteten Stellen eines Querschnittsmusters das Material mit im Wesentlichen der gleichen Temperatur verschmilzt. An Stellen, an denen die aktuell bestrahlte Schicht auf einem zusammenhängend verfestigten Bereich liegt, wird die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit am Auftreffort des Strahls auf der Schicht auftreffende Strahlungsenergie größer gewählt, als in Schichtbereichen, in denen die Schicht auf nichtverfestigtem Rohmaterial der vorausgehenden Schicht liegt. Allgemein kann bei der Bestrahlung berücksichtigt werden, ob in beliebigen Richtungen gut wärmeleitende Pfade durch bereits verfestigtes Material des Formkörpers in der Umgebung des Strahlauftreffpunktes existieren.
  • Dem Gesichtspunkt der Berechnung oder Festlegung von Bestrahlungsparametern in Abhängigkeit von Wärmeleitungsbedingungen in der jeweiligen Umgebung der zu bestrahlenden Stellen und die geometrische Zuordnung dieser Bestrahlungsparameter zu den die zu bestrahlenden Stellen geometrisch determinierenden Geometriebeschreibungsdaten des herzustellenden Formkörpers kommt im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbständige und besondere Bedeutung zu.
  • Insgesamt ermöglicht die Erfindung ein Verschmelzen des Rohmaterials mit vergleichsweise einheitlicher Schmelzzonentemperatur unabhängig vom jeweiligen Schmelzzonenort, also auch unabhängig davon, ob der jeweils aktuell bestrahlte Bereich der Schicht auf einem zusammenhängend verfestigten Bereich oder auf nicht verfestigtem Rohmaterial der vorausgehenden Schicht liegt.
  • Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-3 ist in Anspruch 4 angegeben und wird des Weiteren noch unter Bezugnahme auf die 1 näher erläutert.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
    • 1 zeigt in einer stark schematisierten Ansicht eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers nach der Methode des selektiven Laserschmelzens von pulvrigem Rohmaterial, beispielsweise Stahlpulver, wobei ein Rohmaterialbehälter in einer Schnittdarstellung gezeigt ist.
  • 1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung eine Einrichtung zum selektiven Laserschmelzen oder zum selektiven Lasersintern von pulvrigem Rohmaterial 4, beispielsweise Stahlpulver oder Keramikpulver etc. Der Steuerrechner 10 steuert den Vertikalverschiebungsantrieb 12 des Trägerbehälters 2, den Laser 18, das Strahlablenksystem 20, die Fokussieroptik 21 und den verfahrbaren Glättungsschieber 22, dem eine Schleifwelle zugeordnet sein kann. Die Schleifwelle dient dazu, etwaige auf erschmolzenen und erstarrten Bereichen der zuletzt bestrahlten Schicht nach oben hin abstehende und haftende Unebenheiten zumindest teilweise abzuschleifen. Die Steuerung des Strahlablenksystems 20 erfolgt nach Maßgabe von geometrischen Beschreibungsdaten, die beispielsweise von CAD-Konstruktionsdaten des herzustellenden Formkörpers 8 abgeleitet worden sind. Der Trägerbehälter 2 befindet sich in einer Prozesskammer (nicht gezeigt), welche mit Schutzgas bespülbar oder durchspülbar ist. Ferner kann eine Pulverabsaugeinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen sein, mittels welcher bedafsweise das Pulver aus der Prozesskammer abgesaugt und einem Vorratsbehälter ggf. nach Reinigung oder Filterung des Pulvers zugeführt werden kann, beispielsweise bevor die Prozesskammer von einer Bedienungsperson geöffnet wird, um einen fertiggestellten Formkörper herauszuholen. Die Bedienungsperson wird so vor Pulverstaub geschützt.
  • Bei dem Beispiel gemäß 1 steuert der Steuerrechner 10 den Laser 18 oder/und das Strahlablenksystem 20 oder/und die Fokussieroptik 21 ferner in der Weise, dass die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit am jeweiligen Auftreffort des Strahls 16 auf der Schicht S auftreffende Strahlungsenergie des Strahls in Abhängigkeit davon variiert wird, ob der jeweils aktuell bestrahlte Bereich der Schicht S auf einem zusammenhängend verfestigten Bereich oder auf nichtverfestigtem Rohmaterial 4 der vorausgehenden Schicht liegt. Der Steuerrechner 10 verfügt über die geometrischen Daten der Schichten und kann daher rechnerisch bzw. durch Vergleichsoperationen die vorstehend genannten Situationen unterscheiden, um die Strahlungsenergievariationen entsprechend zu kontrollieren. In 1 liegt der von dem Laserstrahl 16 momentan belichtete Bereich 50 der Schicht S nicht auf einem zusammenhängend verfestigten Bereich auf, sondern auf nichtverfestigtem Rohmaterial 4 der vorausgehenden Schicht. Der herzustellende Formkörper 8 hat in diesem Bereich einen Überhang bzw. eine Stufe. Da der Wärmetransport in dem pulvrigen Rohmaterial 4 weniger effizient ist als in zusammenghängend verfestigtem Material, wie beispielsweise in dem Bereich 52, ist die jeweils durch Laserbestrahlung erzeugte Temperaturerhöhung in solchen Bereichen 50 und 52 normalerweise unterschiedlich. Bei gleichen Bestrahlungsbedingungen könnte dies bedeuten, dass die momentan bestrahlte Schicht S in dem Bereich 50 am Auftreffort des Strahls 16 jeweils bis weit über den Schmelzpunkt des Rohmaterials 4 erhitzt wird, wohingegen die Bestrahlung der Schicht S in dem Bereich 52 zu einer gewünschten Temperaturerhöhung bis knapp über dem Schmelzpunkt des Materials 4 geführt hat. Erfolgt nun das Verschmelzen eines zusammenhängenden Querschnittsbereichs in der Schicht S zonenweise mit deutlich unterschiedlichen Temperaturen, so besteht die Gefahr, dass Materialspannungen erzeugt werden, Verzug in dem verfestigten Bereich entsteht und eine relativ große Konturenrauigkeit auftritt. Um dies zu verhindern, wird an den Stellen, an denen die aktuell bestrahlte Schicht S auf einem zusammenhängend verfestigten Bereich 52 liegt, die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit am Auftreffort des Strahls 16 auf der Schicht S auftreffende Strahlungsenergie größer gewählt als in Schichtbereichen 50, in denen die Schicht S auf nichtverfestigtem Rohmaterial 4 der vorausgehenden Schicht liegt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass innerhalb einer belichteten Querschnittsschicht S keine signifikanten Temperaturunterschiede beim Verschmelzen aufgetreten sind. Der Strahl 16 sollte somit an jeder Stelle des zusammenhängend zu verfestigenden Bereichs das Material mit im Wesentlichen der gleichen Temperatur aufschmelzen. Die Beeinflussung der pro Zeiteinheit und Flächeneinheit am Auftreffort des Strahls auftreffenden Strahlungsenergie kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls durch entsprechende Steuerung des Strahlablenksystems 20 variiert wird oder/ und dass der „Lichtfleck“ durch Änderung der Fokussierung und somit durch Steuerung des Fokussiersystems 21 variiert wird oder/und dass die Leistung des Lasers 18 unmittelbar variiert wird. Gegebenenfalls können auch Strahlungsblenden zur Beeinflussung der Laserstrahlintensität herangezogen werden.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (8), bei dem man ein pulverförmiges Rohmaterial in aufeinander folgend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit wenigstens einem mittels einer steuerbaren Strahlablenkeinrichtung ablenkbaren oder führbaren Strahl (16) entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers (8) zu zusammenhängenden Bereichen verfestigt oder verschmelzt, wobei die Steuerung der Strahlablenkeinrichtung auf der Basis von Geometriebeschreibungsdaten des herzustellenden Formkörpers erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass man die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit am jeweiligen Auftreffort des Strahls (16) auf der Schicht (S) auftreffende Strahlungsenergie des Strahls oder die durch Bestrahlung zugeführte Energie an der jeweils aktuell bestrahlten Stelle der Schicht durch Änderung vorbestimmter Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit davon variiert, ob der jeweils aktuell bestrahlte Bereich der Schicht (S) auf einem zusammenhängend verfestigten Bereich (52) oder auf nichtverfestigtem Rohmaterial der vorausgehenden Schicht liegt, wobei die vorbestimmten Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit von und in Zuordnung zu den jeweiligen Geometriebeschreibungsdaten für die zu bestrahlenden Stellen vor der Bestrahlung der betreffenden Stellen im Voraus festgelegt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man an Stellen, an denen die aktuell bestrahlte Schicht auf einem zusammenhängend verfestigten Bereich liegt, die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit am Auftreffort des Strahls (16) auf der Schicht (S) auftreffende Strahlungsenergie größer wählt als in Schichtbereichen, in denen die Schicht auf nichtverfestigtem Rohmaterial der vorausgehenden Schicht liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung mit Laserstrahlung erfolgt.
  4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, umfassend eine Trägervorrichtung für den zu erstellenden Formkörper (8), Mittel zur Präparierung einer jeweiligen nächstfolgend zumindest bereichsweise zu verfestigenden Rohmaterialschicht auf der Trägervorrichtung oder auf einer vorausgehend präparierten und bestrahlten Schicht, eine Strahlungsquelle zur Bereitstellung eines gebündelten Strahls zur Verfestigung oder Verschmelzung des Rohmaterials in einer betreffenden Schicht, eine Strahlablenkeinrichtung (20) zur gesteuerten Ablenkung des Strahls (16), Mittel zur Beeinflussung der auf einer betreffend präparierten Schicht (S) pro Zeiteinheit und Flächeneinheit auftreffenden Strahlungsenergie und eine programmierbare Steuereinrichtung zur Steuerung der Strahlablenkeinrichtung und der Mittel zur Beeinflussung der Strahlungsenergie, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Strahlablenkeinrichtung (20) oder/und die Mittel zur Beeinflussung der Strahlungsenergie auf der Basis von Geometriebeschreibungsdaten des herzustellenden Formkörpers und von bestimmten Bestrahlungsparametern, die in Abhängigkeit von und in Zuordnung zu den jeweiligen Geometriebeschreibungsdaten für die zu bestrahlenden Stellen im Voraus festgelegt wurden, in der Weise zu steuern, dass die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit am jeweiligen Auftreffort des Strahls (16) auf der Schicht (S) auftreffende Strahlungsenergie des Strahls (16) in Abhängigkeit davon variiert, ob der jeweils aktuell bestrahlte Bereich der Schicht (S) auf einem zusammenhängend verfestigten Bereich oder auf nichtverfestigtem Rohmaterial der vorausgehenden Schicht liegt.
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