DE102015214690A1

DE102015214690A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes mittels eines generativen Schichtbauverfahrens

Info

Publication number: DE102015214690A1
Application number: DE102015214690.1A
Authority: DE
Inventors: Hans Perret
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-02-02

Abstract

Ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau mindestens eines dreidimensionalen Objektes (2) weist die folgenden Schritte auf: einen Materialauftragsschritt des Bereitstellens einer Schicht eines Baumaterials (13) auf einer zuvor bereitgestellten Schicht des Baumaterials, einen Verfestigungsschritt des Verfestigens der aufgetragenen Schicht mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung, wobei der Materialauftragsschritt und der Verfestigungsschritt so oft wiederholt werden, bis alle Querschnitte des mindestens einen herzustellenden dreidimensionalen Objekts verfestigt sind, wobei zumindest ein Bereich einer aufgetragenen Schicht des Baumaterials mittels einer Heizvorrichtung (16) erwärmt wird, wobei die Temperatur einer aufgetragenen Schicht des Baumaterials mit einer Temperaturmesseinrichtung (17) in einem Messbereich (17a) gemessen wird und in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur die Heizleistung der Heizvorrichtung (16) gesteuert wird, wobei ermittelt wird, ob es zu verfestigende Stellen der Schicht gibt, die im Messbereich (17a) liegen, und falls dies der Fall ist, sichergestellt wird, dass diesen Stellen die Strahlung erst nach dem Ablauf einer vorbestimmten Verzögerungszeit zugeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf ein Verfahren zum generativen schichtweisen Aufbau von dreidimensionalen Objekten mittels einer generativen Schichtbauvorrichtung sowie auf eine Steuervorrichtung, welche die generative Schichtbauvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens steuert.
Die europäische Patentschrift EP 0 764 079 B1 beschreibt eine Lasersintervorrichtung, bei der ein pulverförmiges Baumaterial schichtweise auf einen ein Baufeld definierenden Träger aufgetragen wird, wobei nach einem Schichtauftrag jener Teil der Schicht, der einem Querschnitt des herzustellenden Objektsentspricht, mittels Bestrahlens mittels eines Lasers selektiv verfestigt wird. Bei der Verfestigung des Materials mittels Laserstrahlung wird durch den Laserstrahl so viel Energie in das Material eingetragen, dass eine zumindest oberflächliche Aufschmelzung der Pulverkörner stattfindet, so dass nach der Abkühlung sich die Pulverkörner zu einem Festkörper verbunden haben. Damit nicht die gesamte Wärmeenergie allein durch den Laserstrahl eingetragen werden muss, findet vor der selektiven Bestrahlung mit dem Laser eine Vorheizung einer aufgetragenen Pulvermaterialschicht mittels Heizstrahlern statt.
Da die von den Heizstrahlern abgegebene Strahlungswärme eine neu aufgetragene Pulvermaterialschicht nur an der Oberfläche erwärmt, dauert es eine gewisse Zeit, bis die gesamte Schicht durch Wärmetransport innerhalb der Schicht auf die gewünschte Temperatur gebracht ist. Ferner ändert sich die Temperatur der Schicht auch während des selektiven Belichtens der Schicht mit dem Laser, einerseits durch Wärmeenergieeintrag durch den Laser, andererseits durch Wärmeabflüsse. Daher wird in EP 0 764 079 B1 die Temperatur der Pulverschicht mittels eines Pyrometers gemessen und die Heizstrahler werden in Abhängigkeit von den Messwerten des Pyrometers mittels eines PID-Reglers oder PI-Reglers geregelt.
EP 0 764 079 B1 erwähnt, dass bei einer Belichtung der Schicht im Messfleck des Pyrometers letzteres eine große Überschreitung der Solltemperatur registriert und dies durch die Regelung der Heizleistung abgefangen wird. Zwar ist ein PID-Regler oder PI-Regler in gewissem Maße zum Abfangen von zeitlich begrenzten, auch großen, Schwankungen der Führungsgröße fähig, das Problem ist jedoch, durch den Laser bedingte Temperaturänderungen im Messbereich des Pyrometers von durch andere Ursachen bedingten Temperaturänderungen zu unterscheiden. Während durch den Laser bedingte Temperaturänderungen im Messbereich des Pyrometers die Regelung der Heizleistung stören (an anderen Stellen der Pulverschicht als dort wo der Laser auf diese auftrifft gibt es keine starke Temperaturerhöhung, so dass kein Bedarf für eine Änderung der Heizleistung besteht), sollen die Temperaturänderungen mit anderen Ursachen so gut wie möglich durch die Heizleistung kompensiert werden.
Eine Möglichkeit diesem Problem zu begegnen ist ganz einfach jene, eine Pulververfestigung durch Belichtung mit dem Laser im Messfleck des Pyrometers zu vermeiden. Wählt man nicht ein aufwändiges Pyrometer mit im Baufeld von Schicht zu Schicht variablem Messbereich, so liegt der Messbereich in jeder Schicht an der gleichen Stelle. In solch einem Fall muss man dann in Kauf nehmen, dass in einem Teil des Baufelds, nämlich dort wo der Messbereich des Pyrometers liegt, keine herzustellenden Bauteile angeordnet sein können. Dies schränkt die Nutzung einer generativen Schichtbauvorrichtung ein.
Es ist aufgrund des Obigen eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die generative schichtweise Herstellung von Objekten bereitzustellen, durch welche Einschränkungen bei der Herstellung infolge der Anordnung der herzustellenden Objekte beseitigt werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau mindestens eines dreidimensionalen Objektes nach Anspruch 1, durch eine Steuereinrichtung nach Anspruch 11, durch eine generative Schichtbauvorrichtung nach Anspruch 12 sowie ein Computerprogramm nach Anspruch 15.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Dabei können Merkmale aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung, die sich auf das erfindungsgemäße Verfahren beziehen, auch zur Weiterbildung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung bzw. erfindungsgemäßen generativen Schichtbauvorrichtung verwendet werden oder umgekehrt, es sei denn, dies wird explizit ausgeschlossen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum schichtweisen Aufbau mindestens eines dreidimensionalen Objektes aus einem Baumaterial mittels aufeinanderfolgenden Verfestigens von Schichten des Baumaterials jeweils an jenen Stellen einer Schicht, die dem Querschnitt des mindestens einen Objekts entsprechen, wobei die Verfestigung durch Einbringen von Wärmeenergie bewerkstelligt wird weist die folgenden Schritte auf:
einen Materialauftragsschritt des Bereitstellens einer Schicht eines Baumaterials auf einer Bauunterlage oder einer zuvor bereitgestellten Schicht des Baumaterials,
einen Verfestigungsschritt des Verfestigens der aufgetragenen Schicht mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung, bei dem die Strahlung auf zu verfestigende Stellen der Schicht einwirkt, so dass das Baumaterial an diesen Stellen durch die durch die Strahlung eingebrachte Wärmeenergie verfestigt wird,
wobei der Materialauftragsschritt und der Verfestigungsschritt so oft wiederholt werden, bis alle Querschnitte des mindestens einen herzustellenden dreidimensionalen Objekts verfestigt sind,
wobei zumindest ein Bereich einer aufgetragenen Schicht des Baumaterials mittels einer Heizvorrichtung erwärmt wird,
wobei die Temperatur einer aufgetragenen Schicht des Baumaterials mit einer Temperaturmesseinrichtung in einem Messbereich, der einen Teilbereich der Schicht umfasst, gemessen wird und in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur die Heizleistung der Heizvorrichtung gesteuert wird,
wobei in mindestens einem Verfestigungsschritt ermittelt wird, ob es zu verfestigende Stellen der Schicht gibt, die im Messbereich liegen, und falls dies der Fall ist, sichergestellt wird, dass diesen Stellen die Strahlung erst nach dem Ablauf einer vorbestimmten Verzögerungszeit nach dem Beginn des Verfestigungsschritts zugeführt wird.
Die Erfindung macht es damit möglich, während der generativen schichtweisen Herstellung von Objekten eine Schicht auch im Messbereich einer Temperaturmesseinrichtung zu verfestigen. Erfindungsgemäß wird dies dadurch ermöglicht, dass jener zu verfestigende Teil einer Schicht, der im Messbereich der Temperaturmesseinrichtung liegt, erst nach dem Ablauf einer vorbestimmten Verzögerungszeit nach Beginn des Verfestigungsschritts verfestigt wird. Das Vorsehen der Verzögerungszeit führt dadurch zu einer einfacheren und genaueren Steuerung der Heizleistung, dass zum Einen möglich ist, während der Verzögerungszeit Informationen über den zeitlichen Verlauf der Temperatur der Schicht zu sammeln. Hierdurch ist es möglich, diese Informationen für die Temperaturregelung während der Belichtung im Messbereich der Temperaturmesseinrichtung zu verwenden. Zum Anderen tritt infolge der Verzögerungszeit eine Beeinflussung der Temperaturregelung durch die Belichtung im Messbereich der Temperaturmesseinrichtung nicht schon zu Beginn der Verfestigung einer Schicht auf, sondern erst zu einem späteren Zeitpunkt. Dadurch kann sich eine Fehlregelung der Heizleistung der Heizvorrichtung lediglich auf die belichteten Stellen im Messbereich der Temperaturmesseinrichtung und die nach der Belichtung des Messbereichs belichteten Stellen der Schicht auswirken. Je länger die Verzögerungszeit dabei ist, umso weniger Stellen der Schicht werden erst nach der Belichtung im Messbereich belichtet. Je länger die Verzögerungszeit also ist, umso weniger Stellen der Schicht sind von einer beeinträchtigten Regelung der Heizleistung betroffen.
Die Sicherstellung einer vorbestimmten Verzögerungszeit kann beispielsweise dadurch gewährleistet werden, dass die Reihenfolge, in der die dem mindestens einen Objektquerschnitt entsprechenden Stellen der Schicht durch Strahlungseintrag verfestigt werden, so abgeändert wird, dass die Strahlung auf den Messbereich der Temperaturmesseinrichtung erst nach Ablauf der vorbestimmten Verzögerungszeit gerichtet wird. Der Begriff ”vorbestimmt” bringt hier zum Ausdruck, dass die Verzögerungszeit sich nicht willkürlich von Schicht zu Schicht ändert, sondern bewusst eine bestimmte Länge der Verzögerungszeit sichergestellt wird. Zum Einen kann dies durch eine Festlegung der Verzögerungszeit bereits vor dem Beginn eines generativen Schichtbauverfahrens auf einen festen Wert geschehen, zum Anderen kann eine Steuereinrichtung die Länge der Verzögerungszeit für jede Schicht in Abhängigkeit von weiteren Parametern, wie z. B. der Gesamtdauer eines Verfestigungsschritts für diese Schicht, festlegen.
Bevorzugt wird an einen Benutzer ein Warnsignal bzw. eine Warnung ausgegeben, wenn sich die die zur Durchführung des Verfestigungsschrittes in einer Schicht notwendige Zeit durch das Einfügen der vorbestimmten Verzögerungszeit um einen Betrag vergrößert, der einen vordefinierten Maximalbetrag übersteigt. In weiter bevorzugter Weise wird das Warnsignal bzw. die Warnung ausgegeben, wenn die zur Durchführung des Verfestigungsschrittes in einer Schicht notwendige Zeit oder die vorbestimmte Verzögerungszeit einen größeren Betrag aufweist als eine Zeit, die zur Durchführung des Verfestigungsschrittes in einer Schicht notwendig ist.
Gerade wenn es in einer Schicht nur wenige zu verfestigende Stellen gibt, kann die hierfür erforderliche Gesamtdauer eines Verfestigungsschrittes sehr klein sein. In solch einem Falle würde das Vorsehen einer vorgegebenen Verzögerungszeit eventuell dazu führen, dass die infolge der Verzögerungszeit tatsächlich benötigte Dauer für den Verfestigungsschritt erheblich länger als die eigentlich erforderliche Gesamtdauer für den Verfestigungsschritt ist, unter Umständen sogar die Verzögerungszeit selbst länger ist als die Zeitdauer für den Verfestigungsschritt. Dies liegt daran, dass erst die vorgegebene Verzögerungszeit abgewartet wird, bevor innerhalb des Messbereichs der Temperaturmesseinrichtung verfestigt wird.
Alternativ oder zusätzlich wird an den Bediener der generativen Schichtbauvorrichtung eine Warnung ausgegeben, wenn sich die die zur Durchführung des Verfestigungsschrittes in einer Schicht notwendige Zeit durch das Einfügen der Verzögerungszeit um einen Prozentsatz vergrößert, der einen vordefinierten Maximalprozentsatz übersteigt. Der Maximalprozentsatz ist dabei beispielsweise jener Prozentsatz, um den sich die Dauer des Verfestigungsschritts vergrößern darf, ohne dass nicht mehr tolerierbare Temperaturunterschiede innerhalb einer zu belichtenden Schicht resultieren. Weiterhin kann der Maximalprozentsatz auch dadurch festgelegt wird, dass mittels einer Simulation von Umgebungsparametern (z. B. die Stärke oder Richtung einer Schutzgasströmung) am Ort des Messbereichs eine gerade noch tolerierbare Fluktuation derselben ermittelt wird und der Maximalprozentsatz kleiner als der Prozentsatz festgelegt wird, bei dem die gerade noch tolerierbare Fluktuation auftritt.
Bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise, wird die Warnung an den Bediener gleich zu Beginn des Bauprozesses ausgegeben, damit dieser entscheiden kann, ob der Herstellungsvorgang trotz etwaiger Qualitätseinbußen fortgesetzt werden soll oder ob der Herstellungsvorgang besser abgebrochen werden soll.
In einer weiteren Variante wird eine Maximalverzögerungszeit ermittelt und einem Benutzer eine Warnung, z. B. ein Warnsignal, ausgegeben, wenn die vorbestimmte Verzögerungszeit einen größeren Betrag aufweist als die Maximalverzögerungszeit.
Das Einfügen der vorbestimmten Verzögerungszeit könnte dazu führen, dass sich die Temperaturunterschiede innerhalb der zu belichtenden Schicht grundlegend ändern, da dem Messbereich und seiner Umgebung zu einem anderen Zeitpunkt als dem ursprünglich vorgesehenen Zeitpunkt Wärmeenergie zugeführt wird. Dies kann durch die Berechnung einer Maximalverzögerungszeit, bevorzugt für jede Schicht, berücksichtigt werden. Die Maximalverzögerungszeit ist dabei beispielsweise jene Verzögerungszeit, deren Einfügung in den Belichtungsablauf zu gerade noch tolerierbaren Temperaturunterschieden innerhalb einer zu belichtenden Schicht führt. Weiterhin kann die Maximalverzögerungszeit auch eine Zeit sein, innerhalb derer die simulierten Umgebungsparameter (z. B. die Stärke oder Richtung einer Schutzgasströmung) am Ort des Messbereichs eine gerade noch tolerierbare Fluktuation zeigen. Auf ein Warnsignal hin könnte ein Bediener der Vorrichtung beispielsweise nicht mehr tolerierbaren Temperaturinhomogenitäten durch Änderungen der Belichtungsreihenfolge in nachfolgenden Schichten entgegenwirken.
Bevorzugt wird für den Fall, dass während eines Verfestigungsschritts einer Schicht eine Belichtung im Messbereich der Temperaturmesseinrichtung stattfindet, ein Ablauf des Verfestigungsschritts so angepasst, dass die Strahlung den Stellen im Messbereich im Wesentlichen erst am Ende des Verfestigungsschritts zugeführt wird.
Wenn die Strahlung den Stellen im Messbereich im Wesentlichen erst am Ende des Verfestigungsschritts zugeführt wird, dann spielt es keine Rolle, wenn der Regelung für die Heizleistung überhöhte Temperaturen zugrunde gelegt werden. Selbst wenn die Heizleistung in zu hohem Maße verringert wird, hat dies keine Auswirkungen, da nach dem Ende des Verfestigungsschrittes eine neue Schicht des Aufbaumaterials aufgetragen wird und der Heizleistungsregelung dann die Temperaturmessdaten für die neue Schicht zugrunde gelegt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird nach Ablauf der Verzögerungszeit die Heizleistung der Heizvorrichtung bis zum Ende des Verfestigungsschritts in Abhängigkeit von einem extrapolierten zeitlichen Verlauf der Heizleistung bzw. von extrapolierten Temperaturwerten gesteuert. Die extrapolierten Temperaturwerte werden dabei aus dem zeitlichen Verlauf der von der Temperaturmesseinrichtung während der Verzögerungszeit gemessenen Temperaturwerte ermittelt.
Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Regelung der Heizleistung ein Temperaturwert zugrunde gelegt, der höchstwahrscheinlich ermittelt worden wäre, wenn zu diesem Zeitpunkt die Belichtung nicht im Messbereich sondern an einer anderen Stelle der Schicht stattgefunden hätte. Dies ermöglicht eine weitestgehend realistische Regelung der Heizleistung.
Bevorzugt bilden die extrapolierten Temperaturwerte die Fortsetzung des zeitlichen Verlaufs der von der Temperaturmesseinrichtung während der Verzögerungszeit gemessenen Temperaturwerte. Damit kann die Extrapolation auf einfache Weise dadurch stattfinden, dass an den zeitlichen Verlauf der Temperaturmesswerte während der Verzögerungszeit eine Kurve (beispielsweise basierend auf einem Polynom) angefittet wird und der Kurvenverlauf in den Zeitraum der Belichtung des Messbereichs hinein verlängert wird.
Weiter bevorzugt wird bei der Bestimmung der extrapolierten Temperaturwerte zusätzlich noch die zeitliche Änderung von Umgebungsparametern während des Verfestigungsschrittes berücksichtigt. Die Extrapolation der Temperaturwerte wird dadurch besser der Realität angepasst, da mehr Parameter, die sich mit der Zeit ändern können, berücksichtigt werden.
Insbesondere kann bei der Bestimmung der extrapolierten Temperaturwerte eine Änderung eines Parameters einer Schutzgasströmung, die über die aufgetragene Schicht geführt wird, berücksichtigt werden. Beispielsweise kann sich die Richtung oder Stärke einer Schutzgasströmung verändern, welche über die zu verfestigende Pulverschicht geführt wird zur Verhinderung von Reaktionen des Aufbaumaterials mit Sauerstoff oder aber auch. zur Beseitigung von Dämpfen, die dem verfestigten Material entweichen. Insbesondere wenn es bei einer Schutzgasströmung zu Turbulenzen kommt, kann sich die Strömung kurzfristig lokal ändern. Bei einer Überwachung des Strömungsverhaltens kann dann solch eine Fluktuation bei der Extrapolation von Temperaturwerten mitberücksichtigt werden.
In einer bevorzugten Variante der Erfindung wird während eines Teils der Verzögerungszeit im Wesentlichen keine Zufuhr von Strahlung zu der aufgetragenen Schicht durchgeführt.
Für den Fall, dass die eigentliche Zeitdauer des Verfestigungsschrittes so gering ist, dass keine vernünftige Extrapolation innerhalb solch einer kurzen Zeitdauer möglich ist, kann die Zeitdauer eines Verfestigungsschrittes dadurch künstlich verlängert werden, dass zur Gewinnung einer hinreichend langen Verzögerungszeit zur Ermittlung des Temperaturverlaufs eine Wartezeit eingefügt wird, in der keine Verfestigung von Stellen der aufgetragenen Schicht stattfindet. Auf diese Weise kann trotz geringer Zeitdauer des Verfestigungsschrittes dennoch ein verlässlicher Temperaturwert für die Zeitdauer der Belichtung im Messbereich der Temperaturmesseinrichtung gewonnen werden. Ebenso kann durch eine Verlängerung der Verzögerungszeit eine Anpassung der Temperaturverhältnisse innerhalb einer Schicht an die gewünschte Temperaturverteilung sichergestellt werden.
Bevorzugt wird die Position des Messbereichs der Temperaturmesseinrichtung während eines Verfestigungsschrittes, insbesondere während des gesamten Herstellungsvorgangs des mindestens einen Objekts, nicht verändert.
Natürlich wäre es möglich, im Falle einer Verfestigung im vorbestimmten Messbereich der Temperaturmesseinrichtung einfach die Temperaturmesseinrichtung in einem anderen Bereich der Schicht eine Temperaturmessung durchführen zu lassen. Dies wäre aber aufwendiger, da für eine Möglichkeit gesorgt werden müsste, die Temperaturmesseinrichtung, beispielsweise ein berührungslos messendes Punktpyrometer, auf einen anderen Bereich der Schicht richten zu können. Hier ermöglicht die Erfindung die Beibehaltung einer einfachen Konstruktion für die Temperaturmesseinrichtung.
Eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung für eine generative Schichtbauvorrichtung zum schichtweisen Aufbau mindestens eines dreidimensionalen Objektes aus einem Baumaterial mittels aufeinanderfolgenden Verfestigens von Schichten des Baumaterials jeweils an jenen Stellen einer Schicht, die dem Querschnitt des mindestens einen Objekts entsprechen, wobei die Verfestigung durch Einbringen von Wärmeenergie bewerkstelligt wird und die generative Schichtbauvorrichtung mindestens aufweist:
eine Materialauftragseinrichtung zum Bereitstellen einer Schicht eines Baumaterials in einem Materialauftragsschritt auf einer Bauunterlage oder einer zuvor bereitgestellten Schicht des Baumaterials,
eine Verfestigungseinrichtung, die im Betrieb einen Verfestigungsschritt des Verfestigens der aufgetragenen Schicht mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung durchführt, bei dem die Strahlung auf zu verfestigende Stellen der Schicht einwirkt, so dass das Baumaterial an diesen Stellen durch die durch die Strahlung eingebrachte Wärmeenergie verfestigt wird,
wobei die generative Schichtbauvorrichtung ausgebildet ist, den Materialauftragsschritt und den Verfestigungsschritt so oft zu wiederholen, bis alle Querschnitte des mindestens einen herzustellenden dreidimensionalen Objekts verfestigt sind,
und wobei die generative Schichtbauvorrichtung eine Heizvorrichtung umfasst, die ausgebildet ist zumindest einen Bereich einer aufgetragenen Schicht des Baumaterials zu erwärmen,
und wobei die generative Schichtbauvorrichtung eine Temperaturmesseinrichtung umfasst, die im Betrieb die Temperatur einer aufgetragenen Schicht des Baumaterials in einem Messbereich misst, der einen Teilbereich der Schicht umfasst,
ist so ausgebildet, dass sie in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur die Heizleistung der Heizvorrichtung steuert und in mindestens einem Verfestigungsschritt ermittelt, ob es zu verfestigende Stellen der Schicht gibt, die im Messbereich liegen, und falls dies der Fall ist, diesen Stellen die Strahlung erst nach dem Ablauf einer vorbestimmten Verzögerungszeit nach dem Beginn des Verfestigungsschritts zuführt.
Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung ist geeignet, das erfindungsgemäße Verfahren automatisch durchzuführen. In aller Regel wird eine generative Schichtbauvorrichtung einen modularen Aufbau aufweisen und die Steuervorgänge werden in einer eigens vorgesehenen Steuereinrichtung ablaufen. Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung kann dabei eine eigene Steuereinrichtung sein, die mit einem Steuermodul einer generativen Schichtbauvorrichtung zusammenwirkt, oder aber ein Teil des Steuermoduls einer generativen Schichtbauvorrichtung sein.
Eine erfindungsgemäße generative Schichtbauvorrichtung weist auf:
eine Materialauftragseinrichtung zum Bereitstellen einer Schicht eines Baumaterials in einem Materialauftragsschritt auf einer Bauunterlage oder einer zuvor bereitgestellten Schicht des Baumaterials,
eine Verfestigungseinrichtung, die im Betrieb einen Verfestigungsschritt des Verfestigens der aufgetragenen Schicht mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung durchführt, bei dem die Strahlung auf zu verfestigende Stellen der Schicht einwirkt, so dass das Baumaterial an diesen Stellen durch die durch die Strahlung eingebrachte Wärmeenergie verfestigt wird,
wobei die generative Schichtbauvorrichtung ausgebildet ist, den Materialauftragsschritt und den Verfestigungsschritt so oft zu wiederholen, bis alle Querschnitte des mindestens einen herzustellenden dreidimensionalen Objekts verfestigt sind,
und wobei die generative Schichtbauvorrichtung eine Heizvorrichtung umfasst, die ausgebildet ist zumindest einen Bereich einer aufgetragenen Schicht des Baumaterials zu erwärmen,
und wobei die generative Schichtbauvorrichtung eine Temperaturmesseinrichtung umfasst, die im Betrieb die Temperatur einer aufgetragenen Schicht des Baumaterials in einem Messbereich misst, der einen Teilbereich der Schicht umfasst,
und wobei die generative Schichtbauvorrichtung weiter die erfindungsgemäße Steuereinrichtung aufweist.
Auch wenn es theoretisch möglich ist, dass die erfindungsgemäße Steuereinrichtung mit einer generativen Schichtbauvorrichtung über ein Kabel oder Netzwerk zusammenwirkt, also außerhalb der generativen Schichtbauvorrichtung angeordnet ist, so wird es doch von Vorteil sein, wenn die erfindungsgemäße Steuereinrichtung unmittelbar in der generativen Schichtbauvorrichtung angeordnet ist, um die Signalwege kurz zu halten, so dass möglichst eine Echtzeitverarbeitung von Temperaturmesswerten stattfinden kann und ebenfalls in den Ablauf eines Verfestigungsschrittes durch Einfügen einer Verzögerungszeit in Echtzeit eingegriffen werden kann.
Bevorzugt umfasst die Temperaturmesseinrichtung in der erfindungsgemäßen generativen Schichtbauvorrichtung ein Pyrometer. Auch wenn es theoretisch möglich ist, dass es sich bei der Temperaturmesseinrichtung um eine großflächige, Bilder liefernde Infrarotkamera handelt, so bringen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße generative Schichtbauvorrichtung dann den meisten Nutzen, wenn als Temperaturmesseinrichtung ein Pyrometer vorhanden ist, das einen festen Messbereich (Messort) innerhalb des Baufeldes der generativen Schichtbauvorrichtung besitzt.
Insbesondere wird eine generative Schichtbauvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet sein, dass sie das erfindungsgemäße Verfahren durchführen kann.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm umfasst eine Abfolge von Befehlen, durch welche ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm in einer Steuereinrichtung oder einer generativen Schichtbauvorrichtung ausgeführt wird.
Auch wenn es möglich ist, eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung allein mittels Hardware-Komponenten so auszulegen, dass diese ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführen kann, so wird es in aller Regel zweckdienlicher sein, mittels eines Computerprogramms, das in einer Datenverarbeitungseinrichtung abläuft, die einzelnen Verfahrensschritte der erfindungsgemäßen Verfahren zu implementieren.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer generativen Schichtbauvorrichtung am Beispiel einer Lasersintervorrichtung.
2 und 3 zeigen schematisch die Vorgehensweise gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und
4 zeigt schematisch die Vorgehensweise gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen generativen Schichtbauvorrichtung 1 beschrieben. Die in 1 dargestellte Vorrichtung ist eine Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1. Zum Aufbauen eines Objekts 2 enthält sie eine Prozesskammer 3 mit einer Kammerwandung 4.
In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Wandung 6 angeordnet. In dem Behälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 7 angeordnet, an dem eine Grundplatte 8 angebracht ist, die den Behälter 5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte 8 kann eine getrennt von dem Träger 7 gebildete Platte sein, die an dem Träger 7 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 7 gebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grundplatte 8 noch eine Bauplattform 9 angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Das Objekt 2 kann aber auch auf der Grundplatte 8 selber aufgebaut werden, die dann als Bauplattform dient. In 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bauplattform 9 zu bildende Objekt 2 unterhalb einer Arbeitsebene 10 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 11.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält weiter einen Pulverbehälter 12 für ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares pulverförmiges Aufbaumaterial 13 und einen in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter 14 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 13 auf die Arbeitsebene 10. An ihrer Oberseite enthält die Wandung 4 der Prozesskammer 3 ein Einkoppelfenster 15 für eine zum Verfestigen des Pulvers dienende Strahlung. In der Prozesskammer 3 sind ferner eine Strahlungsheizung 16 und eine Temperaturmesseinrichtung 17 angeordnet.
Die Strahlungsheizung 16 ist dazu ausgelegt, zumindest einen Teilbereich des Baufeldes zu beheizen, bevorzugt das gesamte Baufeld. Bei dem Baufeld handelt es sich dabei um jenen Bereich der Arbeitsebene 10, der innerhalb der oberen Öffnung des Behälters 5 liegt. Es sei in diesem Zusammenhang bemerkt, dass an Stelle der Strahlungsheizung 16 auch eine anders geartete Heizeinrichtung zur Beheizung der obersten Schicht verwendet werden kann. Auf welche Art geheizt wird ist für die Erfindung nur von untergeordneter Bedeutung.
Bei der Temperaturmesseinrichtung 17 handelt es sich bevorzugt um ein berührungslos messendes Punktpyrometer, obwohl auch die Verwendung einer IR-Kamera möglich ist, die größere, nicht notwendigerweise zusammenhängende Bereiche des Baufelds erfasst. Die Temperaturmesseinrichtung erfasst die Temperatur der obersten Pulverschicht in einem Messbereich 17a, der ein Teilbereich der obersten Pulverschicht ist und in 2 und 3 gezeigt ist. Anhand der Messwerte der Temperaturmesseinrichtung 17 regelt das Steuermodul 29 die Heizleistung der Strahlungsheizung 16.
Die Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 enthält ferner eine Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21, der einen Laserstrahl 22 erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt und durch eine Fokussiervorrichtung 24 über das Einkoppelfenster 15 auf das Baufeld fokussiert wird.
Weiter enthält die Vorrichtung 1 ein Steuermodul 29, über das die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung 1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Das Steuermodul kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann getrennt von der Vorrichtung auf einem Speichermedium gespeichert sein, von dem aus es in die Vorrichtung, insbesondere in das Steuermodul geladen werden kann.
Im Betrieb wird zum Aufbringen einer Pulverschicht zunächst der Träger 7 um eine Höhe abgesenkt, die der gewünschten Schichtdicke entspricht. Durch Verfahren des Beschichters 14 über die Arbeitsebene 10 wird dann eine Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials 13 aufgetragen. Das Auftragen erfolgt zumindest über den gesamten Querschnitt des herzustellenden Objekts 2, vorzugsweise über das gesamte Baufeld. Die aufgebrachte Pulverschicht wird durch die Strahlungsheizung 16 vorgeheizt. Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 mit dem Laserstrahl 22 abgetastet, so dass das pulverförmige Aufbaumaterial 13 an den Stellen verfestigt wird, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 entsprechen. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Objekt 2 fertiggestellt ist und dem Bauraum entnommen werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mittels der in 1 gezeigten generativen Schichtbauvorrichtung durchgeführt werden. Hierzu weist die generative Schichtbauvorrichtung in 1 eine Steuereinrichtung 100 auf, mittels welcher das erfindungsgemäße Verfahren implementiert werden kann. Diese Steuereinrichtung 100 kann entweder, wie in 1 gezeigt, Bestandteil der generativen Schichtbauvorrichtung, insbesondere des Steuermoduls 29, sein oder aber getrennt von der generativen Schichtbauvorrichtung vorhanden sein und mit letzterer über ein Netzwerk oder ein Kabel oder Bussystem verbunden sein.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben.
2 und 3 zeigen jeweils eine Draufsicht auf das Baufeld der Lasersintervorrichtung von 1, also auf den Bereich der Arbeitsebene 10, der innerhalb der oberen Öffnung des Behälters 5 liegt. In dem hier beschriebenen Beispiel wird in einem Bauvorgang nicht ein einziges Objekt 2 hergestellt, sondern es werden sechs Objekte parallel hergestellt. Dies soll jedoch nicht heißen, dass die Erfindung nicht auch auf die Herstellung einer anderen Anzahl von Objekten (also beispielsweise auch nur eines Objektes) anwendbar ist.
2 und 3 zeigen einen Blick auf die zu einem gewissen Zeitpunkt während des Bauvorgangs oberste Pulverschicht während des Verfestigungsschrittes. Der besseren Verständlichkeit halber sind in den 2 und 3 die in dieser Schicht zu verfestigenden Querschnitte 2a bis 2f der herzustellenden Objekte vollständig, also in bereits verfestigtem Zustand gezeigt. Weiterhin ist in den beiden Figuren der Messbereich 17a der Temperaturmesseinrichtung, beispielsweise eines berührungslos messenden Punktpyrometers, schraffiert gezeigt. Die Reihenfolge, in der die einzelnen Objektquerschnitte 2a bis 2f verfestigt werden, ist durch die Angabe der Großbuchstaben A bis F veranschaulicht. Wie man sieht, ist zunächst, also vor Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, beabsichtigt, den Objektquerschnitt 2e nach dem Objektquerschnitt 2d und vor dem Objektquerschnitt 2f zu verfestigen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren prüft vor Beginn des Verfestigungsschritts einer Schicht die Steuereinrichtung 100 ab, ob einer der zu verfestigenden Querschnitte zumindest teilweise im Messbereich 17a des Punktpyrometers liegt. Für diese Abprüfung kann die Steuereinrichtung 100 beispielsweise auf den Eingangsdatensatz der generativen Schichtbauvorrichtung zugreifen, in dem spezifiziert ist, an welchen Stellen in einer Schicht eine Verfestigung mittels des Laserstrahls stattfinden soll und in welcher Reihenfolge der Laserstrahl auf die zu verfestigenden Stellen der Schicht gerichtet wird. Die Lage des Messbereichs 17a des Punktpyrometers im Baufeld kann der Steuereinrichtung 100 beispielsweise über eine Bedienereingabe eingegeben werden oder aber diese Information wird der Steuereinrichtung 100 von dem Steuermodul 29 der Lasersintervorrichtung übergeben. Sobald die Steuereinrichtung 100 eine Überlappung des Messbereichs 17a mit einem zu verfestigenden Querschnitt entdeckt hat, greift die Steuereinrichtung 100 in den Ablauf des Verfestigungsschritts ein (beispielsweise durch direkten Zugriff auf die Eingangsdaten des Steuermoduls 29 oder aber. durch Kommunikation mit dem Steuermodul 29).
Das Resultat dieses Eingriffs in den Ablauf des Verfestigungsschrittes ist in der 3 dargestellt. Wie man erkennt, wird nun der Querschnitt 2e, der mit dem Messbereich 17a des Punktpyrometers überlappt, innerhalb der Schicht als letztes verfestigt. Innerhalb dieses Querschnitts 2e wiederum wird bevorzugt jener Bereich, der mit dem Messbereich 17a überlappt, zuletzt verfestigt. Anders ausgedrückt sieht die Steuereinrichtung 100 für den Querschnitt 2e eine vorbestimmte Verzögerungszeit nach dem Beginn des Verfestigungsschritts vor, so dass dieser Querschnitt 2e erst nach Ablauf dieser vorbestimmten Verzögerungszeit verfestigt wird. Die in den 2 und 3 veranschaulichte Umsortierung der Reihenfolge, in der die Querschnitte mit dem Laserstrahl verfestigt werden, ist nichts anderes als das Einfügen einer Verzögerungszeit für den Querschnitt 2e, da als Resultat der Umsortierung erfindungsgemäß der Querschnitt 2e, der mit dem Messbereich 17a des Punktpyrometers überlappt, stets zu einem späteren Zeitpunkt verfestigt werden wird als ursprünglich vorgesehen. Der Sinn dieses automatischen Sicherstellens einer vorbestimmten Verzögerungszeit bei der Belichtung für Stellen, die im Messbereich des Pyrometers liegen, ist Folgender:
Ein automatisches Herunterregeln der Heizleistung infolge zu hoher Temperaturmesswerte des Pyrometers durch eine Belichtung im Messbereich 17a des Pyrometers ist gegen Ende des Verfestigungsvorgangs für eine Pulverschicht weniger schädlich als zu Beginn des Verfestigungsschritts. Findet die Verfestigung im Messbereich 17a erst gegen Ende des Verfestigungsschritts statt, so gibt es nur wenige noch zu verfestigende Stellen in der Schicht, an denen eine Verfestigung bei zu niedriger Pulvermaterialtemperatur infolge zu geringer Heizleistung der Heizstrahler 16 während der vorangegangenen Belichtung im Messbereich 17a des Pyrometers stattfindet. Selbst wenn die Verfestigung des den Messbereich 17a überlappenden Querschnitts bzw. des Überlappbereichs mit dem Messbereich 17a nicht gegen Ende des Verfestigungsschritts stattfindet, jedoch dennoch mit einer gewissen Verzögerungszeit seit dem Beginn des Verfestigungsschritts stattfindet, lässt sich ein positiver Effekt beobachten.
Natürlich ist keine Umstellung der Belichtungsreihenfolge notwendig, wenn bereits vor Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens feststeht, dass der Pyrometermessbereich erst zu eifern späten Zeitpunkt während des Verfestigungsschritts, also insbesondere erst nach der erfindungsgemäß vorbestimmten Verzögerungszeit, belichtet wird. Der Sinn des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in solch einem Fall jedoch der, dass explizit abgeprüft wird, ob die vorbestimmte Verzögerungszeit für die Belichtung des Messbereichs eingehalten wird. Das erfindungsgemäße Verfahren garantiert also die Einhaltung der vorbestimmten Verzögerungszeit. Die vorbestimmte Verzögerungszeit definiert sich bevorzugt daraus, wie viel Zeit notwendig ist, um eine ausreichend genaue Extrapolation (s. u.) zu gewährleisten.
Auch für den Fall, dass lediglich ein einziges großes Bauteil gefertigt wird und eine Belichtung mit dem Laserstrahl im Messbereich 17a des Punktpyrometers erforderlich ist, wird erfindungsgemäß der Bereich des Objektquerschnitts, der im Messbereich 17a des Pyrometers liegt, erst nach einer gewissen Verzögerungszeit ab dem Beginn des Verfestigungsschritts, bevorzugt erst gegen Ende des Verfestigungsschritts, verfestigt. Man kann dies beispielsweise dadurch bewerkstelligen, dass die Steuereinrichtung 100 eine Zerlegung des zu verfestigenden Querschnitts des einzigen großen Objekts in Segmente durchführt, wobei das Segment, das den Messbereich 17a schneidet bzw. vollständig in diesem Messbereich 17a liegt, erst zu einem möglichst späten Zeitpunkt verfestigt wird. Mit anderen Worten erfolgt eine Umsortierung der Segmente des Querschnitts dergestalt, dass jene Segmente, die den Messbereich 17a schneiden, erst zu einem späten Zeitpunkt während des Verfestigungsschrittes, bevorzugt erst gegen Ende des Verfestigungsschrittes, verfestigt werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird während einer Verfestigung im Messbereich 17a der Temperaturmesseinrichtung die normale Regelung der Heizleistung der Heizvorrichtung außer Kraft gesetzt und durch eine spezielle Regelung, nachfolgend als ”Ausnahmeregelung” bezeichnet, ersetzt. Ein beispielhaftes Vorgehen wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. In 4 sind die Heizleistung P sowie die von der Temperaturmesseinrichtung für die Regelung bereitgestellte Temperatur T in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Wie man erkennt, steigt zunächst mit Beginn des Verfestigungsvorgangs zum Zeitpunkt t₀ die von der Temperaturmesseinrichtung ermittelte Temperatur T allmählich an, und entsprechend wird die Heizleistung P durch die Regelung allmählich heruntergeregelt.
Wenn zum Zeitpunkt t₁ die Verfestigung im Messbereich 17a der Temperaturmesseinrichtung startet, so liefert die Temperaturmesseinrichtung ab diesem Zeitpunkt höhere Temperaturwerte an die Regelung. In der 4 ist dies lediglich schematisch dargestellt, der genaue Kurvenverlauf kann anders sein. Infolge der höheren Temperaturwerte regelt die Regelung die Heizleistung P während des Zeitraums zwischen t₁ und t₂, innerhalb dessen eine Verfestigung im Messbereich 17a stattfindet und die Temperaturwerte, die die Temperaturmesseinrichtung ausgibt, erhöht sind, stark herunter. Nach Beendigung der Verfestigung im Messbereich 17a nach dem Zeitpunkt t₂ nimmt die von der Temperaturmesseinrichtung ausgegebene Temperatur T allmählich ab und die Heizleistung P steigt allmählich wieder an.
Der bis jetzt beschriebene Verlauf, der in der 4 durch durchgezogene Kurven wiedergegeben ist, spiegelt den Normalfall wider, in dem noch nicht die erfindungsgemäße Vorgehensweise angewendet wird. Gemäß der zweiten Ausführungsform wird die zu geringe Heizleistung während der Verfestigung im Messbereich der Temperaturmesseinrichtung (die Heizleistung ist so gering, dass sie in der schematischen 4 während dieses Zeitraums vollkommen fehlt), wie folgt verhindert:
Während des Zeitraums zwischen t₁ und t₂ werden der Regelung für die Heizleistung Temperatureingangswerte nicht von der Temperaturmesseinrichtung zugeführt, sondern von der Steuereinrichtung 100 bzw. vom Steuermodul 29. Dabei liefert die Steuereinrichtung 100 bzw. das Steuermodul 29 der Regelung Temperaturwerte, die dem in 4 dargestellten gestrichelten Verlauf der Temperaturkurve entsprechen, wie er sich ergeben würde, wenn eine Verfestigung im Messbereich der Temperaturmesseinrichtung unterbleiben würde. Der entsprechend gestrichelte dargestellte Verlauf der Heizleistung P ist ebenfalls gezeigt. Um während des Zeitraums zwischen t₁ und t₂ der Regelung adäquate Temperaturwerte zuführen zu können, erfasst die Steuereinrichtung 100, nachdem sie festgestellt hat, dass es in einem Verfestigungsschritt zu einer Verfestigung im Messbereich der Temperaturmesseinrichtung kommen wird, zumindest während eines Teils des Zeitraums zwischen t₀ und t₁ den zeitlichen Verlauf der von der Temperaturmesseinrichtung an die Regelung ausgegebenen Temperaturwerte T. Anhand des erfassten Temperaturverlaufs wird der Temperaturverlauf in dem Zeitraum zwischen t₁ und t₂ extrapoliert. Zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ liefert dann die Steuereinrichtung 100 der Regelung die extrapolierten Temperaturwerte anstelle der von der Temperaturmesseinrichtung ausgegebenen Temperaturwerte.
Für die Erfassung des Temperaturverlaufs zwischen t₀ und t₁ muss dieser Zeitraum genügend lang sein. In der Steuereinrichtung 100 ist dabei bevorzugt eine Mindesterfassungszeit T_Erf vorbestimmt. Vor Beginn des Verfestigungsschrittes prüft die Steuereinrichtung 100 dann bevorzugt ab, ob der Zeitraum t₁–t₀ größer ist als T_Erf. Falls dies nicht der Fall ist, dann führt die Steuereinrichtung 100 entsprechend eine Umsortierung der Reihenfolge der Belichtungen der einzelnen Stellen durch, wie bei der ersten Ausführungsform, um den Zeitraum t₁–t₀ zu verlängern. Mit anderen Worten, es wird wiederum eine vorbestimmte Verzögerungszeit nach dem Beginn des Verfestigungsschrittes eingeführt, so dass im Messbereich 17a der Temperaturmesseinrichtung die Verfestigung erst nach Ablauf der Verzögerungszeit stattfindet.
Statt die Belichtungsreihenfolge der Schicht umzuändern zur Gewinnung einer genügend großen Zeit t₁–t₀ ist es bei der ersten und zweiten Ausführungsform alternativ auch möglich, die Reihenfolge, in der die Stellen der Schicht belichtet werden, beizubehalten und lediglich eine Wartezeit einzufügen, in der keine Belichtung stattfindet zur Verlängerung des Zeitraums t₁–t₀.
Natürlich ist es auch möglich, die erste und zweite Ausführungsform miteinander zu kombinieren: Die Belichtungsreihenfolge kann dergestalt abgeändert werden, dass eine Belichtung der Schicht innerhalb des Messbereichs 17a zeitlich nach hinten verschoben wird, bevorzugt erst am Ende des Verfestigungsschritts durchgeführt wird, und gleichzeitig während der Belichtung im Messbereich 17a von der Steuereinrichtung 100 der Heizleistungsregelung extrapolierte Temperaturwerte zur Verfügung gestellt werden.
In einer Abwandlung der Erfindung, die auf beide Ausführungsformen anwendbar ist, wird an einen Benutzer der generativen Schichtbauvorrichtung ein Warnsignal ausgegeben für den Fall, dass der Zeitraum t₁–t₀, also die Zeit zwischen Beginn des Verfestigungsschritts und Beginn der Verfestigung im Messbereich der Temperaturmesseinrichtung, größer als eine vordefinierte Maximalverzögerungszeit ist. Der Grund hierbei ist folgender:
Wenn durch die Steuereinrichtung 100 der Zeitraum t₁–t₀ durch eine Umsortierung der Belichtungsreihenfolge bzw. die Einfügung einer Belichtungspause verlängert wird, dann ändert sich der zeitliche Temperaturverlauf an den einzelnen Stellen der Schicht. Wird beispielsweise einem Bereich der Schicht in dem der Messbereich der Temperaturmesseinrichtung liegt die Laserstrahlung erst später zugeführt, so kann sich dieser Schichtbereich, unter der Annnahme dass in der unmittelbar darunter liegenden Schicht eine Verfestigung stattgefunden hat, länger abkühlen und daher wird dort eine andere Temperatur des Pulverförmigen Aufbaumaterials vorliegen als wenn diesem Schichtbereich die Laserstrahlung bereits zugeführt worden wäre. Solche Variationen in der lokalen Temperatur können zu Änderungen in den Eigenschaften des Objekts an den entsprechenden Stellen führen. Für den Bediener ist es daher sehr hilfreich, zu erfahren, ob es große zeitliche Verschiebungen bzw. Verzögerungen im Hinblick auf die unterschiedlichen Verfestigungsbereiche einer Schicht gibt. Die Maximalverzögerungszeit, die zur Ausgabe einer Warnung, beispielsweise eines optischen oder akustischen Signals oder einer Meldung, die auf einem Überwachungsbildschirm ausgegeben wird, führt, hängt vom speziellen Bauprozess ab, beispielsweise also vom verwendeten Baumaterial, vom Füllgrad des Behälters 5, also dem Prozentsatz des Baumaterials im Behälter, das bei der Herstellung von Objekten verfestigt wird, etc. Ebenso kann die Maximalverzögerungszeit von der Dauer des Verfestigungsschrittes abhängig gemacht werden. Ist beispielsweise die Länge des gesamten Verfestigungsschrittes zu klein, um innerhalb dieser Zeit wie bei der zweiten Ausführungsform einen Temperaturverlauf zu erfassen, so kann nicht die Vorgehensweise gemäß der zweiten Ausführungsform gewählt werden. Da in solch einem Falle die Regelung wie beim Stand der Technik auf eine Verfestigung im Messbereich der Temperaturmesseinrichtung reagiert, ist es auch in solch einem Falle wichtig, dem Nutzer durch eine Warnung anzuzeigen, dass für diesen Verfestigungsschritt lediglich eine unzulängliche Regelung für die Heizleistung der Heizvorrichtung vorlag.
In einer Abwandlung der zweiten Ausführungsform wird bei der Bestimmung der extrapolierten Temperaturwerte zusätzlich noch auf andere Prozessparameter zurückgegriffen. Beispielsweise kann es zu Temperaturänderungen aufgrund von Änderungen in einer Schutzgasströmung, die über das Baufeld streicht, kommen. Greift die Steuereinrichtung 100 in solch einem Fall für die Ermittlung der extrapolierten Temperaturwerte auch auf Informationen über Änderungen in der Schutzgasströmung zu, so kann auch ohne Vorliegen von exakten Messwerten einer Temperaturmesseinrichtung während einer Verfestigung im Messbereich der Temperaturmesseinrichtung sofort auf Änderungen der Prozessparameter bzw. Umgebungsparameter reagiert werden. In solch einem Fall können beispielsweise die an die Regelung ausgegebenen Temperaturwerte in Reaktion auf geänderte Schutzgasparameter während des Belichtungszeitraums im Messbereich 17a (also zwischen t₁ und t₂) angepasst werden.
Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand einer Lasersinter- bzw. Laserschmelzvorrichtung beschrieben wurde, ist sie nicht auf das Lasersintern oder Laserschmelzen eingeschränkt. Sie kann auf beliebige Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumaterials angewendet werden.
Der Laser kann beispielsweise einen Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser umfassen. Allgemein kann jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie selektiv auf eine Schicht des Aufbaumaterials aufgebracht werden kann. Anstelle eines Lasers können beispielsweise eine Mehrzahl von Lasern, eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl oder jede andere Energie- bzw. Strahlenquelle verwendet werden, die geeignet ist, das Aufbaumaterial zu verfestigen. Auch auf das selektive Maskensintern, bei dem eine ausgedehnte Lichtquelle und eine Maske verwendet werden, oder auf das Absorptions- bzw. Inhibitionssintern kann die Erfindung angewendet werden.
Als pulverförmiges Aufbaumaterial können alle Pulver bzw. Pulvermischungen verwendet werden, die durch einen Wärmeenergieeintrag erweicht, angeschmolzen oder aufgeschmolzen werden, und nach dem Wiedererkalten sich zu einem Festkörper verbunden haben. Solche Pulver umfassen z. B. Kunststoffpulver wie Polyamid oder Polystyrol, PAEK (Polyaryl Ether Ketone), Elastomere, wie PEBA (Polyether Block Amide), kunststoffbeschichteten Sand, Keramikpulver oder Metallpulver, z. B. Edelstahlpulver oder andere, an den jeweiligen Zweck angepasste Metallpulver, insbesondere Legierungen.
Als Schutzgas eignet sich je nach verwendetem Aufbaumaterial ein Gas, das mit dem Aufbaumaterial im Wesentlichen keine chemische Reaktion eingeht, beispielsweise bei Kunststoffpulver vorzugsweise Stickstoff oder bei Metallpulver vorzugsweise Argon und/oder Stickstoff.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0764079 B1 [0002, 0003, 0004]

Claims

Verfahren zum schichtweisen Aufbau mindestens eines dreidimensionalen Objektes (2) aus einem Baumaterial (13) mittels aufeinanderfolgenden Verfestigens von Schichten des Baumaterials (13) jeweils an jenen Stellen einer Schicht, die dem Querschnitt des mindestens einen Objekts entsprechen, wobei die Verfestigung durch Einbringen von Wärmeenergie bewerkstelligt wird und das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: einen Materialauftragsschritt des Bereitstellens einer Schicht eines Baumaterials (13) auf einer Bauunterlage (8, 9) oder einer zuvor bereitgestellten Schicht des Baumaterials, einen Verfestigungsschritt des Verfestigens der aufgetragenen Schicht mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung, bei dem die Strahlung auf zu verfestigende Stellen der Schicht einwirkt, so dass das Baumaterial an diesen Stellen durch die durch die Strahlung eingebrachte Wärmeenergie verfestigt wird, wobei der Materialauftragsschritt und der Verfestigungsschritt so oft wiederholt werden, bis alle Querschnitte des mindestens einen herzustellenden dreidimensionalen Objekts verfestigt sind, wobei zumindest ein Bereich einer aufgetragenen Schicht des Baumaterials mittels einer Heizvorrichtung (16) erwärmt wird, wobei die Temperatur einer aufgetragenen Schicht des Baumaterials mit einer Temperaturmesseinrichtung (17) in einem Messbereich (17a), der einen Teilbereich der Schicht umfasst, gemessen wird und in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur die Heizleistung der Heizvorrichtung (16) gesteuert wird, wobei in mindestens einem Verfestigungsschritt ermittelt wird, ob es zu verfestigende Stellen der Schicht gibt, die im Messbereich (17a) liegen, und falls dies der Fall ist, sichergestellt wird, dass diesen Stellen die Strahlung erst nach dem Ablauf einer vorbestimmten Verzögerungszeit nach dem Beginn des Verfestigungsschritts zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem an einen Benutzer eine Warnung ausgegeben wird, wenn sich die die zur Durchführung des Verfestigungsschrittes in einer Schicht notwendige Zeit durch das Einfügen der vorbestimmten Verzögerungszeit um einen Betrag vergrößert, der einen vordefinierten Maximalbetrag übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Maximalverzögerungszeit ermittelt wird und an einen Benutzer eine Warnung ausgegeben wird, wenn die vorbestimmte Verzögerungszeit einen größeren Betrag aufweist als die Maximalverzögerungszeit.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Ablauf des Verfestigungsschritts so angepasst wird, dass die Strahlung den Stellen im Messbereich (17a) im Wesentlichen erst am Ende des Verfestigungsschritts zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nach Ablauf der Verzögerungszeit die Heizleistung der Heizvorrichtung (16) bis zum Ende des Verfestigungsschritts in Abhängigkeit von einem extrapolierten zeitlichen Verlauf der Heizleistung der Heizvorrichtung und/oder von extrapolierten Temperaturwerten geregelt wird, wobei die extrapolierten Temperaturwerte aus dem zeitlichen Verlauf der von der Temperaturmesseinrichtung (17) während der Verzögerungszeit gemessenen Temperaturwerte ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die extrapolierten Temperaturwerte die Fortsetzung des zeitlichen Verlaufs der von der Temperaturmesseinrichtung (17) während der Verzögerungszeit gemessenen Temperaturwerte darstellen.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem bei der Bestimmung der extrapolierten Temperaturwerte zusätzlich noch die zeitliche Änderung von Umgebungsparametern während des Verfestigungsschrittes, berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem bei der Bestimmung der extrapolierten Temperaturwerte eine Änderung eines Parameters einer Schutzgasströmung, die über die aufgetragene Schicht geführt wird, berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem während eines Teils der Verzögerungszeit im Wesentlichen keine Zufuhr von Strahlung zu der aufgetragenen Schicht durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Position des Messbereichs (17) während eines Verfestigungsschrittes, insbesondere während des gesamten Herstellungsvorgangs des mindestens einen Objekts (3), nicht verändert wird.
Steuereinrichtung (100) für eine generative Schichtbauvorrichtung (1) zum schichtweisen Aufbau mindestens eines dreidimensionalen Objektes (2) aus einem Baumaterial (13) mittels aufeinanderfolgenden Verfestigens von Schichten des Baumaterials jeweils an jenen Stellen einer Schicht, die dem Querschnitt des mindestens einen Objekts (2) entsprechen, wobei die Verfestigung durch Einbringen von Wärmeenergie bewerkstelligt wird und die generative Schichtbauvorrichtung (1) mindestens aufweist: eine Materialauftragseinrichtung (14) zum Bereitstellen einer Schicht eines Baumaterials (13) in einem Materialauftragsschritt auf einer Bauunterlage (8, 9) oder einer zuvor bereitgestellten Schicht des Baumaterials, eine Verfestigungseinrichtung (20), die im Betrieb einen Verfestigungsschritt des Verfestigens der aufgetragenen Schicht mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung durchführt, bei dem die Strahlung auf zu verfestigende Stellen der Schicht einwirkt, so dass das Baumaterial an diesen Stellen durch die durch die Strahlung eingebrachte Wärmeenergie verfestigt wird, wobei die generative Schichtbauvorrichtung (1) ausgebildet ist, den Materialauftragsschritt und den Verfestigungsschritt so oft zu wiederholen, bis alle Querschnitte des mindestens einen herzustellenden dreidimensionalen Objekts (2) verfestigt sind, und wobei die generative Schichtbauvorrichtung eine Heizvorrichtung (16) umfasst, die ausgebildet ist zumindest einen Bereich einer aufgetragenen Schicht des Baumaterials (13) zu erwärmen, und wobei die generative Schichtbauvorrichtung (1) eine Temperaturmesseinrichtung (17) umfasst, die im Betrieb die Temperatur einer aufgetragenen Schicht des Baumaterials (13) in einem Messbereich (17a) misst, der einen Teilbereich der Schicht umfasst, wobei die Steuereinrichtung (100) so ausgebildet ist, dass sie in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur die Heizleistung der Heizvorrichtung (16) steuert und in mindestens einem Verfestigungsschritt ermittelt, ob es zu verfestigende Stellen der Schicht gibt, die im Messbereich (17a) liegen, und falls dies der Fall ist, diesen Stellen die Strahlung erst nach dem Ablauf einer vorbestimmten Verzögerungszeit nach dem Beginn des Verfestigungsschritts zuführt.
Generative Schichtbauvorrichtung (1) mit den Merkmalen der generativen Schichtbauvorrichtung des Anspruchs 11, weiter umfassend eine Steuereinrichtung (100) gemäß Anspruch 11.
Generative Schichtbauvorrichtung (1) nach Anspruch 12, bei der die Temperaturmesseinrichtung (16) ein Pyrometer umfasst.
Generative Schichtbauvorrichtung (1) nach Anspruch 12 oder 13, die ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Abfolge von Befehlen umfasst, durch welche ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm in einer Steuereinrichtung (100) nach Anspruch 11 oder einer generativen. Schichtbauvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14 ausgeführt wird.