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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Daten zur verbesserten Steuerung einer Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen nach der Methode des selektiven Pulverschmelzens durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, insbesondere metallischem Werkstoff, nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des jeweils herzustellenden Gegenstands. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen nach der Methode des selektiven Pulverschmelzens sowie zur Durchführung des Verfahrens, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, folgende Schritte a) bis e) bei Herstellung eines Gegenstands durchzuführen:
- a) - Präparieren einer Schicht des pulverförmigen Werkstoffs auf einem Träger,
- b) - Bestrahlen der präparierten Schicht des pulverförmigen Werkstoffs in einem dieser Schicht zugeordneten Querschnittsbereich des herzustellenden Gegenstands mit einer das Werkstoffpulver im Bereich der bestrahlten Stellen zum Verschmelzen bringenden Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, nach Maßgabe von bestimmten Bestrahlungsparametern,
- c) - Präparieren einer nächsten Schicht des pulverförmigen Werkstoffs auf der zuletzt bestrahlten Schicht,
- d) - Bestrahlen dieser nächsten Schicht in einem dieser Schicht zugeordneten Querschnittsbereich des herzustellenden Gegenstands mit einer das Werkstoffpulver im Bereich der bestrahlten Stellen zum Verschmelzen bringenden Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, nach Maßgabe von bestimmten Strahlungsparametern,
- e) - Wiederholen der Schritte c) und d) bis zur gewünschten Ausbaustufe, insbesondere dem vollständigen Aufbau des herzustellenden Gegenstands.
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Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Gegenständen nach der Methode des selektiven Pulverschmelzens sind in diversen Ausgestaltungen bekannt. Als Strahlungsquellen kommen zumeist Laser infrage, so dass sich in der Fachwelt auch die Bezeichnung selektives Laserschmelzen für diese Technologie durchgesetzt hat.
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Beim selektiven Laserschmelzen wird der herzustellende Gegenstand (Formkörper) üblicherweise nach Maßgabe von CAD-Daten bzw. von davon abgeleiteten Geometriebeschreibungsdaten schichtweise aus einem feinkörnigen, pulvrigen Werkstoff aufgebaut, wobei das Werkstoffpulver entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Gegenstands durch ortsselektives Bestrahlen verschmolzen wird, so dass es beim Erstarren danach an den bestrahlten Stellen zu zusammenhängenden Bereichen verfestigt wird.
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Das ortselektive Bestrahlen erfolgt üblicherweise mittels einer den Laserstrahl gesteuert ablenkenden Strahlumlenkeinrichtung, welche mittels einer Steuereinrichtung auf der Basis von Geometriebeschreibungsdaten des herzustellenden Gegenstands gesteuert wird. Die Steuerinformationen werden üblicherweise von einem Mikrocomputer oder Prozessrechner nach Maßgabe eines entsprechenden Programms aus CAD-Daten abgeleitet und bereitgestellt.
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Nach entsprechender Bestrahlung einer Schicht erfolgt dann die Präparation der nächsten Werkstoffpulverschicht auf der zuletzt durch Bestrahlen selektiv und bereichsweise verschmolzenen Schicht. Nach Ausbildung einer an ihrer Oberfläche hinreichend glatten Werkstoffpulverschicht erfolgt dann wieder ein Bestrahlungsschritt in der vorstehend erläuterten Weise. Der Gegenstand entsteht somit Schicht für Schicht. Als Pulvermaterialien kommen insbesondere diverse Metalle infrage, darunter z. B. Stahl, Titan, Gold, Tantal und weitere. Auch keramisches Werkstoffpulver oder mehrkomponentiges Pulver kann beim selektiven Laserschmelzen eingesetzt werden. Ferner sind mit der Methode des selektiven Laserschmelzens nahezu alle erdenklichen Formen von Gegenständen herstellbar, wodurch sie für die Herstellung von kompliziert geformten Maschinenelementen, Prothesen, Schmuckstücken usw. prädestiniert ist.
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Die Generierung eines Formkörpers mithilfe der Technik des selektiven Laserschmelzens setzt eine vollständige Kontrolle der Geometriedaten eines Bauteils voraus. Die einzelnen Schichten werden datenmäßig aus einer dreidimensionalen Geometrie, z. B. eines STL-Datensatzes, erzeugt. Wie schon erwähnt, tastet der Laserstrahl die umzuschmelzenden Bereiche in der jeweiligen Pulverschicht während eines Bestrahlungsvorgangs ab. Bei diesem Abtastvorgang entstehen Spuren aus aufgeschmolzenem Metallpulver, die sich Volumenelement für Volumenelement und Schicht für Schicht zu einem dichten Metallteil nach Maßgabe der Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers vereinigen. Als Bestrahlungsparameter kommen z. B. die Laserleistung, eine Lasermodulation, Fokussierung oder/und die Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls sowie die jeweilige geometrische Strahlführung auf der aktuell zu bestrahlenden Schicht infrage.
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Ein Problem bei der schichtweisen Herstellung von Formkörpern aus Pulvermaterialien nach dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens besteht darin, dass die physikalischen Eigenschaften des in Entstehung befindlichen Formkörpers von Schritt zu Schritt mit jedem umgeschmolzenen Volumenelement variieren können. Ein Grund hierfür ist die permanente Änderung der Wärmeleitfähigkeit und auch der Wärmekapazität des Formkörpers durch Zunahme des durch Umschmelzen verfestigten Volumens an verschiedensten Stellen während des Aufbauprozesses. Die mit einem bestimmten Energieeintrag pro Zeiteinheit am jeweiligen Bestrahlungsort herbeigeführte Temperaturerhöhung hängt stark vom Wärmeableitvermögen der Umgebung des Bestrahlungsorts sowie weiterhin auch von der Wärmekapazität der Umgebung des Bestrahlungsorts sowie vom Bestrahlungsabsorptionsvermögen bzw. Refexionsvermögen am Bestrahlungsort ab.
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Problematisch ist dabei, dass das Wärmeableitvermögen des Pulvermaterials sich oft erheblich von dem Wärmeableitvermögen des im Verlauf des Bauprozesses bereits durch Umschmelzen verfestigten Materials des schon hergestellten Bereichs des Formkörpers unterscheidet. Ist der jeweilige Bestrahlungsort im Wesentlichen ausschließlich von Werkstoffpulver umgeben, so kann die am Bestrahlungsort entstehende Wärme nicht sehr gut abfließen und es kann leicht zu einer lokalen Überhitzung des Werkstoffs weit über dessen Schmelztemperatur hinaus kommen. Ist hingegen der betrachtete Bestrahlungsort im Wesentlichen von bereits verfestigtem Material umgeben, so kann Wärme aufgrund des besseren Wärmeableitvermögens der Umgebung besser abfließen und es kommt nicht so leicht zu Überhitzungen am Bestrahlungsort. Aufgrund dieser Effekte kann es dazu kommen, dass unterschiedliche Bereiche eines Formkörpers abhängig von dessen Geometrie mit durchaus erheblich unterschiedlichen Temperaturen bei dessen Herstellung umgeschmolzen werden, was zur Ausbildung von mechanischen Spannungen in dem Formkörper und zu ungleichmäßigen Schrumpfvorgängen des Formkörpers beim Erstarrungsvorgang führen kann.
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Es sind auch bereits Vorschläge gemacht worden, die jeweilige Ist-Temperatur am jeweiligen Bestrahlungsort der Pulverschicht pyrometrisch zu erfassen und im Falle einer Abweichung der Ist-Temperatur von der SollTemperatur den Strahlungsenergieeintrag pro Zeit- und Flächeneinheit im Sinne einer Minimierung der Temperaturabweichung zu regeln.
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Bei einer komplizierteren Geometrie des Formkörpers kann es vorkommen, dass bei dessen Herstellung Zonen durchaus stark unterschiedlicher Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit längs der Bestrahlungsspur des Laserstrahls in dichter Folge einander abwechseln. Überstreicht der Laserstrahl eine solche Zone raschen und starken Wechsels der Wärmeleit- bzw. Wärmekapazitätseigenschaften des Materials, so kann es vorkommen, dass auch bei Anwendung einer solchen Closed-Loop-Regelung zu hohe Temperaturen am Bestrahlungsort entstehen, die schließlich Materialspannungen und Materialverzug zur Folge haben.
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Aus der
WO 2013/079581 A1 ist ein Verfahren des selektiven Laserschmelzens zur Herstellung eines Formkörpers bekannt, gemäß welchem der ortselektive Energieeintrag pro Zeiteinheit und Flächeneinheit an einem jeweiligen Bestrahlungsort auf der jeweiligen aktuell bestrahlten Schicht in Abhängigkeit von dem Wärmeableitvermögen eines jeweiligen definierten, unmittelbaren, dreidimensionalen Umgebungsbereichs des Bestrahlungsortes gewählt und durch Einstellung von Bestrahlungsparametern, wie Energiedichte der Strahlung am Bestrahlungsort oder/und Dauer der Bestrahlung des Bestrahlungsortes, automatisch entsprechend moduliert wird. Als Maß für das Wärmeableitvermögen des definierten unmittelbaren, dreidimensionalen Umgebungsbereiches des jeweiligen Bestrahlungsortes wird der Volumenanteil bereits durch Verschmelzen von Werkstoffpulver verfestigten Materials innerhalb dieses Umgebungsbereiches aus Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers bestimmt. Der ortselektive Energieeintrag pro Zeiteinheit und Flächeneinheit am Bestrahlungsort wird im Rahmen etwaiger Toleranzen umso größer gewählt, je größer das Wärmeableitvermögen seines Umgebungsbereichs ist. Dieses Verfahren hat vergleichsweise gute Ergebnisse erbracht. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung von Daten zur verbesserten Steuerung einer Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen nach der Methode des selektiven Pulverschmelzens bereitzustellen, zu dessen Durchführung eine Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen eingesetzt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
- - dass mittels der Vorrichtung unter Anwendung bestimmter Bestrahlungsparameter wenigstens ein Gegenstand aufgebaut wird, welcher wenigstens ein bestimmtes geometrisches Merkmal aufweist,
- - dass dabei an aktuell bestrahlten Stellen die lokale Erwärmung des Werkstoffs oder ggf. die von der jeweiligen aktuell bestrahlten Stelle durch Emission und Reflexion abgegebene Strahlung mittels wenigstens eines Sensors berührungsfrei in Zuordnung zu Lokalisierungsdaten der betreffenden bestrahlten Stelle oder/und in Zuordnung zu einem jeweiligen ein Maß für das Wärmeableitvermögen eines definierten Umgebungsbereichs der betreffenden bestrahlten Stelle repräsentierenden Wertes erfasst wird und
- - dass auf der Basis der erfassten Daten optimierte Bestrahlungsparameter bestimmt - und in Zuordnung zu entsprechenden Geometriebeschreibungsdaten des Gegenstandes oder/und in Zuordnung zu das Wärmeableitvermögen definierter Umgebungsbereiche zu bestrahlender Stellen repräsentierenden Werten archiviert werden zur Anwendung bei der Herstellung von Gegenständen nach der Methode des selektiven Pulverschmelzens.
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Die zur Bestrahlung einer jeweiligen Stelle der präparierten Pulverschicht angewandten Bestrahlungsparameter sind größenmäßig vorzugsweise in Abhängigkeit von dem Wärmeableitvermögen eines jeweiligen definierten, unmittelbaren, dreidimensionalen Umgebungsbereichs der Bestrahlungsstelle gewählt, und zwar so, dass die Energie der Strahlung pro Zeiteinheit und Flächeneinheit am Auftreffort des Strahls an einer jeweiligen bestrahlten Stelle der Pulverschicht umso kleiner ist, je geringer das Wärmeableitvermögen der Umgebung der bestrahlten Stelle ist.
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Aus den Geometriebeschreibungsdaten des herzustellenden Gegenstandes kann für jede Stufe des Herstellungsprozesses ermittelt werden, welche Bereiche einer definierten Umgebung des jeweiligen Bestrahlungsortes von bereits durch Umschmelzen verfestigtem Material eingenommen werden und welche Bereiche durch nicht umgeschmolzenes Werkstoffpulver belegt sind. Diese Informationen können benutzt werden, um das Wärmeableitvermögen eines jeweiligen definierten Umgebungsbereichs einer aktuell bestrahlten Stelle auf der Pulverschicht zu ermitteln bzw. abzuschätzen. Je nach zumutbarem Rechenaufwand kann der Umgebungsbereich der jeweils bestrahlten Stelle mehr oder weniger präzise hinsichtlich der Wärmeableiteigenschaften untersucht werden.
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Vorzugsweise wird zur Ermittlung des Wärmeableitvermögens eines jeweiligen Bestrahlungsortes auf der Pulverschicht in der Weise vorgegangen, wie es auch in der
WO 2013/079581 A1 vorgeschlagen ist, indem als Maß für das Wärmeableitungsvermögen der Volumenanteil bereits durch Verschmelzen von Werkstoffpulver verfestigten Materials des Umgebungsbereichs des Bestrahlungsortes aus Geometriebeschreibungsdaten des herzustellenden Gegenstandes bestimmt wird. Auf diese Weise kann mit überschaubarem Rechenaufwand auf einfache Weise für jeden Bestrahlungsort (bzw. jedes Voxel) ein Wärmeableitvermögen einer definierten Umgebung bestimmt werden, so dass auch für jeden Bestrahlungsort ein Wert für den Strahlungsenergieeintrag pro Zeiteinheit und Flächeneinheit in Zuordnung zu den Geometriebeschreibungsdaten gewählt werden kann. Unter Berücksichtigung dieser Daten können dann die geeigneten Bestrahlungsparameter nach Art und Größe für den tatsächlichen Aufbau eines Gegenstandes nach der Methode des selektiven Laserschmelzens vorgewählt werden.
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Mit einer solchen Vorgehensweise wurden in der Praxis bereits gute Ergebnisse bei der Herstellung von solchen Gegenständen erzielt. Die vorliegende Erfindung zielt darüber hinaus darauf ab, Bestrahlungsparameter für die Herstellung bestimmter geometrischer Merkmale von Gegenständen nach dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens noch weitergehend zu optimieren, um die Temperaturen an den bestrahlten Stellen einer Schicht während der Bestrahlung möglichst gleich einzustellen.
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Die nach der vorliegenden Erfindung erfassten Daten liefern messtechnische Werte zur Optimierung der eingesetzten Bestrahlungsparameter. Die entsprechend optimierten Bestrahlungsparameter oder Energieeintragswerte werden in Zuordnung zu betreffenden Lokalisierungsdaten zu bestrahlender Stellen archiviert und können später zur Anwendung bei der Herstellung von Gegenständen, die das bestimmte geometrische Merkmal aufweisen, angewandt werden. Alternativ oder zusätzlich können die entsprechend optimierten Bestrahlungsparameter in Zuordnung zu das Wärmeableitvermögen definierter Umgebungsbereiche zu bestrahlender Stellen repräsentierenden Werten archiviert und später bei der Herstellung von Gegenständen nach der Methode des selektiven Laserschmelzens angewandt werden. Als Maß für das Wärmeableitvermögen eines definierten Umgebungsbereichs einer zu bestrahlenden Stelle wird vorzugsweise der Anteil des zum Bestrahlungszeitpunkt schon durch Umschmelzen von Pulver verfestigten Volumens des Umgebungsbereichs gewählt, wie dies beispielsweise in der
WO 2013/079581 A1 erläutert ist.
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Auf der Basis der ermittelten optimierten Bestrahlungsparameter können entsprechende Parameterfunktionen unter Berücksichtigung des Wärmeableitvermögens der Umgebungsbereiche der Bestrahlungsorte erstellt werden. In diesem Sinne ist es möglich, die Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen nach der Methode des selektiven Laserschmelzens hinsichtlich der Bestrahlungsparameter selbstkalibrierend auszugestalten.
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Vorzugsweise hat der aufgebaute Gegenstand mehrere bestimmte geometrische Merkmale, so dass auf der Basis der erfassten Daten optimierte Bestrahlungsparameter auch für weitere der mehreren bestimmten geometrischen Merkmale bestimmt werden können, um sie bei der Herstellung von Gegenständen, die wenigstens eines dieser geometrischen Merkmale aufweisen, anzuwenden. Eine solche Vorgehensweise ermöglicht es, optimierte Bestrahlungsparameter messtechnisch zu ermitteln und in Zuordnung zu betreffenden geometrischen Merkmalen bzw. in Zuordnung zu Werten des Wärmeableitungsvermögens definierter Umgebungsbereich zu bestrahlender Stellen zu katalogisieren und bei der zukünftigen Herstellung von Formkörpern anzuwenden. Versuche haben gezeigt, dass das Verfahren gute Ergebnisse liefert in dem Sinne, dass unter Anwendung der optimierten Bestrahlungsparameter betreffende Formkörper ohne signifikante Werkstoffspannungen und Materialverzug nach der Methode des selektiven Pulverschmelzens hergestellt werden können.
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Um einen möglichst umfassenden Katalog an optimierten Bestrahlungsparametern zu erstellen, wird vorgeschlagen, dass bei dem Herstellungsprozess gleich mehrere Gegenstände mit unterschiedlichen geometrischen Merkmalen hergestellt werden und dass dabei von den aktuell bestrahlten Stellen abgegebene Strahlung mittels wenigstens eines Sensors, beispielsweise Pyrometers oder/und Si-Detektors oder/und einer Wärmebildkamera berührungsfrei erfasst wird und dass auf der Basis der erfassten Daten optimierte Bestrahlungsparameter bestimmt werden insbesondere zur Anwendung bei der Herstellung von Gegenständen, die wenigstens eines dieser bestimmten geometrischen Merkmale aufweisen. Dies vorzugsweise mittels der Vorrichtung oder einer anderen Vorrichtung gleichen Typs.
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Bei bestimmten geometrischen Merkmalen kann es sich unter anderen beispielsweise um folgende Merkmale handeln:
- - Wandabschnitte mit unterschiedlichen Gestaltungen und Abmessungen,
- - zusammenhängende quaderförmige Volumenbereiche mit unterschiedlichen Gestaltungen und Abmessungen,
- - zusammenhängende ellipsoidförmige Volumenbereiche mit unterschiedlichen Gestaltungen und Abmessungen,
- - dachförmige Volumenbereiche mit Überhang mit unterschiedlichen Gestaltungen und Abmessungen,
- - rohrförmige Volumenbereiche mit unterschiedlichen Gestaltungen und Abmessungen,
- - kastenförmige Volumenbereiche mit unterschiedlichen Gestaltungen und Abmessungen,
- - streifenförmige Volumenbereiche mit unterschiedlichen Gestaltungen und Abmessungen,
- - Flächenbereiche auf Stützstrukturen bzw. Gitterstrukturen zur Simulation der Anbindung erster Schichten eines Formkörpers an dünne punktförmige oder linienförmige Stützen.
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Die lokale Erwärmung des Werkstoffs an den aktuell bestrahlten Stellen wird vorzugsweise pyrometrisch mittels eines strahlungssensitiven Sensors beispielsweise als Temperaturmaß erfasst. Die Strahlungsdetektion der von den aktuell bestrahlten Stellen ausgehenden Strahlung und deren Auswertung muss sich jedoch nicht auf den Wärmestrahlungsbereich oder IR-Bereich beschränken, sondern kann sich bis ins sichtbare Spektrum und darüber hinaus erstrecken.
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Die Bestrahlungsparameter werden auf der Basis der erfassten Daten vorzugsweise dahingehend optimiert, dass bei der Anwendung der optimierten Bestrahlungsparameter zur entsprechenden Herstellung eines Gegenstandes Temperaturunterschiede zwischen den bestrahlten Stellen einer jeweiligen Werkstoffschicht beim Verschmelzen des pulverförmigen Werkstoffs weitgehend minimiert sind.
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Die auf der Basis der erfassten Daten bestimmten optimierten Bestrahlungsparameter werden vorzugsweise aus der folgenden Gruppe von Bestrahlungsparametern ausgewählt:
- - Intensität der Strahlung (Laserleistung),
- - bei diskontinuierlich schrittweiser Strahlführung die Bestrahlungsdauer pro bestrahlter Stelle,
- - bei kontinuierlicher Strahlführung die Geschwindigkeit der Strahlführung,
- - Geometrie der Strahlführung,
- - bei variabel fokussierbarer Strahlung die Fokuseinstellung bzw. Strahlungsenergiedichte in Abhängigkeit von den Bestrahlungsstellen,
- - Anzahl der jeweils zum Verschmelzen des pulverförmigen Werkstoffs aktivierten Strahlungsquellen in Abhängigkeit von den Bestrahlungsstellen.
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Wie vorstehend angegeben kommt als bestimmter optimierter Bestrahlungsparameter auch die jeweilige geometrische Strahlführung des Laserstrahls auf der aktuell zu bestrahlenden obersten Schicht infrage. So können beispielsweise Abstände, Längen und Ausrichtungen von Linien oder Spuren, welche bei der Strahlführung von dem Auftreffpunkt des Laserstrahls auf der jeweiligen Pulverschicht gezogen werden, dynamisch variiert werden.
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Dieser Ansatz kann soweit verallgemeinert werden, dass als optimierter Bestrahlungsparameter der geometrischen Strahlführung eine Reihenfolge der Volumenelemente (Voxel) in einer jeweiligen Schicht bestimmt werden kann, in welcher die Volumenelemente vom Laserstrahl bestrahlt werden.
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Auch kann es vorgesehen sein, dass bestimmte Stellen der aktuell zu bestrahlenden obersten Pulverschicht mehrfach bestrahlt werden. Dies kann beispielsweise auch mit im Übrigen unterschiedlichen Bestrahlungsparametern und geometrischen Strahlführungen erfolgen.
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Eine weitere bevorzugte Variante des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf die Herstellung eines Gegenstandes dessen Geometriebeschreibungsdaten auf das Vorkommen eines geometrischen Merkmals untersucht werden, für das verfahrensgemäß noch keine optimierten Bestrahlungsparameter ermittelt wurden, und dass bei vorkommen eines solchen Merkmals des herzustellenden Gegenstandes optimierte Bestrahlungsparameter für dieses Merkmal nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche bestimmt und archiviert werden zur Anwendung bei zukünftiger Herstellung eines solchen Merkmals. Auf diese Weise kann der Katalog an optimierten Bestrahlungsparametern in Zuordnung zu betreffenden geometrischen Merkmalen ständig und automatisch erweitert werden.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung. Die Vorrichtung umfasst:
- - einen Bauraum mit Träger,
- - eine Pulverschichtenpräparationseinrichtung zur Präparierung aufeinanderfolgender Schichten des Werkstoffpulvers auf dem Träger,
- - eine Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung einer jeweiligen zuletzt auf dem Träger präparierten Werkstoffpulverschicht in einem dieser Schicht zugeordneten Querschnittsbereich des herzustellenden Gegenstandes mit einer das Werkstoffpulver im Bereich der bestrahlten Stellen zum Verschmelzen bringenden Strahlung,
- - wenigstens einen Sensor zur berührungslosen Erfassung der von den an aktuell bestrahlten Stellen des Werkstoffs abgegebenen Strahlung,
- - eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Pulverschichtenpräparationseinrichtung und der Bestrahlungseinrichtung und
- - Datenverarbeitungsmittel zur Aufnahme der von dem wenigstens einen Sensor bereitgestellten Daten in Zuordnung zu betreffenden Lokalisierungsdaten der bestrahlten Stellen oder/und in Zuordnung zu ein Maß für das Wärmeableitvermögen eines jeweiligen definierten Umgebungsbereichs der bestrahlten Stellen repräsentierenden Werten zur Bestimmung optimierter Bestrahlungsparameter in Zuordnung zu betreffenden Lokalisierungsdaten oder/und in Zuordnung zu ein Maß für das Wärmeableitvermögen eines jeweiligen definierten Umgebungsbereichs der bestrahlten Stellen repräsentierenden Werten auf der Basis der aufgenommenen Daten und zur Speicherung der optimierten Bestrahlungsparameter in Zuordnung zu betreffenden Lokalisierungsdaten oder/und in Zuordnung zu ein Maß für das Wärmeableitvermögen eines jeweiligen definierten Umgebungsbereichs der bestrahlten Stellen repräsentierenden Werten.
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Ausgestaltungen der Vorrichtung nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 10 - 13 genannt.
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In den 1 und 4 ist in stark schematisierter Darstellung eine Vorrichtung nach der Erfindung in einer Momentaufnahme bei der Herstellung von Formkörpern skizziert.
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2a und 2b zeigen einen in 1 mit 32 gekennzeichneten Umgebungsbereich der momentan bestrahlten Stelle 33 des Gegenstandes 25 in vergrößerter Darstellung in Seitenansicht und in Draufsicht.
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3 zeigt ein Parameterfunktionsdiagramm.
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Die Vorrichtung weist in einem (nicht gezeigten) Gehäuse einen Träger 1 als Bauplattform auf, die längs einer Führung 3 gesteuert höhenverstellbar ist.
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Wie an sich bekannt, wird nach dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens ein Formkörper schichtweise aus Werkstoffpulver 28, beispielsweise Metallpulver, aufgebaut, indem in jeder betreffenden Schicht das Werkstoffpulver 28 entsprechend einem der Schicht zugeordneten Querschnitt des herzustellenden Formkörpers durch ortselektives Bestrahlen verschmolzen wird. Das Bestrahlen erfolgt mittels variabel fokussierbarer Laserstrahlung 5. Als Strahlungsquelle dient wenigstens ein steuerbarer Laser 7.
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Eine Strahlumlenkeinrichtung 9 lenkt den Laserstrahl 5 zu der aktuell zu bestrahlenden Stelle auf der obersten Pulverschicht 11 auf dem Träger 1. Die Steuerung der den Laserstrahl 5 ablenkenden Strahlumlenkeinrichtung erfolgt mittels einer Steuereinrichtung 13 auf der Basis von Geometriebeschreibungsdaten des herzustellenden Formkörpers. Mit 34 ist in 1 und 4 ein Strahlenteiler bezeichnet.
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Mit 15 ist in den Figuren eine steuerbare Pulverschichtenpräparationseinrichtung bezeichnet. Diese umfasst einen Pulverzuführungskanal 17, welcher aus einer (nicht gezeigten) Pulverquelle mit Werkstoffpulver 28 gespeist wird. Mit 19 ist ein Glättungsschieber bezeichnet, welcher nach Absenken des Trägers 1 um das Maß einer Pulverschichtdicke über den kompletten Träger 1 hin- und her verschiebbar ist, um neues Pulver 28 als geglättete Pulverschicht darauf zu verteilen.
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Die Steuerung der Höheneinstellung des Trägers 1, des Lasers 7, der Strahlumlenkeinrichtung 9 und der Pulverschichtenpräparierungseinrichtung 15 erfolgt mittels der Steuereinrichtung 13.
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Bei dem Beispiel gemäß 1 wird nicht nur ein Formkörper während des laufenden Herstellungsprozesses aufgebaut, sondern gleich mehrere mit typischen geometrischen Merkmalen. Bei diesen Formkörpern handelt es sich um eine Stange 21 mit Abschnitten unterschiedlichen Durchmessers, ferner um einen Quader 23, einen ellipsoidförmigen Körper 25, eine Sechsecksäule 27 sowie drei Formkörper mit dachartigen Überhängen 27 unterschiedlicher Ausrichtungen. Letztere sind bereits fertig aufgebaut und in dem Pulvervolumen eingebettet.
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In der Momentaufnahme gemäß 1 erfolgt die Bestrahlung der obersten Pulverschicht 11 zur Ausbildung einer weiteren Querschnittsschicht 29 des ellipsoidförmigen Körpers 25.
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Mittels der Strahlungssensoren 31, bei denen es sich z.B. um Pyrometersensoren handeln kann, wird die von der aktuell bestrahlten Stelle 33 ausgehende Strahlung erfasst. Die dabei erhaltenen Messdaten oder davon abgeleitete Temperaturdaten werden in Zuordnung zu Lokalisierungsdaten der betreffenden bestrahlten Stelle gespeichert. Dies erfolgt ebenfalls unter Kontrolle der Steuereinrichtung 13. Auf diese Weise werden vorzugsweise für alle bestrahlten Stellen der Formkörper 21 - 27 entsprechende Temperaturdaten oder entsprechend strahlungsabhängige Daten in Zuordnung zu betreffenden Lokalisierungsdaten der bestrahlten Stellen bestimmt und archiviert.
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Danach werden diese Daten ausgewertet, um für die typischen geometrischen Merkmale, welche die Formkörper 21 - 27 repräsentieren, optimierte Bestrahlungsparameter für die Bestrahlung bei deren zukünftiger Herstellung nach dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens zu bestimmen.
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Die Bestrahlungsparameter werden dahingehend optimiert, dass an den bestrahlten Stellen der Pulverschicht bei der Herstellung eines betreffenden Formkörpers Temperaturunterschiede minimiert werden.
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So können beispielsweise bei dem in 4 skizzierten Formkörper 35 Ergebnisse aus dem Verfahren gemäß 1 angewandt werden, um diesen möglichst spannungsfrei herzustellen. Der Formkörper 35 weist in seinem unteren Bereich 37 teilellipsoide Form auf, so dass für die Herstellung dieses unteren Bereichs Daten aus der Herstellung des Ellipsoids 25 in 1 zum Einsatz kommen können. Der Formkörper 35 weist ferner oberhalb dieses teilellipsoiden Bereichs 37 einen dachförmigen Überhang 39 auf, bei dessen Herstellung Informationen aus der Herstellung eines dachförmigen Überhangs 27 aus 1 verwendet werden können. Schließlich weist der Formkörper 35 noch einen oberen quaderförmigen Abschnitt 41 auf, für dessen Herstellung Informationen aus der Herstellung des Formkörpers 23 in 1 genutzt werden können. Auch etwaige mitaufgebaute Stützen der Formkörper können in die vorliegenden Betrachtungen einbezogen werden.
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In 2a ist der in 1 mit 32 gekennzeichnete Umgebungsbereich der aktuell bestrahlten Stelle 33 vergrößert dargestellt. 2b zeigt diesen Umgebungsbereich in Draufsicht. Innerhalb dieses Umgebungsbereichs 32 ist zu dem aktuellen Bestrahlungszeitpunkt ein bestimmter Volumenanteil bereits durch umgeschmolzenes Pulver verfestigtes Material 42 belegt, wohingegen das Restvolumen dieses Umgebungsbereichs 32 vom Werkstoffpulver 28 eingenommen ist.
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Wie bereits erläutert, werden einem Umgebungsbereich 32 einer bestrahlten Stelle 33 ein umso größeres Wärmeableitungsvermögen beigemessen je größer sein Volumenanteil an bereits durch Umschmelzen verfestigten Materials 42 ist. Zur Ermittlung der Volumenanteile kann ein betreffender Umgebungsbereich 32 theoretisch in kleine, vorzugsweise gleich große Volumenelemente 43 (Voxel 43) unterteilt werden, von denen in 2a beispielhaft zwei Voxel 43 eingezeichnet sind. Ein bevorzugter Größenbereich für die Voxel liegt zwischen 20µm und 400µm. So kann ein Voxel z.B. eine Höhe von 50µm und einen Draufsichtsdurchmesser oder eine Draufsichtsdiagonallänge von 120µm aufweisen. Durch Abzählen der Voxel 43, welche auf verfestigtes Material 42 entfallen und durch Abzählen der Voxelelemente 43, welche auf das vom Pulver 28 belegte Volumen innerhalb des Umgebungsbereichs 32 fallen, lässt sich das Verhältnis der genannten Volumina leicht bestimmen und daraus ein Maß für das Wärmeableitvermögen des Umgebungsbereichs 32 abschätzen.
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Die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ermittelten optimierten Bestrahlungsparameter können auch in Zuordnung und Abhängigkeit von dem in der vorstehend erläuterten Weise bestimmtem Wärmeableitungsvermögen des Umgebungsbereichs bestrahlter Stellen archiviert und später bei der Herstellung von Formkörpern nach der Methode des selektiven Laserschmelzens entsprechend angewandt werden.
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3 zeigt ein Parameterfunktionsdiagramm, in welchem qualitativ und beispielhaft Parameterfunktionen für die Parameter Laserleistung (PL ), Laserstrahlabtastgeschwindigkeit (VS ) und die durch Fokussiereinstellung des Laserstrahls einstellbare Energiedichte des Laserstrahls (ED ) in Abhängigkeit vom Volumenanteil bereits umgeschmolzenen Materials von Umgebungsbereichen zu bestrahlender Stellen eingetragen sind.
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In dem Diagramm gemäß 3 ist erkennbar, dass die Strahlungsleistung PL und die Strahlungsenergiedichte ED mit zunehmendem Volumenanteil bereits umgeschmolzenen Materials von Umgebungsbereichen zunimmt, wohingegen die Abtastgeschwindigkeit VS des Laserstrahls mit zunehmendem Volumenanteil bereits umgeschmolzenen Materials abnimmt.
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Anzumerken ist, dass bei dieser Betrachtung lediglich der Volumenanteil bereits umgeschmolzenen Materials in einem betreffenden Umgebungsbereich 32 ungeachtet der speziellen Geometrie dieses Volumens berücksichtigt wird. Diese Vorgehensweise ist somit in diesem Sinne universell für Formkörper unterschiedlichster Geometrien möglich und liefert gute Ergebnisse.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10112591 A1 [0003]
- WO 2013/079581 A1 [0003, 0012, 0016, 0018]
- DE 19905067 A1 [0003]
- DE 102005014483 A1 [0003]
- EP 1839781 B1 [0003]
- DE 102009006189 A1 [0003]
- DE 10320085 A1 [0003]
