DE102022111750A1

DE102022111750A1 - Verfahren und Planungsvorrichtung zum Planen einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs mit einem Energiestrahl, Verfahren und Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial, und Computerprogrammprodukt zum Durchführen eines solchen Verfahrens

Info

Publication number: DE102022111750A1
Application number: DE102022111750.2A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Gutmann; Wilhelm Meiners; Jeroen RISSE
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: TRUMPF LASER- UND SYSTEMTECHNIK SE, DE
Priority date: 2022-05-11
Filing date: 2022-05-11
Publication date: 2023-11-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Planen einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs (15) mit einem Energiestrahl (11), um mittels des Energiestrahls (11) ein Bauteil (3) schichtweise aus einer Mehrzahl an in einer Schichtfolge zeitlich aufeinanderfolgend in dem Arbeitsbereich (15) angeordneten Pulvermaterialschichten eines Pulvermaterials (5) herzustellen, wobei für mindestens eine einer Pulvermaterialschicht zugeordnete Querschnittsfläche (19) des Bauteils (3) in einem Ermittlungsschritt anhand von mindestens einem Filigranitätskriterium ermittelt wird, ob die Querschnittsfläche (19) mindestens einen Filigranbereich (21) aufweist, wobei, wenn für die Querschnittsfläche (19) wenigstens ein Filigranbereich (21) ermittelt wird, mindestens ein Bestrahlungsparameter für den wenigstens einen Filigranbereich (21) anders gewählt wird als für einen Massivbereich (23) des Bauteils (3), wobei insbesondere ein Bestrahlungsplan für die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs (15) mit dem Energiestrahl (11) erhalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Planungsvorrichtung zum Planen einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs mit einem Energiestrahl, ein Verfahren und eine Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial, und ein Computerprogrammprodukt zum Durchführen eines solchen Verfahrens.
Beim lokal selektiven Bestrahlen eines Arbeitsbereichs mit einem Energiestrahl zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial tritt das Problem auf, dass das Pulvermaterial an bestimmten Stellen des Arbeitsbereichs überhitzt werden kann, insbesondere wenn ein Wärmeableitungsvermögen aufgrund struktureller Eigenschaften des entstehenden Bauteils, insbesondere der Lage bestimmter Bauteilbereiche in dem Pulvermaterial, zu gering ist. Es besteht daher ein Bedürfnis danach, solche Bereiche, in denen eine Überhitzung droht, im Voraus zu identifizieren, um dann die Bestrahlung in diesen Bereichen so planen zu können, dass eine Überhitzung nach Möglichkeit vermieden wird. Problematisch dabei ist, dass sich zum einen die sichere Identifikation solcher Bereiche als schwierig oder zumindest sehr aufwendig darstellt, wobei zum anderen einfache Maßnahmen zur Vermeidung der Überhitzung, wie beispielsweise die Erhöhung einer Wartezeit nach einzelnen Bestrahlungsvektoren, weitere Probleme nach sich ziehen, insbesondere eine Erhöhung der Bauzeit und damit eine Verringerung der Produktivität eines derartigen Verfahrens.
Aus DE 10 2011 087 374 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus Werkstoffpulver hervor, bei dem ein lokales Wärmeableitungsvermögen aus einem theoretischen Modell des Formkörpers oder eines Bereichs davon ermittelt wird. Dies ist aufwendig und rechenintensiv.
Aus EP 3 520 929 A1 geht ein Verfahren zum selektiven Bestrahlen einer Materialschicht in der additiven Herstellung hervor, bei dem zur Vermeidung lokaler Überhitzungen dann, wenn eine vordefinierte Bestrahlungsvektorlänge in einem ersten Flächenbereich unterschritten wird, Bestrahlungsvektoren des ersten Flächenbereichs in einen zu dem ersten Flächenbereich benachbarten zweiten Flächenbereich der Schicht bis zu einer Bauteilkontur verlängert werden. Dies stellt eine sehr einfache, jedoch auch recht grobe und nicht allgemein anwendbare Möglichkeit zur Vermeidung von Überhitzungen dar. Als Kriterium für die Gefahr einer Überhitzung wird allein die Bestrahlungsvektorlänge verwendet, was keine präzise Bestimmung überhitzungsgefährdeter Bereiche erlaubt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Planungsvorrichtung zum Planen einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs mit einem Energiestrahl, ein Verfahren und eine Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial, und ein Computerprogrammprodukt zum Durchführen eines solchen Verfahrens zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest reduziert sind, vorzugsweise nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein auch als Planungsverfahren bezeichnetes Verfahren zum Planen einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs mit einem Energiestrahl, um mittels des Energiestrahls ein Bauteil schichtweise aus einer Mehrzahl an in einer Schichtfolge zeitlich aufeinanderfolgend in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterialschichten eines Pulvermaterials herzustellen, geschaffen wird, wobei für mindestens eine einer Pulvermaterialschicht zugeordnete Querschnittsfläche des Bauteils in einem Ermittlungsschritt anhand von mindestens einem Filigranitätskriterium ermittelt wird, ob die Querschnittsfläche mindestens einen Filigranbereich aufweist, wobei, wenn für die Querschnittsfläche wenigstens ein Filigranbereich ermittelt wird, mindestens ein Bestrahlungsparameter für den wenigstens einen Filigranbereich anders gewählt wird als für einen Massivbereich des Bauteils. Insbesondere wird so ein Bestrahlungsplan für die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs mit dem Energiestrahl erhalten. Anhand des mindestens einen Filigranitätskriteriums kann vorteilhaft sicher und mit geringem Rechenaufwand ermittelt werden, ob und gegebenenfalls wo die Querschnittsfläche einen Filigranbereich aufweist. Dieser Vorgehensweise liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass Filigranbereiche der Querschnittsfläche und damit zugleich des Bauteils überhitzungsgefährdet sind, da in diesen Bereichen nur wenig bereits erschmolzenes, dem Bauteil zugeordnetes Pulvermaterial für die Wärmeableitung zur Verfügung steht, sodass die Wärmeableitung im Wesentlichen in das umgebende Pulvermaterial erfolgt. Entsprechend ist das Wärmeableitungsvermögen reduziert. Somit sind solche Filigranbereiche strukturell überhitzungsgefährdet. Indem auf diese Weise zielsicher und einfach Filigranbereiche identifiziert werden, werden zugleich ebenso zielsicher und mit wenig Aufwand überhitzungsgefährdete Bereiche identifiziert. Zugleich besteht ein höchstens sehr geringes Risiko, überhitzungsgefährdete Bereiche nicht zu identifizieren, da solche Bereiche in aller Regel zugleich Filigranbereiche sind, sodass quasi für alle praktischen Anwendungen Filigranbereiche und überhitzungsgefährdete Bereiche miteinander identifiziert werden können. Indem mindestens ein Bestrahlungsparameter für den wenigstens einen Filigranbereich anders gewählt wird als für einen Massivbereich kann zugleich eine - insbesondere auf die individuelle Geometrie oder Struktur des Filigranbereichs oder die dort lokal vorliegende Wärmeableitungsproblematik abgestimmte - Maßnahme bereitgestellt werden, um eine Überhitzung zu vermeiden, wobei diese Maßnahme insbesondere auch so getroffen werden kann, dass eine Produktivitätsreduzierung für das Verfahren vermieden wird.
Unter einer Querschnittsfläche des Bauteils, die einer Pulvermaterialschicht zugeordnet ist, wird eine zusammenhängende Fläche in der Pulvermaterialschicht verstanden, die bestimmungsgemäß mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, um das Pulvermaterial innerhalb der zusammenhängenden Fläche zu verfestigen und damit eine Schicht oder einen Bereich einer Schicht des Bauteils herzustellen.
Darunter, dass die Querschnittsfläche mindestens einen Filigranbereich aufweist, wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere verstanden, dass die Querschnittsfläche zumindest bereichsweise filigran oder aber insgesamt filigran ausgebildet ist. Die Querschnittsfläche kann also auch insgesamt einen Filigranbereich bilden oder ein Filigranbereich sein, das heißt aus einem Filigranbereich bestehen.
Unter einem Filigranbereich wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere ein Bereich verstanden, der das mindestens eine Filigranitätskriterium erfüllt oder für den das mindestens eine Filigranitätskriterium erfüllt ist. Insbesondere ist ein Filigranbereich ein filigraner Bereich der Querschnittsfläche, wobei - wie ausgeführt - die Querschnittsfläche auch insgesamt filigran ausgebildet sein kann, insbesondere im Sinne des mindestens einen Filigranitätskriteriums.
Unter einem Massivbereich wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere ein Bereich des entstehenden Bauteils verstanden, der nicht filigran ist, insbesondere ein Bereich, für den in der betrachteten Querschnittsfläche das mindestens eine Filigranitätskriterium nicht erfüllt ist, insbesondere für den kein Filigranitätskriterium erfüllt ist.
Insbesondere wird für eine Mehrzahl der Pulvermaterialschichten, insbesondere für alle Pulvermaterialschichten, jeweils für mindestens eine der jeweiligen Pulvermaterialschicht zugeordnete Querschnittsfläche des Bauteils in einem Ermittlungsschritt anhand des mindestens einen Filigranitätskriteriums ermittelt, ob die jeweilige Querschnittsfläche mindestens einen Filigranbereich aufweist, wobei, wenn für die jeweilige Querschnittsfläche wenigstens ein Filigranbereich ermittelt wird, mindestens ein Bestrahlungsparameter für den wenigstens einen Filigranbereich anders gewählt wird als für einen Massivbereich des Bauteils.
Unter einem additiven oder generativen Fertigen oder Herstellen eines Bauteils wird insbesondere ein Pulverbett-basiertes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils verstanden, insbesondere ein Fertigungsverfahren, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem selektiven Lasersintern, einem Laser-Metall-Fusionieren (Laser Metal Fusion - LMF), einem direkten Metall-Laser-Schmelzen (Direct Metal Laser Melting - DMLM), einem Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), einem selektiven Elektronenstrahlschmelzen ((Selective) Electron Beam Melting - (S)EBM), und einem Laser Engineered Net Shaping (LENS). Die Fertigungsvorrichtung ist demnach insbesondere eingerichtet zur Durchführung von wenigstens einem der zuvor genannten additiven oder generativen Fertigungsverfahren.
Der Energiestrahl ist insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem elektromagnetischen Strahl, insbesondere einem optischen Arbeitsstrahl, insbesondere einem Laserstrahl, und einem Teilchenstrahl, insbesondere einem Elektronenstrahl. Der Energiestrahl kann kontinuierlich oder gepulst sein, insbesondere kontinuierliche Laserstrahlung oder gepulste Laserstrahlung.
Insbesondere kann im Rahmen des Planungsverfahrens eine lokal selektive Bestrahlung eines Arbeitsbereichs mit einer Mehrzahl an Energiestrahlen geplant werden, um mittels der Mehrzahl an Energiestrahlen ein Bauteil schichtweise aus einer Mehrzahl an in einer Schichtfolge zeitlich aufeinanderfolgend in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterialschichten eines Pulvermaterials herzustellen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Bestrahlungsparameter für den Filigranbereich im Verhältnis zu dem Massivbereich derart gewählt wird, dass eine in das Pulvermaterial eingebrachte zeitliche Energiedichte in dem Filigranbereich geringer ist als in dem Massivbereich. Insbesondere auf diese Weise kann eine Überhitzung in den Filigranbereich wirksam vermieden werden.
Unter einer zeitlichen Energiedichte wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere eine - insbesondere über einen vorbestimmten Zeitraum gemittelte - pro Zeit- und Flächeneinheit in das Pulvermaterial mittels des Energiestrahls eingebrachte Energie verstanden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ermittlungsschritt an einer geometrischen Repräsentation des Bauteils durchgeführt wird. Dies erlaubt eine direkte Identifizierung von Filigranbereichen anhand geometrischer und/oder struktureller Eigenschaften des Bauteils, die unmittelbar aus der geometrischen Repräsentation entnommen oder abgeleitet werden können. Insbesondere liegt die geometrische Repräsentation in Form maschinenlesbarer Daten, insbesondere als Datei vor.
In einer Ausführungsform wird als die geometrische Repräsentation ein CAD-Modell des Bauteils verwendet, und der Ermittlungsschritt wird an dem CAD-Modell durchgeführt.
Alternativ oder zusätzlich wird der Ermittlungsschritt an einer - insbesondere aus der geometrischen Repräsentation des Bauteils vorzugsweise durch einen hierfür vorgesehenen computerimplementierten Algorithmus erhaltenen - Zusammenstellung von Bestrahlungsvektoren durchgeführt. Eine indirekte Ermittlung von Filigranbereichen anhand der Bestrahlungsvektoren ist zumindest in bestimmten Fällen einfacher und mit geringerem Rechenaufwand möglich, als deren direkte Identifizierung anhand der geometrischen Repräsentation. Insbesondere liegt die Zusammenstellung von Bestrahlungsvektoren in Form maschinenlesbarer Daten, insbesondere als Datei vor.
Insbesondere kann der Ermittlungsschritt bei der initialen Erstellung eines Bestrahlungsplans anhand der geometrischen Repräsentation, insbesondere bei der Umwandlung von CAD-Daten in CAM-Daten, durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Ermittlungsschritt an einem zuvor erstellten Bestrahlungsplan, insbesondere an CAM-Daten, durchgeführt werden, wobei der Bestrahlungsplan verändert oder ein neuer Bestrahlungsplan erhalten wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Filigranitätskriterium ausgewählt ist aus einer Liste, bestehend aus: Einer Fläche eines untersuchten Bereichs oder Teilbereichs der Querschnittsfläche des Bauteils, einem Verhältnis von Umfang zu Fläche des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs, einem Verhältnis einer ersten Ausdehnung des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs entlang einer ersten kartesischen Koordinate in der Pulvermaterialschicht - beispielsweise x-Koordinate - zur Fläche des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs, einem Verhältnis einer zweiten Ausdehnung des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs entlang einer zweiten kartesischen Koordinate in der Pulvermaterialschicht - beispielsweise y-Koordinate - zur Fläche des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs, einem Verhältnis einer dritten Ausdehnung des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs entlang einer Diagonale - beispielsweise xy-Linie - zwischen der ersten kartesischen Koordinaten und der zweiten kartesischen Koordinate zur Fläche des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs, einer Länge von Bestrahlungsvektoren in dem untersuchten Bereich oder Teilbereich, einer Anzahl von unmittelbar einander benachbart angeordneten Kurzvektoren, einer geometrischen Lage von Kurzvektoren relativ zu einer Bauteilgeometrie des Bauteils und/oder innerhalb eines Bestrahlungsmusters für die der Querschnittsfläche zugeordnete Pulvermaterialschicht, einer geometrischen Lage von Bestrahlungsvektoren, die insbesondere keine Kurzvektoren sind, relativ zu einer Bauteilkontur, insbesondere deren Lage zwischen zwei unmittelbar benachbarten Konturvektorzügen, und einer räumlichen Entwicklung der Länge benachbarter Bestrahlungsvektoren entlang mindestens einer Richtung in der der Querschnittsfläche zugeordneten Pulvermaterialschicht, das heißt einer Zu- oder Abnahme der Bestrahlungsvektorlänge pro Längeneinheit entlang der betrachteten Richtung - also ein räumlicher Bestrahlungsvektorlängen-Gradient. Eine Kombination oder logische Verknüpfung der hier genannten Kriterien zu einem komplexen Filigranitätskriterium ist möglich.
Die Fläche des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs der Querschnittsfläche, das Verhältnis von Umfang zu Fläche des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs, das Verhältnis der ersten Ausdehnung des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs entlang der ersten kartesischen Koordinate zur Fläche des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs, das Verhältnis der zweiten Ausdehnung des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs entlang der zweiten kartesischen Koordinate zur Fläche des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs, und das Verhältnis der dritten Ausdehnung des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs entlang der Diagonale zur Fläche des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs können insbesondere direkt aus der geometrischen Repräsentation des Bauteils entnommen oder aus der geometrischen Repräsentation abgeleitet werden.
Die Länge von Bestrahlungsvektoren in dem untersuchten Bereich oder Teilbereich, die Anzahl von unmittelbar einander benachbart angeordneten Kurzvektoren, die geometrische Lage von Kurzvektoren relativ zu einer Bauteilgeometrie des Bauteils und/oder innerhalb eines Bestrahlungsmusters für die der Querschnittsfläche zugeordnete Pulvermaterialschicht, die geometrische Lage von Bestrahlungsvektoren relativ zu einer Bauteilkontur, und die räumliche Entwicklung der Länge benachbarter Bestrahlungsvektoren entlang mindestens einer Richtung in der der Querschnittsfläche zugeordneten Pulvermaterialschicht können demgegenüber aus der Zusammenstellung von Bestrahlungsvektoren ermittelt werden.
Unter einem Bestrahlungsvektor wird insbesondere eine kontinuierliche, vorzugsweise lineare Verlagerung des Energiestrahls über eine bestimmte Strecke mit bestimmter Verlagerungsrichtung verstanden. Der Bestrahlungsvektor schließt insbesondere die Richtung oder Orientierung der Verlagerung, das heißt die Vektorausrichtung, ein. Der Bestrahlungsvektor muss keinesfalls als Geradenabschnitt ausgebildet sein, vielmehr kann ein Bestrahlungsvektor auch einer zumindest bereichsweise gekrümmten Linie oder Kurve folgen.
Unter einem Kurzvektor dabei insbesondere ein Bestrahlungsvektor verstanden, der eine vorbestimmte maximale Länge aufweist, das heißt dessen Länge höchstens so groß ist wie die vorbestimmte maximale Länge. Insbesondere kann die maximale Länge 6 mm betragen.
In einer Ausführungsform werden Bestrahlungsvektoren mit einer Länge von nur 0,1 mm bis 2 mm vermieden, vorzugsweise indem sie mit benachbarten Bestrahlungsvektoren vereinigt werden.
Der untersuchte Teilbereich der Querschnittsfläche kann auch die gesamte Querschnittsfläche sein. Insbesondere kann demnach eine Fläche des untersuchten Teilbereichs auch der gesamte Flächeninhalt der Querschnittsfläche sein. Insbesondere ist eine Querschnittfläche insgesamt filigran, wenn ihr Flächeninhalt kleiner ist als 20 mm², insbesondere kleiner als 10 mm², insbesondere kleiner als 3 mm².
Unter einer Bauteilkontur wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere eine gedachte Begrenzungslinie des herzustellenden Bauteils in einer jeweiligen Pulvermaterialschicht verstanden, das heißt insbesondere eine gedachte Grenzlinie oder Umrandung der in der Pulvermaterialschicht liegenden Querschnittsfläche des herzustellenden Bauteils.
Unter einem Konturvektor wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere ein Bestrahlungsvektor verstanden, der zumindest bereichsweise entlang der Bauteilkontur verläuft. Unter einem Konturvektorzug wird entsprechend eine Mehrzahl unmittelbar hintereinander angeordneter Konturvektoren, insbesondere entlang derselben Bauteilkontur, verstanden. Dass zwei Konturvektorzüge einander unmittelbar benachbart sind, bedeutet hier insbesondere, dass die Konturvektorzüge lediglich durch den zwischen ihnen angeordneten Bestrahlungsvektor beabstandet sind, insbesondere also, dass nur genau ein Bestrahlungsvektor zwischen den Konturvektorzügen angeordnet ist. Ist dies der Fall, ist eine Breite des entsprechenden Teilbereichs der Querschnittsfläche notwendig gering, da die entlang des Bestrahlungsvektors einander gegenüberliegenden Konturvektorzüge nur durch den genau einen Bestrahlungsvektor beabstandet sind. Daher ist dann der entsprechende Teilbereich der Querschnittsfläche, oder auch die Querschnittsfläche insgesamt, ein Filigranbereich.
Insbesondere wird ein untersuchter Teilbereich der Querschnittsfläche als Filigranbereich erkannt, wenn die Fläche des Teilbereichs kleiner ist als 20 mm², insbesondere kleiner als 10 mm², insbesondere kleiner als 3 mm². Alternativ oder zusätzlich wird die gesamte Querschnittsfläche als Filigranbereich erkannt, wenn die Querschnittsfläche einen Umfang kleiner als 16 mm oder eine Fläche kleiner als 20 mm², insbesondere kleiner als 10 mm², insbesondere kleiner als 3 mm² aufweist. Alternativ oder zusätzlich wird ein untersuchter Teilbereich der Querschnittsfläche als Filigranbereich erkannt, wenn sein Umfang mindestens 16 mm beträgt, insbesondere größer ist als 16 mm, insbesondere bei einem Flächeninhalt von weniger als 20 mm², insbesondere weniger als 10 mm², insbesondere weniger als 3 mm². Insbesondere wird der untersuchte Teilbereich der Querschnittsfläche als Filigranbereich erkannt, wenn das Verhältnis von Umfang zu Fläche größer ist als 0,8 mm^-1, oder größer als 1,6 mm^-1, oder größer als 5,3 mm^-1. Alternativ oder zusätzlich wird ein untersuchter Teilbereich der Querschnittsfläche als Filigranbereich erkannt, wenn seine Ausdehnung entlang zumindest einer kartesischen Koordinate in der Pulvermaterialschicht, ausgewählt aus der ersten kartesischen Koordinate und der zweiten kartesischen Koordinate, oder entlang der Diagonale zwischen den kartesischen Koordinaten, kleiner ist als 5 mm, oder wenn das Verhältnis seiner Ausdehnung entlang der ersten kartesischen Koordinate zu seiner Ausdehnung entlang der zweiten kartesischen Koordinate - oder umgekehrt - mindestens 1:10 beträgt. Insbesondere wird der untersuchte Teilbereich als Filigranbereich erkannt, wenn das Verhältnis seiner Ausdehnung entlang einer der kartesischen Koordinaten oder entlang der Diagonale zwischen den kartesischen Koordinaten zu seinem Flächeninhalt mindestens 0,25 mm^-1, oder mindestens 0,5 mm^-1, oder mindestens 1,7 mm^-1 beträgt.
Insbesondere ist eine vorbestimmte Schwelle für die Anzahl unmittelbar benachbarter Kurzvektoren vorgegeben, bei deren Überschreiten ein untersuchter Teilbereich als Filigranbereich erkannt wird. Die vorbestimmte Schwelle kann insbesondere 3, 4 5, oder 6 betragen. Insbesondere kann die vorbestimmte Schwelle auch abhängig von der Bestrahlungsvektorlänge der Kurzvektoren sein.
Insbesondere wird der untersuchte Teilbereich als Filigranbereich erkannt, wenn Kurzvektoren relativ zur Bauteilgeometrie des Bauteils derart angeordnet sind, dass sie mit mindestens einem Vektorende an die Bauteilkontur angrenzen.
Insbesondere wird der untersuchte Teilbereich als Filigranbereich erkannt, wenn Kurzvektoren innerhalb eines Bestrahlungsmusters derart angeordnet sind, dass sie mit einem ersten Vektorende an eine Musterbegrenzung, beispielsweise eine Streifengrenze oder eine Feldgrenze, und mit ihrem anderen Vektorende an die Bauteilkontur angrenzen.
Insbesondere wird ein Teil der Querschnittsfläche als filigran erkannt, wenn der Bestrahlungsvektorlängen-Gradient anzeigt, dass die Bestrahlungsvektorlänge entlang der betrachteten Richtung monoton abnimmt. Alternativ oder zusätzlich wird ein Teil der Querschnittsfläche als filigran erkannt, wenn der Bestrahlungsvektorlängen-Gradient anzeigt, dass die Bestrahlungsvektorlänge entlang der betrachteten Richtung monoton zunimmt.
Unter einem Bestrahlungsmuster wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere eine Zusammenstellung oder Anordnung von Bestrahlungsvektoren, insbesondere von Gruppen von Bestrahlungsvektoren, verstanden, beispielsweise in Form von Streifen oder Feldern. Insbesondere entspricht dabei die Breite eines Streifens oder eines Feldes der Bestrahlungsvektorlänge eines in dem Streifen oder dem Feld liegenden Bestrahlungsvektors.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Bestrahlungsparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Wartezeit zwischen der Abarbeitung unmittelbar benachbarter Bestrahlungsvektoren, einer Wartezeit zwischen der Abarbeitung benachbarter Gruppen von Bestrahlungsvektoren, einer Bestrahlungsreihenfolge der Bestrahlungsvektoren, einer Betriebsart des Energiestrahls, insbesondere einem gepulsten Betrieb oder Dauerstrichbetrieb, einer Leistung, insbesondere Pulsspitzenleistung oder mittlere Leistung, des Energiestrahls, einer Pulsdauer des Energiestrahls, einer Pulsfrequenz des Energiestrahls, einer geometrischen Lage, insbesondere Ausrichtung, der Bestrahlungsvektoren in der der Querschnittsfläche zugeordneten Pulvermaterialschicht, einer Art der Bestrahlungsvektoren, einem Bestrahlungsmuster, und einer Verlagerungsgeschwindigkeit des Energiestrahls. Insbesondere durch eine Änderung der Bestrahlungsreihenfolge der Bestrahlungsvektoren können zugleich Wartezeiten zwischen unmittelbar benachbarten Bestrahlungsvektoren eingeführt und zugleich die Gesamt-Bestrahlungsdauer konstant gehalten werden, wenn beispielsweise keine unmittelbar räumlich benachbarten Bestrahlungsvektoren direkt zeitlich nacheinander bestrahlt werden, sondern vielmehr die Bestrahlung zwischen weiter voneinander entfernten Bestrahlungsvektoren springt. Durch eine Änderung der Ausrichtung der Bestrahlungsvektoren in der Pulvermaterialschicht ist es möglich, die Bestrahlungsvektorlänge zu verändern, insbesondere Kurzvektoren durch längere Bestrahlungsvektoren zu ersetzen. Auch dies führt vorteilhaft zu einer geringeren zeitlichen Energiedichte. Insbesondere kann auch eine Anzahl oder Abmessung von Streifen oder Feldern des Bestrahlungsmusters geändert werden, oder eine Bestrahlung in Form von Streifen oder Feldern kann in einem Filigranbereich, insbesondere einer filigranen Insel, unterlassen und durch eine Bestrahlung ausschließlich mit insbesondere ineinander geschachtelten Konturvektorzügen - gleichsam zwiebelringartig - (Contour Offset Filling) ersetzt werden. Derartige Konturvektorzüge sind tendenziell länger als Bestrahlungsvektoren des Bestrahlungsmusters, die sie ersetzen. Insgesamt sind die hier vorgeschlagenen Bestrahlungsparameters beziehungsweise Maßnahmen geeignet, um die zeitliche Energiedichte in der Pulvermaterialschicht zu verringern.
Unter einer Bestrahlung oder Abarbeitung eines Bestrahlungsvektors wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere verstanden, dass eine Bestrahlung des Pulvermaterials in dem Arbeitsbereich in Übereinstimmung mit der durch den Bestrahlungsvektor gegebenen Definition durchgeführt wird.
In einer Ausführungsform wird der Ermittlungsschritt nach einer Änderung der Ausrichtung der Bestrahlungsvektoren erneut auf der Grundlage der geänderten Bestrahlungsvektoren durchgeführt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für einen Filigranbereich zusätzlich geprüft wird, ob mindestens ein dem Filigranbereich zugeordneter Bestrahlungsvektor ein Überhangvektor ist, wobei der wenigstens eine Bestrahlungsparameter für Überhangvektoren anders gewählt wird als für Bestrahlungsvektoren, die keine Überhangvektoren sind.
Im Kontext der vorliegenden technischen Lehre wird unter einem Überhangvektor insbesondere ein Bestrahlungsvektor verstanden, der vollständig in einem Überhangbereich liegt oder in einem Überhangbereich beginnt oder endet. Unter einem Überhangbereich wird insbesondere ein Bereich verstanden, unterhalb von dem sich in Richtung der Schichtfolge der Pulvermaterialschichten zumindest bereichsweise, insbesondere im Bereich einer Konturlinie oder an einem äußeren Rand des Überhangbereichs, nicht-verfestigtes Pulvermaterial befindet. Ein solcher Überhangbereich wird auch als Downskin-Bereich bezeichnet.
Insbesondere wird, wenn mehr als 100 einander unmittelbar benachbarte Kurzvektoren jeweils mindestens ein Vektorende in einem Überhangbereich aufweisen, eine erste, größere Wartezeit nach jedem der Kurzvektoren vorgesehen.
Insbesondere wird für eine Gruppe von Kurzvektoren mit jeweils mindestens einem an einen Konturvektor angrenzenden Vektorende eine zweite, kleinere Wartezeit nach einer vorbestimmten Anzahl der Kurzvektoren, insbesondere nach jeweils 5 Kurzvektoren, vorgesehen.
Insbesondere wird, wenn weniger als 10 unmittelbar benachbarte Kurzvektoren konstanter Länge jeweils mindestens ein Vektorende an einem Streifen- oder Feldrand und kein Vektorende in einem Überhangbereich aufweisen, keine Wartezeit nach den Kurzvektoren vorgesehen.
Insbesondere wird der Bestrahlungsplan als ein Datensatz für eine Ansteuerung einer Fertigungsvorrichtung, insbesondere einer im Folgenden noch beschriebenen erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung oder einer Fertigungsvorrichtung gemäß einer oder mehreren der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen, zum additiven Fertigen eines Bauteils aus dem Pulvermaterial erhalten. Unabhängig davon, ob das Verfahren auf einer separat zu einer Fertigungsvorrichtung angeordneten Planungsvorrichtung oder auf der Fertigungsvorrichtung selbst durchgeführt wird, wird der Bestrahlungsplan auf diese Weise in einfach handhabbarer, insbesondere maschinenlesbarer Form erhalten. Insbesondere ist es bevorzugt auch möglich, den als Datensatz erhaltenen Bestrahlungsplan zu exportieren und unabhängig von einer bestimmten Vorrichtung, beispielsweise verkörpert auf einem Datenträger oder virtuell über ein Netzwerk, zu transportieren, insbesondere zu übertragen.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein auch als Fertigungsverfahren bezeichnetes Verfahren zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial geschaffen wird, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines mithilfe eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines Verfahrens nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen erhaltenen Bestrahlungsplans für die lokal selektive Bestrahlung eines Arbeitsbereichs mit einem Energiestrahl, um das Bauteil mittels des Energiestrahls schichtweise aus einer Mehrzahl an in einer Schichtfolge zeitlich aufeinanderfolgend in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterialschichten des Pulvermaterials herzustellen, und Fertigen des Bauteils gemäß dem Bestrahlungsplan. In Zusammenhang mit dem Fertigungsverfahren ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits zuvor in Zusammenhang mit dem Planungsverfahren erläutert wurden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Bestrahlungsplan bereitgestellt wird, indem ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Planen einer lokal selektiven Bestrahlung des Arbeitsbereichs oder ein Verfahren zum Planen nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt wird. Somit umfasst das Verfahren zum Fertigen des Bauteils zugleich auch - insbesondere in Form vorgelagerter Schritte - das Verfahren zum Planen der Bestrahlung.
Als Energiestrahl wird vorzugsweise ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl verwendet.
Vorzugsweise wird das Bauteil mittels selektiven Lasersinterns und/oder selektiven Laserschmelzens gefertigt.
Als Pulvermaterial kann in bevorzugter Weise insbesondere ein metallisches oder keramisches Pulver verwendet werden.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Computerprogrammprodukt geschaffen wird, umfassend maschinenlesbare Anweisungen, aufgrund derer ein erfindungsgemäßes Planungsverfahren oder ein Planungsverfahren nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf einer Rechenvorrichtung durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Rechenvorrichtung läuft.
Alternativ oder zusätzlich umfasst das Computerprogrammprodukt maschinenlesbare Anweisungen, aufgrund derer ein erfindungsgemäßes Fertigungsverfahren oder ein Fertigungsverfahren nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf der Rechenvorrichtung durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Rechenvorrichtung läuft.
In Zusammenhang mit dem Computerprogrammprodukt ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits zuvor in Zusammenhang mit dem Planungsverfahren oder dem Fertigungsverfahren erläutert wurden.
Zur Erfindung gehört auch ein erster Datenträger, umfassend ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt oder ein Computerprogrammprodukt nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Planungsvorrichtung zur Planung einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs mit einem Energiestrahl, um mittels des Energiestrahls ein Bauteil aus einem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial herzustellen, geschaffen wird, wobei die Planungsvorrichtung eingerichtet ist, um ein erfindungsgemäßes Planungsverfahren oder ein Planungsverfahren nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen. In Zusammenhang mit der Planungsvorrichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die zuvor bereits in Zusammenhang mit dem Planungsverfahren, dem Fertigungsverfahren oder dem Computerprogrammprodukt erläutert wurden.
Insbesondere kann die Planungsvorrichtung eingerichtet sein, um die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs mit einer Mehrzahl an Energiestrahlen zu planen.
In einer Ausführungsform ist die Planungsvorrichtung ausgebildet als eine Vorrichtung, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem Computer, insbesondere Personal Computer (PC), einer Einschubkarte oder Ansteuerkarte, und einem FPGA-Board. In einer Ausführungsform ist die Planungsvorrichtung eine RTC5- oder RTC6-Ansteuerkarte der SCANLAB GmbH, insbesondere in der an dem den Zeitrang des vorliegenden Schutzrechts bestimmenden Tag aktuell erhältlichen Ausgestaltung.
Insbesondere kann die Planungsvorrichtung extern oder separat zu einer Fertigungsvorrichtung vorgesehen sein, wobei durch die Planungsvorrichtung vorzugsweise ein Datensatz erstellt wird, der dann in geeigneter Weise, beispielsweise mittels eines Datenträgers oder über ein Netzwerk, insbesondere über das Internet, oder über eine andere geeignete drahtlose oder kabelgebundene Übermittlungsform, an eine Fertigungsvorrichtung, insbesondere eine Steuervorrichtung einer Fertigungsvorrichtung, übermittelt wird. Die Planungsvorrichtung kann aber auch in eine Fertigungsvorrichtung integriert sein. Insbesondere kann die Planungsvorrichtung in die Steuervorrichtung der Fertigungsvorrichtung integriert sein, oder die Steuervorrichtung der Fertigungsvorrichtung kann als Planungsvorrichtung ausgebildet sein, insbesondere durch Vorsehen einer geeigneten Hardwarekomponente und/oder durch Implementieren eines geeigneten Computerprogrammprodukts, insbesondere einer Software. Es ist aber auch möglich, dass die Planungsvorrichtung eine Mehrzahl an Rechenvorrichtungen umfasst, wobei sie insbesondere physisch verteilt ausgebildet ist. Bevorzugt umfasst die Planungsvorrichtung dann eine Mehrzahl miteinander vernetzter Rechenvorrichtungen. Insbesondere kann die Planungsvorrichtung als Datenwolke oder sogenannte Cloud ausgebildet sein, oder die Planungsvorrichtung ist Teil einer Datenwolke oder Cloud. Es ist in bevorzugter Ausgestaltung auch möglich, dass die Planungsvorrichtung einerseits mindestens eine zu der Fertigungsvorrichtung externe Rechenvorrichtung und andererseits die Fertigungsvorrichtung, insbesondere die Steuervorrichtung der Fertigungsvorrichtung, umfasst, wobei dann durch die Planungsvorrichtung durchgeführte Schritte teilweise auf der externen Rechenvorrichtung und teilweise auf der Fertigungsvorrichtung, insbesondere auf der Steuervorrichtung, durchgeführt werden. Insbesondere ist es auch möglich, dass die Planungsvorrichtung nicht die vollständige Planung der lokal selektiven Bestrahlung des Arbeitsbereichs übernimmt, sondern nur Teile hiervon; insbesondere ist es möglich, dass die Planungsvorrichtung nur denjenigen Teil der Planung der lokal selektiven Bestrahlung des Arbeitsbereichs übernimmt, der sich auf die zuvor beschriebenen Schritte und/oder Festlegungen bezieht. Andere Teile der Planung der lokal selektiven Bestrahlung können dagegen in anderen Rechenvorrichtungen, insbesondere in zu der Fertigungsvorrichtung externen Rechenvorrichtung, oder auch in der Fertigungsvorrichtung selbst, insbesondere deren Steuervorrichtung, oder aber auch in einer Datenwolke oder Cloud, durchgeführt werden.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial geschaffen wird. Die Fertigungsvorrichtung weist eine Strahlerzeugungsvorrichtung auf, die eingerichtet ist zum Erzeugen eines Energiestrahls. Außerdem weist die Fertigungsvorrichtung eine Scannervorrichtung auf, die eingerichtet ist, um einen Arbeitsbereich lokal selektiv mit dem Energiestrahl zu bestrahlen, um mittels des Energiestrahls ein Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial herzustellen. Schließlich weist die Fertigungsvorrichtung eine Steuervorrichtung auf, die mit der Scannervorrichtung wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannervorrichtung anzusteuern. Die Steuervorrichtung ist eingerichtet zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens oder eines Fertigungsverfahren nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. In Zusammenhang mit der Fertigungsvorrichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Planungsverfahren, dem Fertigungsverfahren, dem Computerprogrammprodukt und der Planungsvorrichtung erläutert wurden.
Bei einer Ausführungsform ist die Strahlerzeugungsvorrichtung eingerichtet, um eine Mehrzahl an Energiestrahlen zu erzeugen, und/oder die Fertigungsvorrichtung weist eine Mehrzahl an Strahlerzeugungsvorrichtungen zur Erzeugung einer Mehrzahl an Energiestrahlen auf. Es ist möglich, dass für die Mehrzahl an Energiestrahlen eine Mehrzahl an Scannervorrichtungen vorgesehen sind. Es ist aber auch möglich, dass die Scannervorrichtung eingerichtet ist, um eine Mehrzahl an Energiestrahlen - insbesondere unabhängig voneinander - auf dem Arbeitsbereich zu verlagern. Insbesondere kann die Scannervorrichtung hierfür eine Mehrzahl an separat ansteuerbaren Scannern, insbesondere Scannerspiegeln, aufweisen.
Die Scannervorrichtung weist bevorzugt mindestens einen Scanner, insbesondere einen Galvanometer-Scanner, Piezoscanner, Polygonscanner, MEMS-Scanner, und/oder einen relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf auf. Die hier vorgeschlagenen Scannervorrichtungen sind in besonderer Weise geeignet, den Energiestrahl innerhalb des Arbeitsbereichs zwischen einer Mehrzahl an Bestrahlungspositionen zu verlagern.
Unter einem relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf wird hier insbesondere ein integriertes Bauteil der Fertigungsvorrichtung verstanden, welches mindestens einen Strahlungsauslass für mindestens einen Energiestrahl aufweist, wobei das integrierte Bauteil, das heißt der Arbeitskopf, als Ganzes entlang zumindest einer Verlagerungsrichtung, vorzugsweise entlang zweier senkrecht aufeinander stehenden Verlagerungsrichtungen, relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbar ist. Ein solcher Arbeitskopf kann insbesondere in Portalbauweise ausgebildet sein oder von einem Roboter geführt werden. Insbesondere kann der Arbeitskopf als Roboterhand eines Roboters ausgebildet sein.
Die Steuervorrichtung ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Computer, insbesondere Personal Computer (PC), einer Einschubkarte oder Ansteuerkarte, und einem FPGA-Board. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Steuervorrichtung eine RTC5- oder RTC6-Ansteuerkarte der SCANLAB GmbH, insbesondere in der an dem den Zeitrang des vorliegenden Schutzrechts bestimmenden Tag aktuell erhältlichen Ausgestaltung.
Bevorzugt ist die Strahlerzeugungsvorrichtung als Laser ausgebildet. Der Energiestrahl wird somit vorteilhaft als intensiver Strahl kohärenter elektromagnetischer Strahlung, insbesondere kohärenten Lichts, erzeugt. Bestrahlung bedeutet insoweit bevorzugt Belichtung.
Die Fertigungsvorrichtung ist vorzugsweise eingerichtet zum selektiven Lasersintern. Alternativ oder zusätzlich ist die Fertigungsvorrichtung eingerichtet zum selektiven Laserschmelzen. Diese Ausgestaltungen der Fertigungsvorrichtung haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial mit einem Ausführungsbeispiel einer Planungsvorrichtung, und
2 eine schematische Darstellung von Ausführungsbeispielen eines Verfahrens zum Planen einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs mit einem Energiestrahl.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungsvorrichtung 1 zum additiven Fertigen eines Bauteils 3 aus einem Pulvermaterial 5 mit einem Ausführungsbeispiel einer Planungsvorrichtung 7.
Die Fertigungsvorrichtung 1 weist mindestens eine vorzugsweise als Laser ausgebildete Strahlerzeugungsvorrichtung 9 auf, die eingerichtet ist zum Erzeugen mindestens eines Energiestrahls 11, insbesondere eines Laserstrahls, sowie außerdem eine Scannervorrichtung 13, die eingerichtet ist, um einen Arbeitsbereich 15 lokal selektiv mit dem Energiestrahl 11 zu bestrahlen, um mittels des Energiestrahls 11 das Bauteil 3 aus dem in dem Arbeitsbereich 15 angeordneten Pulvermaterial 5 herzustellen. Es ist möglich, dass die Strahlerzeugungsvorrichtung 9 mehr als einen Energiestrahl 11 erzeugt, oder dass die Fertigungsvorrichtung 1 mehr als eine Strahlerzeugungsvorrichtung 9 zur Erzeugung einer Mehrzahl an Energiestrahlen 11 aufweist.
Vorzugsweise weist die Fertigungsvorrichtung 1 für jeden Energiestrahl 11 eine separate Scannervorrichtung 13 auf. Die Fertigungsvorrichtung 1 weist weiterhin eine insbesondere als eine Rechenvorrichtung 8 ausgebildete Steuervorrichtung 17 auf, die mit der Scannervorrichtung 13 und bevorzugt auch mit der Strahlerzeugungsvorrichtung 9 wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannervorrichtung 13 und gegebenenfalls die Strahlerzeugungsvorrichtung 9 anzusteuern. Dabei ist die Steuervorrichtung 17 eingerichtet zur Durchführung eines im Folgenden näher beschriebenen Verfahrens zum Planen der lokal selektiven Bestrahlung des Arbeitsbereichs 15 mit dem Energiestrahl 11, kurz auch als Planungsverfahren bezeichnet.
Insbesondere weist die Steuervorrichtung 17 hierzu die insbesondere als eine weitere Rechenvorrichtung 10 ausgebildete Planungsvorrichtung 7 auf, die entsprechend zur Durchführung des Planungsverfahrens eingerichtet ist. Alternativ ist es möglich, dass die Steuervorrichtung 17 selbst als die Planungsvorrichtung 7 ausgebildet ist. Es ist aber in einer hier nicht dargestellten Ausgestaltung auch möglich, dass das Planungsverfahren auf einer separat zu der Fertigungsvorrichtung 1 vorgesehenen Planungsvorrichtung 7 ausgeführt wird.
Die Fertigungsvorrichtung 1 ist insbesondere eingerichtet, um das Bauteil 3 schichtweise aus einer Mehrzahl von in einer Schichtfolge zeitlich aufeinanderfolgend in dem Arbeitsbereich 15 angeordneten Pulvermaterialschichten aufzubauen. Hierzu ist der Arbeitsbereich 15, insbesondere in Form eines Pulverbetts, auf einer Bauplattform angeordnet, die im Zuge der Bereitstellung der zeitlich aufeinanderfolgenden Pulvermaterialschichten in dem Arbeitsbereich 15 schrittweise entgegen einer Hochrichtung abgesenkt wird. Das jeweils eine nächste Pulvermaterialschicht bildende Pulvermaterial 5 wird mittels eines insbesondere als Wischer oder Schieber ausgebildeten Beschichtungselements aus dem Bereich eines Vorratszylinders in den Arbeitsbereich 15 gefördert und dort durch das Beschichtungselement geglättet, sodass die jeweils aktuelle Pulvermaterialschicht bereitgestellt wird. Indem sukzessive auf diese Weise das Pulvermaterial 5 Pulvermaterialschicht für Pulvermaterialschicht mittels des Energiestrahls 11 in dem Arbeitsbereich 15 lokal selektiv verfestigt wird, wird das Bauteil 3 Schicht für Schicht, das heißt schichtweise, aufgebaut.
Im Rahmen eines Verfahrens zum Fertigen des Bauteils 3 aus dem Pulvermaterial 5 wird ein mithilfe des im Folgenden beschriebenen Planungsverfahrens erhaltener Bestrahlungsplan für die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs 15 mit dem Energiestrahl 11 bereitgestellt, und das Bauteil 3 wird gemäß dem bereitgestellten Bestrahlungsplan gefertigt. Der Bestrahlungsplan wird dabei bevorzugt bereitgestellt, indem - insbesondere durch die Planungsvorrichtung 7 - das Planungsverfahren durchgeführt wird.
Im Rahmen des Planungsverfahrens wird für mindestens eine einer Pulvermaterialschicht zugeordnete Querschnittsfläche 19 des Bauteils 3 in einem Ermittlungsschritt anhand von mindestens einem Filigranitätskriterium ermittelt wird, ob die Querschnittsfläche 19 mindestens einen Filigranbereich 21 aufweist. Wenn für die Querschnittsfläche 19 wenigstens ein Filigranbereich 21 ermittelt wird, wird mindestens ein Bestrahlungsparameter für den wenigstens einen Filigranbereich 21 anders gewählt wird als für einen Massivbereich 23 des Bauteils 3. Auf diese Weise wird insbesondere ein Bestrahlungsplan für die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs 15 mit dem Energiestrahl 11 erhalten.
Der mindestens eine Bestrahlungsparameter wird für den Filigranbereich 21 im Verhältnis zu dem Massivbereich 23 insbesondere derart gewählt, dass eine in das Pulvermaterial 5 eingebrachte zeitliche Energiedichte in dem Filigranbereich 21 geringer ist als in dem Massivbereich 23.
Insbesondere wird der Ermittlungsschritt an einer geometrischen Repräsentation des Bauteils 3, insbesondere einem CAD-Modell, und/oder an einer insbesondere aus der geometrischen Repräsentation des Bauteils 3 erhaltenen Zusammenstellung von Bestrahlungsvektoren 25 durchgeführt.
Das mindestens eine Filigranitätskriterium ist insbesondere ausgewählt aus einer Liste, bestehend aus: Einer Fläche eines untersuchten Teilbereichs der Querschnittsfläche 19 des Bauteils 3, einem Verhältnis von Umfang zu Fläche des untersuchten Teilbereichs, einem Verhältnis einer ersten Ausdehnung des untersuchten Teilbereichs entlang einer ersten kartesischen Koordinate x zur Fläche des untersuchten Teilbereichs, einem Verhältnis einer zweiten Ausdehnung des untersuchten Teilbereichs entlang einer zweiten kartesischen Koordinate y zur Fläche des untersuchten Teilbereichs, einem Verhältnis einer dritten Ausdehnung des untersuchten Teilbereichs entlang einer Diagonale xy zwischen der ersten kartesischen Koordinaten x und der zweiten kartesischen Koordinate y zur Fläche des untersuchten Teilbereichs, einer Länge von Bestrahlungsvektoren 25 in dem untersuchten Teilbereich, einer Anzahl von unmittelbar einander benachbart angeordneten Kurzvektoren 27 - siehe 2 - als Bestrahlungsvektoren 25 mit vorbestimmter maximaler Länge, einer geometrischen Lage von Kurzvektoren 27 relativ zu einer Bauteilgeometrie des Bauteils 3 und/oder innerhalb eines Bestrahlungsmusters 29 für die der Querschnittsfläche 19 zugeordnete Pulvermaterialschicht, einer geometrischen Lage von Bestrahlungsvektoren 25, die insbesondere keine Kurzvektoren sind, relativ zu einer Bauteilkontur 31, insbesondere deren Lage zwischen zwei unmittelbar benachbarten Konturvektorzügen 33 von Konturvektoren 35 - siehe 2 -, und einer räumlichen Entwicklung der Länge benachbarter Bestrahlungsvektoren 25 entlang mindestens einer Richtung in der der Querschnittsfläche 19 zugeordneten Pulvermaterialschicht.
2 zeigt eine schematische Darstellung von weiteren Ausführungsbeispielen des Planungsverfahrens.
Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Bei a) ist beispielhaft und schematisch ein als Filigranbereich 21 erkannter, untersuchter Teilbereich der Querschnittsfläche 19 dargestellt. Dieser kann insbesondere anhand der reduzierten Länge der Bestrahlungsvektoren 25 in dem Teilbereich erkannt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Teilbereich aber auch anhand einer Anzahl von unmittelbar einander benachbart angeordneten Kurzvektoren 27 erkannt werden. Hierzu ist insbesondere eine vorbestimmte Schwelle für die Anzahl unmittelbar benachbarter Kurzvektoren 27 vorgegeben, bei deren Überschreiten der untersuchte Teilbereich als Filigranbereich 21 erkannt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Teilbereich anhand der geometrischen Lage der Kurzvektoren 27 relativ zu der Bauteilgeometrie des Bauteils 3 erkannt werden, insbesondere daran, dass die Kurzvektoren 27 einzeln unmittelbar zwischen Konturvektoren 35 angeordnet sind, beziehungsweise dass jeweils zwei einander unmittelbar benachbarte Konturvektoren 35 in Beabstandungsrichtung lediglich durch genau einen Kurzvektor 27 voneinander beabstandet sind. Analog beginnt der Filigranbereich 21 bereits an einer Stelle, wo zwei unmittelbar benachbarte Konturvektoren 35 in Beabstandungsrichtung lediglich durch genau einen Bestrahlungsvektor 25, der kein Kurzvektor 27 ist, voneinander beabstandet sind. Insbesondere liegen die Bestrahlungsvektoren 25 zwischen zwei unmittelbar benachbarten Konturvektorzügen 33 von Konturvektoren 35. Alternativ oder zusätzlich kann der Filigranbereich 21 an einer räumlichen Entwicklung der Länge benachbarter Bestrahlungsvektoren 25 entlang mindestens einer durch einen ersten Pfeil P dargestellten Richtung in der der Querschnittsfläche 19 zugeordneten Pulvermaterialschicht erkannt werden, das heißt einem räumlichen Bestrahlungsvektorlängen-Gradient.
Bei b) ist ein Bestrahlungsmuster 29 dargestellt, insbesondere in Form einer Mehrzahl von Streifen 41 von Bestrahlungsvektoren 25. Ein Filigranbereich 21 kann insbesondere auch anhand einer geometrischen Lage von Kurzvektoren 27 innerhalb des Bestrahlungsmusters 29 für die der Querschnittsfläche 19 zugeordnete Pulvermaterialschicht erkannt werden, insbesondere als einem Kriterium beispielsweise daran, dass die Kurzvektoren 27 an einem in 2 rechten Vektorende an ein Streifenende angrenzen, während sie an ihrem jeweiligen linken Vektorende an die Bauteilkontur 31 angrenzen. Alternativ oder zusätzlich kann der Filigranbereich 21 an der räumlichen Entwicklung der Länge benachbarter Bestrahlungsvektoren 25 entlang mindestens einer hier durch einen zweiten Pfeil P2 gekennzeichneten Richtung in der der Querschnittsfläche 19 zugeordneten Pulvermaterialschicht, hier ausgehend von einer Linie L, erkannt werden.
Insbesondere ist der mindestens eine Bestrahlungsparameter ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Wartezeit zwischen der Abarbeitung unmittelbar benachbarter Bestrahlungsvektoren 25, einer Wartezeit zwischen der Abarbeitung benachbarter Gruppen 37 von Bestrahlungsvektoren 25, einer Bestrahlungsreihenfolge der Bestrahlungsvektoren 25, einer Betriebsart des Energiestrahls 11, insbesondere einem gepulsten Betrieb oder Dauerstrichbetrieb, einer Leistung, insbesondere Pulsspitzenleistung oder mittlere Leistung, des Energiestrahls 11, einer Pulsdauer des Energiestrahls 11, einer Pulsfrequenz des Energiestrahls 11, einer geometrischen Lage, insbesondere Ausrichtung, der Bestrahlungsvektoren 25 in der der Querschnittsfläche 19 zugeordneten Pulvermaterialschicht, einer Art der Bestrahlungsvektoren 25, dem Bestrahlungsmuster 29, und einer Verlagerungsgeschwindigkeit des Energiestrahls 11.
Insbesondere wird für einen Filigranbereich 21 zusätzlich geprüft, ob mindestens ein dem Filigranbereich 21 zugeordneter Bestrahlungsvektor 25 ein Überhangvektor 39 ist, wobei der wenigstens eine Bestrahlungsparameter für Überhangvektoren 39 anders gewählt wird als für Bestrahlungsvektoren 25, die keine Überhangvektoren 39 sind.
Im Rahmen eines Verfahrens zum additiven Fertigen des Bauteils 3 aus dem Pulvermaterial 5 wird ein mithilfe des Planungsverfahren erhaltener Bestrahlungsplan für die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs 15 mit einem Energiestrahl 11 bereitgestellt, um das Bauteil 3 mittels des Energiestrahls 11 schichtweise herzustellen. Anschließend wird das Bauteil 3 gemäß dem Bestrahlungsplan gefertigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011087374 A1 [0003]
EP 3520929 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Planen einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs (15) mit einem Energiestrahl (11), um mittels des Energiestrahls (11) ein Bauteil (3) schichtweise aus einer Mehrzahl an in einer Schichtfolge zeitlich aufeinanderfolgend in dem Arbeitsbereich (15) angeordneten Pulvermaterialschichten eines Pulvermaterials (5) herzustellen, wobei für mindestens eine einer Pulvermaterialschicht zugeordnete Querschnittsfläche (19) des Bauteils (3) in einem Ermittlungsschritt anhand von mindestens einem Filigranitätskriterium ermittelt wird, ob die Querschnittsfläche (19) mindestens einen Filigranbereich (21) aufweist, wobei, wenn für die Querschnittsfläche (19) wenigstens ein Filigranbereich (21) ermittelt wird, mindestens ein Bestrahlungsparameter für den wenigstens einen Filigranbereich (21) anders gewählt wird als für einen Massivbereich (23) des Bauteils (3), wobei insbesondere ein Bestrahlungsplan für die lokal selektive Bestrahlung des Arbeitsbereichs (15) mit dem Energiestrahl (11) erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Bestrahlungsparameter für den Filigranbereich (21) im Verhältnis zu dem Massivbereich (23) derart gewählt wird, dass eine in das Pulvermaterial (5) eingebrachte zeitliche Energiedichte in dem Filigranbereich (21) geringer ist als in dem Massivbereich (23).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ermittlungsschritt an einer geometrischen Repräsentation des Bauteils (3), insbesondere einem CAD-Modell, und/oder an einer insbesondere aus der geometrischen Repräsentation des Bauteils (3) erhaltenen Zusammenstellung von Bestrahlungsvektoren (25) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Filigranitätskriterium ausgewählt ist aus einer Liste, bestehend aus: Einer Fläche eines untersuchten Bereichs oder Teilbereichs der Querschnittsfläche (19) des Bauteils (3), einem Verhältnis von Umfang zu Fläche des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs, einem Verhältnis einer ersten Ausdehnung des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs entlang einer ersten kartesischen Koordinate zur Fläche des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs, einem Verhältnis einer zweiten Ausdehnung des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs entlang einer zweiten kartesischen Koordinate zur Fläche des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs, einem Verhältnis einer dritten Ausdehnung des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs entlang einer Diagonale zwischen der ersten kartesischen Koordinaten und der zweiten kartesischen Koordinate zur Fläche des untersuchten Bereichs oder Teilbereichs, einer Länge von Bestrahlungsvektoren (25) in dem untersuchten Bereich oder Teilbereich, einer Anzahl von unmittelbar einander benachbart angeordneten Kurzvektoren (27) als Bestrahlungsvektoren (25) mit vorbestimmter maximaler Länge, einer geometrischen Lage von Kurzvektoren (27) relativ zu einer Bauteilgeometrie des Bauteils (3) und/oder innerhalb eines Bestrahlungsmusters (29) für die der Querschnittsfläche (19) zugeordnete Pulvermaterialschicht, einer geometrischen Lage von Bestrahlungsvektoren (25) relativ zu einer Bauteilkontur (31), und einer räumlichen Entwicklung der Länge benachbarter Bestrahlungsvektoren (25) entlang mindestens einer Richtung in der der Querschnittsfläche (19) zugeordneten Pulvermaterialschicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Bestrahlungsparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Wartezeit zwischen der Abarbeitung unmittelbar benachbarter Bestrahlungsvektoren (25), einer Wartezeit zwischen der Abarbeitung benachbarter Gruppen (37) von Bestrahlungsvektoren (25), einer Bestrahlungsreihenfolge der Bestrahlungsvektoren (25), einer Betriebsart des Energiestrahls (11), insbesondere gepulstem Betrieb oder Dauerstrichbetrieb, einer Leistung, insbesondere Pulsspitzenleistung oder mittlerer Leistung, des Energiestrahls (11), einer Pulsdauer des Energiestrahls (11), einer Pulsfrequenz des Energiestrahls (11), einer geometrischen Lage, insbesondere Ausrichtung, der Bestrahlungsvektoren (25) in der der Querschnittsfläche (19) zugeordneten Pulvermaterialschicht, einer Art der Bestrahlungsvektoren (25), einem Bestrahlungsmuster, und einer Verlagerungsgeschwindigkeit des Energiestrahls (11).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für einen Filigranbereich (21) zusätzlich geprüft wird, ob mindestens ein dem Filigranbereich (21) zugeordneter Bestrahlungsvektor (25) ein Überhangvektor (39) ist, wobei der wenigstens eine Bestrahlungsparameter für Überhangvektoren (39) anders gewählt wird als für Bestrahlungsvektoren (25), die keine Überhangvektoren (39) sind.
Verfahren zum additiven Fertigen eines Bauteils (3) aus einem Pulvermaterial (5), mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines mithilfe eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 erhaltenen Bestrahlungsplans für die lokal selektive Bestrahlung eines Arbeitsbereichs (15) mit einem Energiestrahl (11), um das Bauteil (3) mittels des Energiestrahls (11) schichtweise aus einer Mehrzahl an in einer Schichtfolge zeitlich aufeinanderfolgend in dem Arbeitsbereich (15) angeordneten Pulvermaterialschichten des Pulvermaterials (5) herzustellen, und Fertigen des Bauteils (3) gemäß dem Bestrahlungsplan.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Bestrahlungsplan bereitgestellt wird, indem ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchgeführt wird.
Computerprogrammprodukt, umfassend maschinenlesbare Anweisungen, aufgrund derer ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder ein Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8 auf einer Rechenvorrichtung (8, 10) durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Rechenvorrichtung (8, 10) läuft.
Planungsvorrichtung (7) zur Planung einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs (15) mit einem Energiestrahl (11), um mittels des Energiestrahls (11) ein Bauteil (3) aus einem in dem Arbeitsbereich (15) angeordneten Pulvermaterial (5) herzustellen, wobei die Planungsvorrichtung (7) eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
Fertigungsvorrichtung (1) zum additiven Fertigen von Bauteilen (3) aus einem Pulvermaterial (5), mit - einer Strahlerzeugungsvorrichtung (9), die eingerichtet ist zum Erzeugen eines Energiestrahls (11), - einer Scannervorrichtung (13), die eingerichtet ist, um einen Arbeitsbereich (15) lokal selektiv mit dem Energiestrahl (11) zu bestrahlen, um mittels des Energiestrahls (11) ein Bauteil (3) aus dem in dem Arbeitsbereich (15) angeordneten Pulvermaterial (5) herzustellen, und mit - einer Steuervorrichtung (17), die mit der Scannervorrichtung (13) wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannervorrichtung (13) anzusteuern, wobei - die Steuervorrichtung (17) eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 oder 8.