DE10208150A1 - Rapid prototyping by consolidating layers with laser beam includes oscillating beam impact zone to improve surface finish - Google Patents

Rapid prototyping by consolidating layers with laser beam includes oscillating beam impact zone to improve surface finish

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Abstract

Solid articles (8) are built up in layers from liquid or powder raw material (4) using irradiation with a steered beam (16), preferably a laser beam. Especially near the edge regions, the beam (16) is controlled so that the impact zone (30) oscillates. The motion includes forward and backward components as the consolidated strip of material is built up in the forward direction. Solid articles (8) are built up in layers from liquid or powder raw material (4) using irradiation with a steered beam (16), preferably a laser beam. Especially near the edge regions, the beam (16) is controlled so that the impact zone (30) oscillates. The motion includes forward and backward components as the consolidated strip of material is built up in the forward direction. The beam (16) is guided so that it repeatedly covers previously consolidated regions. The oscillation can include a transverse component with the backward step being half the distance of the forward motion. The strength of the beam or the speed of motion can be altered during the backward step. The beam is deflected by a mirror (20) steered with a programmable controller (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, bei dem man ein fluides oder pulverförmiges Rohmaterial in aufeinander fol­ gend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit wenigstens einem, insbesondere gesteuert ablenkbaren Strahl, vorzugsweise Laserstrahl, entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnitts­ muster des Formkörpers zu zusammenhängenden Bereichen verfestigt bzw. verschmelzt, wobei man zur Bildung eines Streifens zusammenhängend verfestigten Materials, insbesondere eines Randabschnittes des Formkörpers in einer betreffenden Schicht den Auftreffpunkt des Strahles auf der Schicht längs einer jeweiligen Streifenbildungsspur bewegt.The invention relates to a method for producing a shaped body, in which is followed by a fluid or powder raw material in succession prepared layers by irradiation with at least one, in particular controlled deflectable beam, preferably laser beam, corresponding to a cross section assigned to the respective layer Pattern of the molded body solidified into coherent areas or fused, forming a streak coherently solidified material, especially one Edge section of the molded body in a layer concerned Point of impact of the beam on the layer along a respective one Banding trace moved.

Unter den Begriffen selektives Pulverschmelzen, selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern u. dgl., sind in jüngerer Zeit leistungsfähige Methoden zur Herstellung von Formkörpern auch komplizierterer Geometrie bekannt geworden, wobei diese häufig unter dem Begriff "Rapid Prototyping" oder "Rapid Tooling" oder "Rapid Manufacturing" zusammengefassten Methoden im Wesentlichen auf folgendem Prinzip basieren:Under the terms selective powder melting, selective Laser melting, selective laser sintering u. Like., are more recent powerful methods for the production of moldings too complicated geometry become known, often under the term "rapid prototyping" or "rapid tooling" or "rapid Manufacturing "summarized methods essentially based on the following principle:

Der Formkörper, also irgendein herzustellender Gegenstand, wird nach Maßgabe von CAD-Daten bzw. von davon abgeleiteten geometrischen Beschreibungsdaten schichtweise aus einem zunächst fluiden oder feinkörnigen bzw. pulvrigen Rohmaterial aufgebaut, indem das Rohmaterial entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers durch selektives Bestrahlen verfestigt bzw. verschmolzen wird. Üblicherweise erfolgt das Bestrahlen mittels wenigstens einem gesteuert ablenkbaren Laserstrahl. Dabei erfolgt die Steuerung einer den Strahl ablenkenden Strahlablenkeinrichtung mittels einer Steuereinrichtung auf der Basis geometrischer Beschreibungsdaten des herzustellenden Formkörpers, welche üblicherweise von einem Mikrocomputer nach Maßgabe eines entsprechenden Programms aus CAD-Daten abgeleitet und bereitgestellt werden.The molded body, that is, any object to be manufactured, is made after Specification of CAD data or derived from it Description data in layers from an initially fluid or fine-grained or powdery raw material built by the  Raw material corresponding to one assigned to the respective layer Cross-sectional pattern of the molded body by selective irradiation solidified or fused. Irradiation is usually carried out by means of at least one controllably deflectable laser beam. This is done the control of a beam deflecting device by means of a control device based on geometric Description data of the molded body to be produced, which usually from a microcomputer according to one corresponding program derived from CAD data and provided become.

Der Laserstrahl zeichnet auf der zuletzt präparierten Rohmaterialschicht das dieser Schicht zugeordnete Querschnittsmuster des Formkörpers, um das Rohmaterial dem Querschnittsmuster entsprechend selektiv zu verfestigen bzw. zu verschmelzen. Nach einem solchen Bestrahlungsschritt erfolgt dann die Präparation der nächsten Rohmaterialschicht auf der zuletzt durch Bestrahlen selektiv und bereichsweise verfestigten bzw. verschmolzenen Schicht. Nach Ausbildung einer an ihrer Oberfläche hinreichend glatten Rohmaterialschicht erfolgt dann wieder ein Belichtungsschritt in der vor­ stehend erläuterten Weise. Der Formkörper entsteht somit Schicht für Schicht, wobei die aufeinander folgend hergestellten Querschnittsschichten des Formkörpers so miteinander verschmolzen sind, dass sie aneinander haften. Beim selektiven Verschmelzen von Metallpulvern, wie es beispielsweise in der DE 199 05 067 A1 oder in der WO 98/24574 beschrieben ist, erfolgt das Präparieren der Schichten normalerweise durch Hinzugabe von Pulvermaterial auf der zuletzt verfestigten Schicht nach jedem Bestrahlungsschritt. Nach Glättung der Pulverschicht und Einstellen des Schichtniveaus relativ zur Strahlungsquelle bzw. zur Strahlablenkeinrichtung erfolgt dann der nächste Bestrahlungsschritt in der oben beschriebenen Weise. Die jeweilige Einstellung des Schichtniveaus erfolgt normalerweise durch ent­ sprechendes Absenken einer Plattform, welche einen Träger bildet, auf der der Formkörper schichtweise aufgebaut wird.The laser beam draws on the last prepared raw material layer the cross-sectional pattern of the molded body assigned to this layer, in order selectively add the raw material according to the cross-sectional pattern solidify or merge. After one The next step is then the irradiation step Raw material layer on the last selective and by irradiation solidified or fused layer in some areas. To Formation of a sufficiently smooth surface An exposure step then takes place in the raw material layer standing explained way. The molded body thus arises for layer Layer, the successively produced Cross-sectional layers of the molded body thus fused together are that they stick together. When selectively merging Metal powders, as it is for example in DE 199 05 067 A1 or in the WO 98/24574 describes the preparation of the layers usually by adding powder material on the last one solidified layer after each irradiation step. After smoothing the Powder layer and adjusting the layer level relative to the  Radiation source or to the beam deflection device then takes place next irradiation step in the manner described above. The The respective setting of the layer level is normally made by ent speaking lowering of a platform that forms a support which the molded body is built up in layers.

Bei der Methode nach dem Prinzip des selektiven Lasersinterns verwendet man als Rohmaterialien Metallpulver mit niedrig schmelzenden Bindemitteln.Used in the method based on the principle of selective laser sintering one uses as raw materials metal powder with low melting point Binders.

Bei den bisher bekannten Rapid-Prototyping-Herstellungsmethoden erfolgt die Herstellung von - in der Draufsicht auf die betreffende Schicht - zu­ sammenhängenden Flächenbereichen des der betreffenden Schicht zu­ geordneten Querschnittsmusters im Allgemeinen dadurch, dass ein Laser­ strahl die Randkontur des Flächenbereichs abtastet bzw. beschreibt und dann innerhalb dieser Randkontur nach Art von eng benachbarten geradlinigen Schraffurlinien eine zeilenweise Abtastung bzw. Rasterung des Flächenbereichs vornimmt, um die Schicht in den bestrahlten Bereichen umzuschmelzen. Dabei erfolgt die Steuerung der Strahlablenkeinrichtung normalerweise auf der Basis von Schraffurdaten, die mit einem CAD-Programm erzeugt wurden.With the previously known rapid prototyping production methods the production of - in the top view of the layer in question coherent surface areas of the layer concerned ordered cross-sectional pattern generally by using a laser beam scans or describes the edge contour of the surface area and then within this edge contour like close neighbors straight-line hatching lines a line-by-line scanning or screening of the area to make the layer in the irradiated Areas remelt. The control of the Beam deflection device usually based on hatching data, created with a CAD program.

Gemäß einer anderen Bestrahlungsstrategie wird ein zusammenhängender Bereich des Formkörper-Querschnittsmusters in einer betreffenden Schicht dadurch gebildet, dass man den Strahl in der Weise ablenkt oder/und die zu bestrahlende Schicht relativ zu dem Strahl in der Weise bewegt, dass der Strahl - beginnend mit einer Startkonturlinie (Randlinie) - mehrere, einander benachbarte, insbesondere zwiebelringartig ineinander verschachtelte Konturen auf der Schicht beschreibt. Beispiele hierzu sind in der DE 100 12 535.2 offenbart, auf die verwiesen wird.According to another radiation strategy, a coherent Area of the shaped body cross-sectional pattern in a relevant layer formed by deflecting the beam in such a way and / or the layer to be irradiated moved relative to the beam in such a way that the beam - starting with a starting contour line (border line) - several, adjacent to each other, in particular like an onion ring  describes nested contours on the layer. Examples are in DE 100 12 535.2, to which reference is made.

Bei der Herstellung von Formkörpern nach den hier betrachteten Methoden des "Rapid Prototyping" oder "Rapid Manufacturing" ist man im Allgemeinen bestrebt, eine hohe Oberflächengüte des Formkörpers zu erreichen, so dass die Oberfläche des fertiggestellten Formkörpers möglichst keine grobe Körnung oder Riffelung aufgrund des Herstellungsprozesses aufweist. Derartige unerwünschte Oberflächenrauigkeiten können entstehen, wenn die entsprechend der Schichtenfolge aufeinander folgend verfestigten Randkonturlinien nicht gleichmäßig ineinander übergehen und/oder wenn bei der Bildung einzelner Randkonturlinien keine gleichmäßige Schmelzspur oder Schmelzraupe gebildet wird. Es sind zahlreiche Versuche zur Ermittlung optimaler Prozessparameter im Hinblick auf die Erzielung möglichst homogener Oberflächengestaltungen der Formkörper bei der Anwendung des selektiven Laserschmelzens durchgeführt worden. Dabei hat man das Rohmaterialpulver in einer betreffenden Schicht spurweise mit einem auf die Schicht fokussierten Laserstrahl bestrahlt und versuchsweise folgende Parameter systematisch verändert:
In the production of moldings using the methods of "rapid prototyping" or "rapid manufacturing" considered here, efforts are generally made to achieve a high surface quality of the molded body, so that the surface of the finished molded body has as little coarse grain or corrugation as possible due to the manufacturing process having. Such undesirable surface roughness can occur if the edge contour lines solidified one after the other according to the layer sequence do not merge evenly into one another and / or if no uniform melting trace or bead is formed when individual edge contour lines are formed. Numerous tests have been carried out to determine optimal process parameters with a view to achieving the most homogeneous possible surface designs of the shaped bodies when using selective laser melting. The raw material powder in a relevant layer was irradiated with a laser beam focused on the layer, and the following parameters were systematically changed on a trial basis:

  • - die Energiedichte der Laserstrahlung am Auftreffpunkt- The energy density of the laser radiation at the point of impact
  • - die Ausdehnung des Auftreffpunkts (Fokusdurchmesser) des Laser­ strahls auf der Schicht,- the extent of the point of impact (focus diameter) of the laser beam on the layer,
  • - die Vorschubgeschwindigkeit des Auftreffpunkts der Laserstrahlung in Streifenbildungsrichtung.- The feed speed of the point of impact of the laser radiation in the direction of banding.

Die Versuche wurden überdies mit verschiedenen Rohmaterialpulvern durchgeführt. The experiments were also carried out with various raw material powders carried out.  

Insgesamt ergaben sich folgende Tendenzen:
The overall tendencies were as follows:

  • - Bei Streifenbildung mit geringem Energieeintrag des Laserstrahls und sehr kleiner Vorschubgeschwindigkeit des Auftreffpunktes des Strahls auf der Schicht neigt insbesondere Stahlpulver dazu, zu kugelartigen Clustern zu verschmelzen, die mehr oder weniger gleichmäßig ineinander übergehen. Die zusammenhängend verfestigten Bereiche sind teils löchrig und inhomogen. Die Oberflächenqualität eines auf der Basis solcher Spuren hergestellten Formkörpers ist nicht sehr gut.- With streaking with low energy input of the laser beam and very low feed speed of the point of impact Steel powder in particular tends to clog spherical clusters to merge, the more or less merge evenly. The contiguous solidified areas are partially holey and inhomogeneous. The Surface quality of one made on the basis of such traces Shaped body is not very good.
  • - Bei Streifenbildung mit großem Energieeintrag der Strahlung in das pulverförmige Rohmaterial treten Effekte wie starke unkontrollierte Verdampfung des Materials und das Entstehen von Materialspannungen auf. Die Oberflächenqualität eines Formkörpers, dessen Randkontur mit Schmelzspuren gebildet wurde, welche mit sehr großem Energieeintrag und vergleichsweise geringer Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls erzeugt wurden, ist ebenfalls gering. Durch Vergrößerung der Vorschub­ geschwindigkeit bei unverändert hoher Laserleistung konnten bessere Ergebnisse hinsichtlich der Homogenität des zusammenhängend verfestigten Materials und hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit des fertiggestellten Formkörpers erzielt werden.- When streaking with large energy input of the radiation in the powdery raw material, effects such as strong uncontrolled occur Evaporation of the material and the emergence of Material tensions. The surface quality of a Shaped body, the edge contour formed with traces of melting was, which with very large energy input and comparatively low feed speed of the laser beam was generated, is also low. By increasing the feed speed with unchanged high laser power better results regarding the homogeneity of the coherently solidified material and in terms of Surface quality of the finished molded body achieved become.

Die Ergebnisse der vorstehend angesprochenen Versuche zur Erzeugung von Schmelzspuren bzw. Schmelzstreifen zum Zwecke der Herstellung von Formkörpern aus pulverförmigem Rohmaterial haben nahegelegt, dass es zur Erzeugung gleichmäßiger Schmelzstreifen günstig ist, mit relativ großer Laserleistung und mit einer Mindestvorschubgeschwindigkeit des Auftreffpunktes des Strahls auf der betreffenden Pulverschicht zu bestrahlen. Der Energieeintrag durch die Strahlung sollte daher jeweils groß genug sein, dass das Material lokal so stark erhitzt wird, dass seine Temperatur sicher die Schmelztemperatur überschreitet. Die Vorschubgeschwindigkeit des Auftreffpunkts des Strahls sollte so gewählt werden, dass unerwünschte Verdampfungseffekte des Materials möglichst gering bleiben. Aber selbst unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse ist es schwierig, die Parameter bei der Prozessführung so festzulegen, dass zufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich der Materialhomogenität bzw. der Oberflächenqualität erzielt werden.The results of the generation attempts discussed above traces of melting or melting strips for the purpose of production of moldings from powdered raw material have suggested that it is favorable for producing uniform melting strips, with relative  high laser power and with a minimum feed rate of Point of impact of the beam on the powder layer concerned irradiate. The energy input from the radiation should therefore always be large enough that the material is locally heated to such an extent that its Temperature surely exceeds the melting temperature. The Feed speed of the point of impact of the beam should be chosen in this way that undesirable evaporation effects of the material stay as low as possible. But even considering this Results it is difficult to control the parameters in the process determine that satisfactory results in terms of Material homogeneity or surface quality can be achieved.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bereitzustellen, welches eine gleichmäßige und homogene Ausbildung von zusammenhängend verfestigten Bereichen und insbesondere von gleichmäßigen und homogenen Randkonturstreifen ermöglicht.The invention has for its object a method of im Provide the preamble of claim 1 type, which a uniform and homogeneous formation of coherent solidified areas and in particular of uniform and allows homogeneous edge contour strips.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass man - ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art - bei der Streifenbildung den Strahl relativ zu der Schicht so führt, dass sein Auftreffpunkt auf der Schicht eine in Streifenlängsrichtung vor- und zurücklaufende Bewegungskomponente oder ggf. vorlaufende und zurückspringende bzw. vorspringende und zurücklaufende Bewegungs­ komponente aufweist und einen resultierenden Vorschub in Streifen­ bildungsrichtung (X) erfährt.To solve this problem, the invention proposes that one - starting from a method of the type mentioned at the beginning - at the banding guides the beam relative to the layer so that its Impact point on the layer forward and in the longitudinal direction of the strip backward motion component or forward and recessed or projecting and retreating movement component and a resulting feed in strips direction of education (X).

Dabei geht man in besonders bevorzugter Weise so vor, dass man bei der Streifenbildung bzw. Randkonturbildung den Strahl relativ zu der Schicht so führt, dass sich sein Auftreffpunkt auf der Schicht längs der Streifenbildungsspur bzw. der Randkontur abwechselnd vor- und zurück­ bewegt und der Auftreffpunkt dabei Stellen innerhalb der jeweiligen Streifenbildungsspur in der betreffenden Schicht wiederholt überstreicht.In a particularly preferred manner, one proceeds in such a way that the Streaking or edge contouring the beam relative to the layer  leads to the point of impact on the layer along the Streak formation or the edge contour alternately back and forth moves and the point of impact within the respective Repeated streaking in the relevant layer.

Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Art der Strahlführung die Erzeugung von sehr gleichmäßigen Schweißraupen oder Schmelzstreifen ermöglicht, wobei es nicht erforderlich und auch nicht empfehlenswert ist, dass man das Rohmaterial im Bereich des Auftreff­ punktes des Strahls wesentlich über das Erreichen der Schmelztemperatur hinaus erhitzt. Durch ein wiederholtes Bestrahlen des jeweiligen in Streifenbildungsrichtung vorderen Bereichs der Streifenbildungsspur kommt es zu einer effizienten Durchschmelzung des Bereichs und zu einer gleichmäßigen Verschmelzung mit einer etwaigen unteren Nachbarspur, wobei jedoch unerwünschte Materialverdampfungseffekte dadurch unterbunden werden können, dass man die Laserleistung entsprechend einstellt, so dass in dem jeweils bestrahlten Bereich die Schmelztemperatur zwar erreicht, aber nicht wesentlich überschritten wird. Man erreicht auf diese Weise nicht nur eine sehr gleichmäßige Ausbildung der Randkontur des Formkörpers in einer betreffenden Schicht, sondern auch eine sehr gleichmäßige Verschmelzung der die Außenoberfläche des Formkörpers bildenden Verfestigungsspuren untereinander, so dass der Formkörper nach Fertigstellung eine geringe Oberflächenrauigkeit aufweist.It has been shown that the type of Beam guidance the generation of very even weld beads or Melting strip allows, it is not necessary and also not It is recommended that the raw material in the area of the impact point of the beam substantially above reaching the melting temperature heated out. By repeatedly irradiating the respective in Banding direction front area of the banding track there is an efficient melting of the area and one uniform merging with any lower neighboring track, however, causing undesirable material evaporation effects can be prevented that the laser power accordingly adjusts so that the Melting temperature reached, but not significantly exceeded becomes. In this way you not only achieve a very uniform Formation of the edge contour of the shaped body in a relevant layer, but also a very even fusion of the Traces of hardening forming the outer surface of the molded body with each other, so that the molded body has a small after completion Has surface roughness.

Wenngleich eine Strahlführung mit in longitudinaler Streifenbildungs­ richtung jeweils nur vor- und zurücklaufendem Strahlauftreffpunkt, insbesondere bei der Randkonturbildung bevorzugt wird, kann es im Rahmen der Erfindung mit Vorteilen insbesondere im Hinblick auf eine einfache Möglichkeit der Streifenbreiteneinstellung bzw. wahlweisen Streifenbreitenvariierung vorgesehen sein, dass man bei der Streifen­ bildung den Strahl relativ zu der Schicht so führt, dass der in Streifenlängsrichtung vor und zurücklaufenden Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes zumindest abschnittsweise eine quer zur Streifenlängsrichtung hin- und herlaufende transversale Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes innerhalb der Streifenbildungsspur überlagert ist.Although a beam guidance with in longitudinal banding Direction of the incoming and outgoing beam impact point only is particularly preferred when forming the edge contour, it can be in  Framework of the invention with advantages in particular with regard to a simple possibility of strip width adjustment or optional Stripe width variation should be provided that one with the stripe forming the beam relative to the layer so that the in Strip longitudinal direction forward and returning motion component of the beam impact point at least in sections transverse to Strip longitudinally reciprocating transverse Movement component of the beam impact point within the Banding track is overlaid.

Das Konzept des Mehrfachbestrahlens einer Kontur mit in der betreffenden Konturspur bleibendem Auftreffpunkt des Strahls lässt sich steuerungstechnisch bzw. softwaretechnisch ohne nennenswerten Mehraufwand im Vergleich mit konventionellen Verfahren der gattungsgemäßen Art realisieren. Dabei können jeweils die ohnehin zur Beschreibung der Randkontur erforderlichen Geometriebeschreibungsdaten genutzt werden, indem diese zum Zwecke einer wiederholten Bestrahlung eines Spurbereichs jeweils erneut aufgerufen werden, um die Strahlablenkeinrichtung zur Führung des Strahls entsprechend zu steuern.The concept of multiple irradiation of a contour in the the point of impact of the beam that remains on the contour trace concerned control technology or software technology without any noteworthy Additional effort in comparison with conventional processes of realize generic type. You can use the anyway Description of the edge contour required geometry description data can be used by this for the purpose of repeated irradiation of a track area can be called up again each time To control the beam deflection device for guiding the beam accordingly.

Es ist im Rahmen der Erfindung gleichbedeutend, ob man zur Erzielung des gewünschten Erfolgs den Strahl relativ zu der zu bestrahlenden Schicht bewegt oder ob man bei festgehaltenem Strahl die Schicht entsprechend bewegt, um eine überlappend wiederholte Bestrahlung in Streifenbildungs­ richtung aufeinander folgender Spurbereiche zu erzielen.It is synonymous within the scope of the invention, whether to achieve the desired success the beam relative to the layer to be irradiated moved or whether you move the layer accordingly while holding the beam moved to overlap repeated radiation in banding direction of successive track areas.

Das erfindungsgemäße Konzept der spurweisen Bestrahlung der Schicht mit in Streifenbildungsrichtung vor- und zurückbewegtem Strahlauftreffpunkt ist nicht nur bei der Randkonturbildung anwendbar, sondern ganz allgemein auch bei der Verfestigung innerer Bereiche des Formkörpers.The inventive concept of lane-wise irradiation of the layer with moving back and forth in the streaking direction Beam impact point is not only applicable for edge contour formation,  but also in general in the consolidation of inner areas of the Molding.

Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens führt man den Strahl bei der Randspurbildung so, dass der Auftreffpunkt bei den jeweili­ gen Rückwärtsbewegungsschritten wenigstens die halbe Strecke der unmittelbar vorausgegangenen Vorwärtsbewegungsschritte zurücklegt. Auf diese Weise wird erreicht, dass im Wesentlichen jeder Bereich der Spur wenigstens zweimal bestrahlt wird.According to a variant of the method according to the invention, the Beam at the edge trace formation so that the point of impact at the respective backward movement steps at least half the distance of the immediately preceding steps of forward movement. In this way it is achieved that essentially every area of the Track is irradiated at least twice.

Es besteht die Möglichkeit, dass man die Schicht bei den Rückwärtsbewe­ gungsschritten mit anderer Strahlungsenergie pro Zeiteinheit und Flächen­ einheit bestrahlt als bei den Vorwärtsbewegungsschritten. So kann man beispielsweise bei den Rückwärtsbewegungsschritten mit anderen Bewe­ gungsgeschwindigkeiten des Auftreffpunktes und/oder mit geänderter Ausdehnung des Auftreffpunktes und/oder mit geänderter Ausgangsleis­ tung der Strahlungsquelle bestrahlen als bei den Vorwärtsbewegungs­ schritten.There is a possibility of moving the layer backwards steps with different radiation energy per unit of time and areas unit irradiated than in the forward movement steps. So you can for example in the backward movement steps with other movements velocities of the point of impact and / or with changed Extension of the point of impact and / or with a modified starting track radiation of the radiation source than with the forward movement reached.

Die Breite der nach dem erfindungsgemäßen Bestrahlungskonzept erzeug­ ten Verfestigungsspur kann in bestimmten Grenzen durch die Wahl der Leistung der Strahlungsquelle, der Ausdehnung des Auftreffpunktes des Strahls auf der Schicht, der Bewegungsgeschwindigkeit des Auftreffpunk­ tes auf der Schicht oder/und der Häufigkeit des Überstreichens der betref­ fenden Spur mit dem Auftreffpunkt moduliert werden. Versuche haben gezeigt, dass es ohne weiteres möglich ist, mit einem 60 W-Infrarotlaser etwa bis hin zu 1 mm breite, in sich homogen und dicht ausgebildete Verfestigungsstreifen bzw. Schweißraupen in Edelstahlpulver zu erzeugen. Baut man derartige Befestigungsstreifen Schicht für Schicht in vertikaler Richtung aufeinander auf, so lassen sich nach der vorliegenden Erfindung bedarfsweise sehr dünne (in der Draufsichtsprojektion einspurige oder ggf. mehrspurige) Wände erzeugen, die gute Oberflächenqualität aufweisen und dicht sind. Das Herstellen solcher filigraner Wandstrukturen aus Metallen oder ggf. aus Keramik war bisher nur mit erheblich größerem Aufwand möglich.The width of the generated according to the radiation concept according to the invention The hardening track can be selected within certain limits Power of the radiation source, the extent of the point of impact of the Beam on the layer, the speed of movement of the point of impact tes on the shift and / or the frequency of sweeping over the concerned can be modulated with the point of impact. Have attempts shown that it is easily possible with a 60 W infrared laser up to 1 mm wide, homogeneous and dense To produce hardening strips or welding beads in stainless steel powder. If one builds such fastening strips layer by layer in vertical Towards each other, so according to the present invention  if necessary, very thin (single track in the top view projection or possibly create multi-lane) walls with good surface quality and are dense. The manufacture of such filigree wall structures Metals or possibly made of ceramics was previously only with a much larger one Effort possible.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei diese Vorrichtung eine Trägervorrichtung für den zu erstellenden Formkörper, Mittel zur Präparierung einer jeweiligen, nächstfolgend zumindest bereichsweise zu verfestigenden Rohmaterialschicht auf der Trägervorrichtung bzw. auf einer vorausgehend präparierten und bestrahlten Schicht, eine Strahlungsquelle zur Bereitstellung eines gebündelten Strahls zur Verfestigung bzw. Verschmelzung des Rohmaterials in einer betreffenden Schicht, eine Strahlablenkeinrichtung zur gesteuerten Ablenkung des Strahls und eine programmierbare Steuereinrichtung zur Steuerung der Strahlablenkeinrichtung umfasst, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Strahlablenkeinrichtung auf der Basis von Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers zwecks Bildung eines Streifens zusammenhängend verfestigten Materials, insbesondere eines Randabschnittes des Formkörpers in einer betreffenden Schicht so zu steuern, dass der Auftreffpunkt des gesteuert abgelenkten Strahls auf der Schicht eine in longitudinaler Streifenbildungsrichtung, also Streifenlängs­ richtung vor- und zurücklaufende Bewegungskomponente aufweist, wobei die Vorwärtsbewegungsschritte dieser Komponente relativ zu den Rückwärtsbewegungsschritten so bemessen sind, dass ein resultierender Vorschub des Auftreffpunktes in longitudinaler Streifenbildungsrichtung entsteht. The invention also relates to a device for carrying it out of the inventive method, which device Carrier device for the molded body to be created, means for Preparation of a respective one, next at least in areas solidifying raw material layer on the carrier device or on a previously prepared and irradiated layer, one Radiation source for providing a bundled beam for Solidification or fusion of the raw material in one Layer, a beam deflection device for controlled deflection of the Beam and a programmable controller to control the Beam deflecting device, wherein the control device is set up, the beam deflecting device on the basis of Geometry description data of the shaped body in order to form a Strip of coherently solidified material, especially one Edge section of the shaped body in a layer concerned control that the point of impact of the controlled deflected beam on the Layer one in the longitudinal streaking direction, i.e. stripe lengthwise has direction of movement back and forth, the steps of advancing this component relative to the Backward movement steps are dimensioned so that a resulting Advancement of the point of impact in the longitudinal direction of banding arises.  

Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Strahlablenkeinrichtung zwecks Bildung des Streifens so zu steuern, dass der Auftreffpunkt Stellen innerhalb der jeweiligen Streifenbildungsspur auf der betreffenden Schicht wiederholt überstreicht.The control device is preferably set up to: To control the beam deflection device to form the strip so that the point of impact set up within the respective banding track repeatedly covers the layer concerned.

Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Strahlablenkeinrichtung zwecks Bildung des Streifens so zu steuern, dass der in Streifenlängsrichtung vor und zurücklaufenden Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes zumindest abschnittsweise eine quer zur Streifenlängsrichtung hin- und herlaufende Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes innerhalb der Streifenbildungsspur überlagert ist. Dabei kann die Strahlführung z. B. so organisiert sein, dass der Auftreffpunkt bei den jeweiligen longitudinalen Rückwärtsbewegungsschritten wenigstens die halbe Strecke der unmittelbar vorausgegangenen Vorwärtsbewegungsschritte zurücklegt.According to one embodiment of the device according to the invention Control device set up for the purpose of the beam deflection device Control formation of the strip so that it is in the longitudinal direction of the strip and returning motion component of the beam impact point at least in sections back and forth transversely to the longitudinal direction of the strip running motion component of the beam impact point within the banding track is overlaid. The beam guidance z. B. be organized so that the point of impact at the respective longitudinal backward movement steps at least half Range of the immediately preceding steps of forward movement travels.

Die Schrittlängen und das Schrittlängenverhältnis zwischen Vorwärtsschritt und Rückwärtsschritt können wahlweise eingestellt und verändert werden.The stride lengths and the stride length ratio between Forward step and backward step can optionally be set and to be changed.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.The invention will now be described with reference to the figures explained.

Fig. 1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung eine Vorrich­ tung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung auf der Basis der Methode des selektiven Laserschmelzens. Fig. 1 shows a highly schematic representation of a Vorrich device for performing the method according to the invention on the basis of the method of selective laser melting.

Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Beispiel eines Formkörpers. Fig. 2 shows an example of a shaped body in a perspective view.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Pulverschicht, die entsprechend dem Querschnitt des Formkörpers gemäß Fig. 2 bereichsweise durch Bestrahlung befestigt worden ist. FIG. 3 shows a plan view of a powder layer which has been attached in regions by irradiation in accordance with the cross section of the shaped body according to FIG. 2.

Fig. 4 zeigt in Momentaufnahmen eine Sequenz der Bildung einer Schmelzspur durch Bestrahlen einer präparierten Pulver­ schicht. Fig. 4 shows in snapshots a sequence of the formation of a melt trace by irradiating a prepared powder layer.

Fig. 5 zeigt in einem Diagramm das Orts-/Zeitverhalten des Auftreffpunkts des Strahls bei Bestrahlung entsprechend der Sequenz in Fig. 4. Fig. 5, the location / time behavior is a diagram showing the point of impingement of the beam on irradiation corresponding to the sequence in Fig. 4.

Fig. 6 zeigt schematisch einen vergrößert dargestellten Streifen aktuell umgeschmolzenen Materials mit eingezeichneter Bewegungslinie des Strahlauftreffpunktes. Fig. 6 shows schematically an enlarged strip of currently remelted material with a drawn line of movement of the beam impact point.

Fig. 7 zeigt eine Bewegungslinie des Strahlauftreffpunktes in einer Darstellung ähnlich der der Fig. 6. FIG. 7 shows a movement line of the beam impact point in a representation similar to that of FIG. 6.

Fig. 1 zeigt in einer stark vereinfachten schematisierten Darstellung ein Beispiel einer Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen von einem ein­ komponentigen oder mehrkomponentigen Pulver, vorzugsweise Metallpul­ ver. Eine detailliertere Darstellung eines Beispiels einer solchen Vorrichtung ist in der DE 199 05 067 A1 zu finden. Fig. 1 shows an example in a highly simplified schematic representation of an apparatus for selective laser melting of a one-component or multi-component powder, preferably Metallpul ver. A more detailed illustration of an example of such a device is to be found in DE 199 05 067 A1.

Gemäß Fig. 1 umfasst die Vorrichtung einen Trägerbehälter 2, der sich in einer (nicht gezeigten) Prozessraumkammer befindet, welche mit Schutz­ gaszuführ- und -abführmitteln für die kontinuierliche Durchspülung der Prozessraumkammer mit Schutzgas ausgestattet ist. Es können ferner steuerbare Mittel zum Vorheizen oder/und zum Kühlen des Trägerbehälterinhaltes vorhanden sein.Referring to FIG. 1, the apparatus comprising a support container 2 is located in a process chamber space (not shown), which gas supply with protection and -abführmitteln for continuous flushing of the process space chamber is provided with a protective gas. Controllable means for preheating and / or cooling the contents of the carrier container can also be present.

Der Trägerbehälter 2 ist vertikal verstellbar, wobei die Verstellung mittels eines Vertikalverschiebungsantriebs 12 erfolgen kann, der von einem Steuerrechner 10 nach Maßnahme eines Programms gesteuert wird. Der Steuerrechner 10 dient darüber hinaus zur Steuerung der Strahlungsquelle 18, des Strahlablenksystems 20 und ggf. der Fokussieroptik 21. In dem Trägerbehälter 2 befindet sich im Beispielsfall das Rohmaterialpulver 4 und der bereits fertiggestellte Teil des herzustellenden Formkörpers 8.The carrier container 2 is vertically adjustable, the adjustment being able to be carried out by means of a vertical displacement drive 12 , which is controlled by a control computer 10 after a program has been implemented. The control computer 10 also serves to control the radiation source 18 , the beam deflection system 20 and possibly the focusing optics 21 . In the carrier case 2 , the raw material powder 4 and the part of the molded body 8 to be produced, which is already finished, are located in the example.

Die Herstellung des Formkörpers 8 erfolgt schichtweise dadurch, dass man zunächst eine erste Pulverschicht in dem Trägerbehälter 2 präpariert, wobei der Trägerbehälter 2 von dem Vertikalverschiebungsantrieb 12 so weit nach oben hin verfahren worden ist, dass die mittels der schematisch angedeuteten Schichtenpräparatorbaugruppe 22 geglättete erste Schicht mit ihrer Oberfläche in Höhe der Ebene T liegt, in der der ablenkbare Strahl 16 normalerweise fokussiert ist. Nach Maßgabe der Steuerung durch den Steuerungsrechner 10 erfolgt dann die Bestrahlung des pulverförmigen Rohmaterials 4 entsprechend einem der ersten Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers. Die Bestrahlung erfolgt mit dem fokussierten Laserstrahl 16 des Lasers 18. Zur gezielten Ablenkung des Laserstrahls 16 dient die XY-Scannereinrichtung 20 mit zwei relativ zueinander bewegbaren Ablenkspiegeln. Die Scannereinrichtung wird vom Steuerrechner 10 nach Maßgabe von Daten gesteuert, welche auf CAD- Beschreibungsdaten des zu erstellenden Formkörpers 8 zurückgehen.The molded body 8 is produced in layers by first preparing a first powder layer in the carrier container 2 , the carrier container 2 having been moved so far upwards by the vertical displacement drive 12 that the first layer smoothed by means of the schematically indicated layer preparator assembly 22 their surface lies at the level of the plane T, in which the deflectable beam 16 is normally focused. In accordance with the control by the control computer 10 , the powdered raw material 4 is then irradiated in accordance with a cross-sectional pattern of the shaped body assigned to the first layer. The irradiation takes place with the focused laser beam 16 of the laser 18 . The XY scanner device 20 with two deflecting mirrors which can be moved relative to one another is used for the targeted deflection of the laser beam 16 . The scanner device is controlled by the control computer 10 in accordance with data which are based on CAD description data of the molded body 8 to be created.

Es sei darauf hingewiesen, dass gemeinsam mit einem Formkörper ggf. auch eine Stützkonstruktion für etwaige überhängende Bereiche hergestellt werden kann. Im Beispielsfall hat der Formkörper 8 keine überhängenden Bereiche.It should be pointed out that, together with a molded body, a support structure for any overhanging areas can also be produced. In the example, the molded body 8 has no overhanging areas.

Nachdem eine erste Formkörperschicht durch entsprechendes Verschmel­ zen des Rohmaterialpulvers 4 gebildet wurde, steuert der Steuerrechner 10 den Verschiebeantrieb 12 an, so dass dieser den Behälter 2 um das Maß der Dicke der nachfolgend zu präparierenden Schicht absenkt. Über der bereits bestrahlten Schicht wird dann unter Verwendung der Schichtenpräparatorbaugruppe 22 die nächste Schicht präpariert. Danach kann der nächste Belichtungsschritt erfolgen. Die genannten Schritte werden insoweit wechselweise wiederholt, bis der Formkörper 8 fertiggestellt ist.After a first molded body layer has been formed by appropriately fusing the raw material powder 4 , the control computer 10 controls the displacement drive 12 so that it lowers the container 2 by the measure of the thickness of the layer to be subsequently prepared. The next layer is then prepared over the layer already irradiated using the layer preparator assembly 22 . The next exposure step can then take place. The steps mentioned are repeated alternately until the molded body 8 is finished.

Grundsätzlich lassen sich Formkörper unterschiedlichster Formgestaltungen unter Nutzung des hier betrachteten Verfahrens nach der Erfindung herstellen. Ein relativ einfach gestalteter Formkörper 8 ist in Fig. 2 perspektivisch dargestellt. Üblicherweise ist man daran interessiert, die Formkörper 8 ganz allgemein mit geringer Oberflächenrauigkeit und möglichst ohne Riffelung der Oberflächenstruktur herzustellen. Eine Riffelungsstruktur entsteht, wenn die aufeinander folgend verfestigten Schichten des Formkörpers 8 in den Randkonturabschnitten ungleichmäßig ineinander übergehen. Überdies ist es normalerweise erwünscht, dass die zusammenhängend verfestigten Bereiche eines Formkörpers 8 insgesamt homogen ausgebildet sind. Basically, moldings of various shapes can be produced using the method according to the invention considered here. A relatively simply shaped body 8 is shown in perspective in FIG. 2. Usually, one is interested in producing the shaped bodies 8 in general with a low surface roughness and, if possible, without corrugation of the surface structure. A corrugation structure arises when the successively solidified layers of the molded body 8 merge into one another unevenly in the edge contour sections. In addition, it is normally desirable for the coherently solidified regions of a molded body 8 to be homogeneous overall.

Wie bereits oben erläutert, war es bisher schwierig, diese unerwünschten Effekte der Oberflächenrauigkeit bei der Herstellung von Formkörpern nach der Methode des selektiven Laserschmelzens oder nach der Methode des selektiven Lasersinterns zu vermeiden. Die vorliegende Erfindung bietet diesbezüglich wesentliche Verbesserungen.As explained above, it has been difficult to avoid these undesirable Effects of surface roughness in the manufacture of moldings after the method of selective laser melting or the method of to avoid selective laser sintering. The present invention provides significant improvements in this regard.

Zur weiteren Erläuterung wird auf Fig. 3 verwiesen, in der ausschnittsweise eine Draufsicht auf eine betreffende Pulverschicht in dem Behälter 2 gemäß Fig. 1 dargestellt ist. Zu erkennen ist auch ein bereits durch Bestrahlen dieser Schicht zusammenhängend verfestigter Bereich mit der Form des Querschnitts des Formkörpers 8 aus Fig. 2. In nicht maßstäblicher Darstellung sind in Fig. 3 Spuren K1. . .Kn eingezeichnet, längs denen der Auftreffpunkt des Laserstrahls 16 (Fig. 1) jeweils durch Ablenken des Strahls geführt wurde, um den zusammenhängend verfestigten Bereich in der betreffenden Schicht zu bilden.For further explanation, reference is made to FIG. 3, in which a partial plan view of a powder layer in question is shown in the container 2 according to FIG. 1. An area which has already been solidified by irradiation of this layer with the shape of the cross section of the shaped body 8 from FIG. 2 can also be seen . Traces K1 are not shown in scale in FIG. 3. , .Kn drawn, along which the point of incidence of the laser beam 16 ( Fig. 1) was each guided by deflecting the beam to form the cohesive solidified area in the layer concerned.

Die Spur K1 ist eine Randkonturspur, die in der betreffenden Schicht die äußere Randkontur des Formkörpers 8 definiert. Die Oberflächenqualität des herzustellenden Formkörpers 8 hängt wesentlich von der gleichmäßi­ gen Verschmelzung und Ausprägung der die Außenoberflächen bildenden Randkonturspuren ab. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Randspuren K1 bzw. Kn in Form von zusammenhängend verfestigten Schmelzstreifen oder Schweißraupen gleichmäßiger Ausprä­ gung zu erzeugen und insbesondere die oben beschriebenen Effekte der Schmelzkugelbildung bzw. der weitgehend unkontrollierten Materialver­ dampfung, wie sie bei Laserschmelzverfahren nach dem Stand der Technik auftreten, zu unterdrücken. The track K1 is an edge contour trace which defines the outer edge contour of the molded body 8 in the layer in question. The surface quality of the molded body 8 to be produced essentially depends on the uniform merging and expression of the edge contour traces forming the outer surfaces. According to the method of the present invention, it is possible to produce marginal traces K1 or Kn in the form of solidified melt strips or weld beads of uniform shape, and in particular the above-described effects of melt ball formation or the largely uncontrolled evaporation of materials, such as that used in laser melting processes State of the art occur to suppress.

Zur Erläuterung einer bevorzugten Vorgehensweise bei der Bestrahlung des Rohmaterialpulvers 4 zur Erzeugung von Randkonturen K1 oder Kn wird nachstehend auf die Fig. 4 und 5 Bezug genommen. Fig. 4 zeigt in idealisierter Darstellung eine Sequenz von Momentaufnahmen bei der Bildung eines Streifens bzw. einer Spur K zusammenhängend verfestigten Materials durch selektives Bestrahlen des Rohmaterialpulvers 4 mit einer Vorrichtung, wie sie schematisch in Fig. 1 gezeigt ist. Fig. 5 zeigt ein Weg(X)-Zeit(t)-Diagramm des Auftreffpunktes 30 des Laserstrahls 16. X bezeichnet den Ort des Auftreffpunkts 30 auf der zu bildenden Spur. In der Situation A gemäß Fig. 4 ist der Auftreffpunkt 30 um einen Vorwärtsbewegungsschritt V in Spurbildungsrichtung X bewegt worden. Die Situation A in Fig. 4 korrespondiert mit dem Zeitpunkt t1 in Fig. 5. In einem in Fig. 4 beispielhaft angegebenen Umgebungsbereich U des Auftreffpunktes 30 liegt die Temperatur des Materials 4 oberhalb der Schmelztemperatur, so dass eine Verschmelzung des Pulvermaterials 4 unter Bildung eines weiteren Abschnittes des Streifens K stattfindet. Die Laserleistung wird vorzugsweise so gewählt, dass das Material 4 aufgrund der Strahlungsabsorption in dem Umgebungsbereich U nicht erheblich über die Schmelztemperatur hinaus erhitzt wird. Abdampfeffekte können so weitgehend unterdrückt werden. Zu dem Zeitpunkt t1 in Fig. 5 entsprechend der Situation A in Fig. 4 befindet sich der Auftreffpunkt 30 des Laserstrahls 16 an einem Umkehrpunkt seiner Bewegung. Der Laserstrahl wird dann so geführt, dass der Auftreffpunkt 30 längs der Spur K einen Rückwärtsschritt R ausführt, wie dies in der Situation B in Fig. 4 angedeutet ist. Der Rückwärtsschritt R ist nur halb so groß wie der vorausgegangene Vorwärtsschritt V gemäß Situation A in Fig. 4. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass der wiederholt durch Bestrahlung erhitzte Bereich der Spur K eine gleichmäßige Durchschmelzung in sich erfährt und ferner eine gute Verschmelzung der Schmelzspur K mit einer etwaig darunterliegenden, in einem vorherigen Belichtungsschritt erzeugten Schmelzspur stattfindet. Die Situation B in Fig. 4 korrespondiert mit dem Zeitpunkt t2 in Fig. 5. Der Auftreffpunkt 30 befindet sich somit wieder an einem Umkehrpunkt seiner Bewegung. Aus­ gehend von diesem Umkehrpunkt wird der Laserstrahl 16 nun in Spurbil­ dungsrichtung X so geführt, dass sein Auftreffpunkt 30 gemäß Situation C in Fig. 4 einen Vorwärtsschritt V macht. Die Situation C in Fig. 4 korrespondiert mit dem Zeitpunkt t3 in Fig. 5. Der Auftreffpunkt 30 des Laserstrahls 16 befindet sich somit wieder an einem Umkehrpunkt seiner Bewegung, von dem aus er wiederum einen Rückwärtsschritt R längs der Schmelzspur K macht, wie dies in der Situation D in Fig. 4 angedeutet ist. Der Rückwärtsschritt R ist wiederum nur halb so groß wie der vorausge­ gangene Vorwärtsschritt V. Ausgehend von der Situation D folgt dann wieder ein Vorwärtsschritt V des Auftreffpunktes 30 in Spurbildungsrich­ tung X, wie dies in Situation E gezeigt ist. Dem Vorwärtsschritt gemäß Situation E folgt dann zum Zeitpunkt t5 wieder ein halb so großer Rück­ wärtsbewegungsschritt. Da die Vorwärtsbewegungsschritte V größer sind als die Rückwärtsbewegungsschritte R, kommt es zu einer resultierenden Vorschubbewegung des "behutsam" aufgeschmolzenen Bereichs U und des Auftreffpunktes 30 in Spurbildungsrichtung X.To explain a preferred procedure for the irradiation of the raw material powder 4 to produce edge contours K1 or Kn, reference is made below to FIGS. 4 and 5. FIG. 4 shows an idealized representation of a sequence of snapshots during the formation of a strip or a track K of coherently solidified material by selective irradiation of the raw material powder 4 with a device as is shown schematically in FIG. 1. FIG. 5 shows a path (X) -time (t) diagram of the point of incidence 30 of the laser beam 16 . X denotes the location of the point of impact 30 on the track to be formed. In situation A according to FIG. 4, the point of impact 30 has been moved by a forward movement step V in the track formation direction X. The situation A in Fig. 4 corresponds to the time t 1 in Fig. 5. In an example shown in Fig. 4 surrounding area U of the impact point 30, the temperature of the material 4 is above the melting temperature, so that a fusion of the powder material 4 to form another section of the strip K takes place. The laser power is preferably selected such that the material 4 is not heated significantly above the melting temperature due to the radiation absorption in the surrounding area U. Evaporation effects can thus be largely suppressed. At time t 1 in FIG. 5 corresponding to situation A in FIG. 4, the point of incidence 30 of the laser beam 16 is at a reversal point of its movement. The laser beam is then guided in such a way that the point of incidence 30 executes a backward step R along the track K, as indicated in situation B in FIG. 4. The backward step R is only half as large as the previous forward step V according to situation A in FIG. 4. This measure ensures that the region of the track K which has been repeatedly heated by irradiation undergoes a uniform melting and furthermore a good fusion of the melting track K takes place with a possibly underlying melting trace generated in a previous exposure step. The situation B in FIG. 4 corresponds to the time t 2 in FIG. 5. The point of impact 30 is thus again at a reversal point of its movement. Starting from this reversal point, the laser beam 16 is now guided in the direction of track formation X such that its point of incidence 30 makes a forward step V according to situation C in FIG. 4. The situation C in FIG. 4 corresponds to the time t 3 in FIG. 5. The point of incidence 30 of the laser beam 16 is thus again at a reversal point of its movement, from which it in turn makes a backward step R along the melting trace K, as is the case here is indicated in situation D in FIG. 4. The backward step R is in turn only half as large as the previous forward step V. Starting from the situation D, a forward step V of the point of impact 30 follows in the direction of formation X, as shown in situation E. The forward step according to situation E is then followed by a backward movement step which is half as large at time t 5 . Since the forward movement steps V are larger than the backward movement steps R, there is a resulting advance movement of the "gently" melted area U and the point of impact 30 in the track formation direction X.

Es wurde beobachtet, dass gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn man die Laserleistung und die Ablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls bei einem gegebenen Rohmaterial 4 so einstellt, dass die Breite Wb des Schmelzstreifens K mindestens das 1,5-fache des in paralleler Richtung dazu gemessenen Durchmessers Sp des Auftreffpunktes 30 beträgt.It has been observed that good results can be achieved if the laser power and the deflection speed of the laser beam are adjusted for a given raw material 4 such that the width Wb of the melting strip K is at least 1.5 times the diameter Sp of the point of impact is 30 .

Sehr gute Ergebnisse wurden mit einem 40 Watt-Laser erzielt, dessen Strahl so fokussiert wurde, dass sein Auftreffpunkt 30 auf der Schicht eine Ausdehnung von etwa 150 µm hatte, wobei eine Schmelzspur mit einer Breite Wb von etwa 400 µm erzeugt wurde.Very good results were achieved with a 40 watt laser, the beam of which was focused in such a way that its point of incidence 30 on the layer had an extent of approximately 150 μm, a melting trace having a width Wb of approximately 400 μm being produced.

Ebenso gute Ergebnisse wurden mit einem 60 Watt-Laser erreicht, dessen Strahl so fokussiert wurde, dass sein Auftreffpunkt 30 auf der betreffenden Pulverschicht eine Ausdehnung von etwa 200 µm hatte, wobei eine Schmelzspurbreite Wb von etwa 500 µm erzeugt wurde. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Strahlauftreffpunktes 30 während eines Schrittes V bzw. R lag in den Beispielsfällen bei etwa 0,1 bis 0,15 m/s. Es wurde ein IR-Laser mit einer Emissionswellenlänge von 1064 nm verwendet. Das eingesetzte Rohmaterial war Edelstahlpulver mit einer Pulverkörnung von etwa 10 µm-50 µm. Die präparierten Rohmaterialschichten hatten eine Schichtdicke von ca. 50 µm.Equally good results were achieved with a 60 watt laser, the beam of which was focused in such a way that its point of incidence 30 on the powder layer concerned had an extent of approximately 200 μm, a melting track width Wb of approximately 500 μm being produced. The speed of movement of the beam impact point 30 during a step V or R was approximately 0.1 to 0.15 m / s in the example cases. An IR laser with an emission wavelength of 1064 nm was used. The raw material used was stainless steel powder with a powder grain size of about 10 µm-50 µm. The prepared raw material layers had a layer thickness of approx. 50 µm.

Bisher wurde davon ausgegangen, dass der Auftreffpunkt 30 des Laser­ strahls bei seinen Schritten V und R eine kontinuierliche Bewegung auf der zu bestrahlenden Schicht erfährt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Schritte V und R jedoch in diskrete "mikroskopische" Teilschritte unterteilt sein können. Bei einem Ausführungsbeispiel einer nach dem Prinzip gemäß Fig. 1 funktionierenden Vorrichtung nach der Erfindung wird die Strahl­ ablenkeinrichtung 20 so gesteuert, dass sie bei den Schritten V und R den Laserstrahl in kleinen aufeinander folgenden Teilschritten mit einer Schritt­ weite von etwa 100 µm (bei einem Spot-Durchmesser Sp von 200 µm) bewegt. Die Verweildauer des Auftreffpunktes 30 nach jedem Schritt beträgt etwa 1 ms. "Makroskopisch" wirkt diese Art der teilschrittweisen Weiterbewegung des Auftreffpunktes 30 wie eine kontinuierliche Wei­ terbewegung des Auftreffpunktes 30. Mit den Begriffen Vorwärtsbewe­ gungsschritt V bzw. Rückwärtsbewegungsschritt R sind die jeweiligen Gesamtbewegungsphasen des Strahlauftreffpunktes 30 zwischen zwei Umkehrpunkten gemeint.So far, it has been assumed that the impact point 30 of the laser beam with its steps V and R undergoes a continuous movement on the layer to be irradiated. It should be noted that steps V and R can, however, be divided into discrete "microscopic" substeps. In one embodiment of a device according to the invention, which functions according to the principle according to FIG. 1, the beam deflection device 20 is controlled in such a way that, in steps V and R, it detects the laser beam in small, successive partial steps with a step width of approximately 100 μm (at one Spot diameter Sp of 200 µm) moved. The dwell time of the impact point 30 after each step is approximately 1 ms. This type of partial incremental movement of the point of impact 30 acts as "macroscopic" like a continuous further movement of the point of impact 30 . The terms forward movement step V and backward movement step R mean the respective total movement phases of the beam impact point 30 between two reversal points.

Es sei darauf hingewiesen, dass das hier vorgestellte Bestrahlungskonzept nicht nur zur Erzeugung von gleichmäßigen Randkonturen K1 bzw. Kn (vgl. Fig. 3) verwendbar ist, sondern mit Vorteilen im Hinblick auf Strukturhomogenität auch bei der Erzeugung von Schmelzspuren Ki, die später im Inneren des zu erstellenden Formkörpers 8 liegen. Der Verlauf der Streifen K bzw. Spuren K kann abweichend von den gezeigten Beispielen Krümmungen etc. aufweisen, je nach der gewünschten Kontur. Die Schmelzspurbreite Wb ist ganz allgemein bevorzugt größer als der Spotdurchmesser Sp. Bei Erzeugung einer Verfestigungsspur, die einer bereits vorhandenen Verfestigungsspur seitlich unmittelbar parallel benachbart liegt, ist es dann nicht erforderlich, dass der Laserstrahl die vorhandene Spur mit Überlapp bestrahlt, um die Spuren miteinander zu verschmelzen. Der Strahlauftreffpunkt kann im Abstand zur vorhandenen Spur bewegt werden, um die neue Spur zu bilden und mit der vorhandenen Spur zu verschmelzen. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer entsprechend programmierten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens hergestellten Formkörper weisen sehr gute Oberflächeneigenschaften auf.It should be pointed out that the radiation concept presented here can not only be used to produce uniform edge contours K1 or Kn (see FIG. 3), but also with advantages in terms of structural homogeneity when generating melting traces Ki, which are found later on of the molded body 8 to be created. Deviating from the examples shown, the course of the strips K or tracks K can have curvatures, etc., depending on the desired contour. The melting track width Wb is generally preferably larger than the spot diameter Sp. When generating a consolidation track which is immediately adjacent to the side of an already existing consolidation track, it is then not necessary for the laser beam to irradiate the existing track with overlap in order to track the tracks together merge. The beam impact point can be moved at a distance from the existing track in order to form the new track and to merge with the existing track. The moldings produced by the method according to the invention with an appropriately programmed device for carrying out the method have very good surface properties.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass während des Herstel­ lungsprozesses eines Formkörpers unerwünschte Materialverdampfungs­ effekte weitgehend unterdrückt werden können. Dies erleichtert die Pro­ zessführung, da kaum Niederschlag von verdampftem Rohmaterial 4 auf optischen und/oder feinmechanischen Komponenten stattfindet. Another advantage of the method is that undesirable material evaporation effects can be largely suppressed during the production process of a molded body. This facilitates process control since hardly any precipitation of evaporated raw material 4 takes place on optical and / or precision mechanical components.

In Fig. 6 ist schematisch und idealisiert ein vergrößert dargestellter Streifen K aktuell umgeschmolzenen Materials gezeigt. Mit eingezeichnet ist die Bewegungslinie B des Strahlauftreffpunktes 30. Im Unterschied zu der Situation nach Fig. 4 weist die Bewegungslinie B des Strahlauftreffpunktes in Fig. 6 nicht nur eine longitudinale Komponente mit Vorwärtsbewegungsschritten V und Rückwärtsbewegungsschritten R auf, sondern auch eine transversale Komponente T. Durch Änderung der Auslenkung bzw. Größe der Transversalkomponente T kann die Streifenbreite Wb auf einfache Weise variiert werden. In Fig. 6 ist nur ein Beispiel einer Bewegungslinie B des Strahlauftreffpunktes gezeigt. Je nach Steuerung der Strahlablenkung können auch andere Bewegungslinienverläufe mit dem Bestrahlungskonzept nach der Erfindung realisiert werden. Die Bewegungslinien können z. B. die Form von ver­ zerrten (oder intermittierend vorbewegten unverzerrten), in Streifenbildungsrichtung wandernden Lissajousschen Figuren mit einander überlagerten longitudinalen und transversalen Bewegungskomponenten haben. Die Bezeichnung longitudinal bedeutet hier längs der Streifenbildungsrichtung X, also in Streifenlängsrichtung verlaufend. Die Bezeichnung transversal bedeutet hier quer zur Streifenlängsrichtung X verlaufend. In den Fig. 4 und 6 sind die Streifen K und dementsprechend die Streifenlängsrichtung X der Einfachheit halber geradlinig gezeichnet worden. Selbstverständlich können betreffende Streifen K bedarfsweise auch einen gekrümmten Verlauf haben. Die Streifenbildungsrichtung X folgt dann einem entsprechenden Krümmungsverlauf.In Fig. 6 is a schematic and idealized enlarged illustrated strips K currently remelted material shown. The line of movement B of the beam impact point 30 is also shown . In contrast to the situation according to FIG. 4, the movement line B of the beam impact point in FIG. 6 not only has a longitudinal component with forward movement steps V and backward movement steps R, but also a transverse component T. By changing the deflection or size of the transverse component T. the strip width Wb can be varied in a simple manner. In FIG. 6, only one example of a movement line B is shown the Strahlauftreffpunktes. Depending on the control of the beam deflection, other movement line profiles can also be realized with the radiation concept according to the invention. The lines of motion can e.g. B. have the form of ver distorted (or intermittently moved undistorted), wandering in the banding direction Lissajous figures with superimposed longitudinal and transverse movement components. The term longitudinal here means along the stripe formation direction X, that is to say in the stripe longitudinal direction. The term transversal here means transverse to the longitudinal direction X of the strip. In Figs. 4 and 6, the strips K and accordingly, the strip longitudinal direction X are drawn in a straight line for simplicity. Of course, the strips K in question may also have a curved course if necessary. The streaking direction X then follows a corresponding curvature.

Fig. 7 zeigt in einer Darstellung ähnlich der der Fig. 6 ein Beispiel für die Bewegungslinie B des Strahlauftreffpunktes 30, wenn dieser bei den Rückwärtsbewegungen springt (also der Strahl während solcher "makroskopischer" Sprünge r ausgeschaltet bzw. abgeblendet ist). FIG. 7 shows, in a representation similar to that of FIG. 6, an example of the movement line B of the beam impact point 30 when it jumps during the backward movements (that is to say the beam is switched off or dimmed during such “macroscopic” jumps r).

Es werden unter einem Aspekt der Erfindung zusammenfassend ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers nach der Methode des selektiven Laserschmelzens vorgestellt, bei dem man ein Rohmaterialpulver in aufeinander folgend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers zu zu­ sammenhängenden Bereichen verschmelzt, wobei man zur Bildung eines Randabschnittsstreifens des Formkörpers in einer betreffenden Schicht eine spurweise Bestrahlung entsprechend der Kontur des Randabschnitts durchführt, wobei man den Strahl relativ zu der Schicht so führt, dass sein Auftreffpunkt auf der Schicht die Randkontur in longitudinaler Streifenbildungsrichtung zumindest abschnittsweise wiederholt überstreicht.It is summarized in one aspect of the invention Method and an apparatus for producing a shaped body according to presented the method of selective laser melting, in which one Raw material powder in successively prepared layers Irradiate with a laser beam according to one of the respective Layer assigned cross-sectional pattern of the molded body to contiguous areas merged, forming a Edge section strip of the shaped body in a relevant layer a trace of radiation corresponding to the contour of the edge section by guiding the beam relative to the layer so that its point of impact on the layer the edge contour in longitudinal The banding direction is repeated at least in sections sweeps.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (8), bei dem man ein fluides oder pulverförmiges Rohmaterial (4) in aufeinander folgend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit wenigstens einem, insbesondere gesteuert ablenkbaren Strahl, vorzugsweise Laser­ strahl, entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers (8) zu zusammenhängenden Bereichen verfestigt bzw. verschmelzt,
wobei man zur Bildung eines Streifens (K) zusammenhängend ver­ festigten Materials, insbesondere eines Randabschnittes (K1) des Formkörpers in einer betreffenden Schicht den Auftreffpunkt des Strahles auf der Schicht längs einer jeweiligen longitudinalen Streifenbildungsspur bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass man bei der Streifenbildung den Strahl (16) relativ zu der Schicht so führt, dass sein Auftreffpunkt (30) auf der Schicht eine in longitudinaler Streifenbildungsrichtung (X) oszillierend vor- und zurücklaufende oder ggf. vorlaufende und zurückspringende bzw. vorspringende und zurücklaufende Bewegungskomponente aufweist und einen resultierenden Vorschub in Streifenbildungsrichtung (X) erfährt.1. A process for producing a shaped body ( 8 ), in which a fluid or powdery raw material ( 4 ) is prepared in successively prepared layers by irradiation with at least one, in particular controlled, deflectable beam, preferably a laser beam, according to a cross-sectional pattern of the respective layer Shaped body ( 8 ) solidified or fused to coherent areas,
whereby to form a strip (K) of solidified material, in particular an edge section (K1) of the shaped body in a layer in question, the point of incidence of the beam on the layer is moved along a respective longitudinal banding track, characterized in that the banding occurs when the beam is formed ( 16 ) leads relative to the layer in such a way that its point of impact ( 30 ) on the layer has a movement component that oscillates back and forth in the longitudinal streaking direction (X) or possibly leads and returns or jumps back and forth and a resulting feed in the streaking direction (X) experiences. 2. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man bei der Streifenbildung den Strahl (16) relativ zu der Schicht so führt, dass sein Auftreffpunkt (30) Stellen innerhalb der jeweiligen Streifenbildungsspur auf der betreffenden Schicht wiederholt überstreicht.2. The method for producing a shaped body ( 8 ) according to claim 1, characterized in that the beam ( 16 ) is guided relative to the layer during the streaking in such a way that its point of incidence ( 30 ) repeats points within the respective streaking track on the relevant layer sweeps. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man bei der Streifenbildung den Strahl (16) relativ zu der Schicht so führt, dass der in longitudinaler Streifenbildungsrichtung vor und zurücklaufenden Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes (30) zumindest abschnittsweise eine quer zur longitudinalen Streifenbildungsrichtung (X) hin- und herlaufende transversale Bewegungskomponente (T) des Strahlauftreffpunktes innerhalb der Streifenbildungsspur (S) überlagert ist.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that during the streaking of the beam ( 16 ) relative to the layer so that the moving back and forth in the longitudinal streaking direction motion component of the beam impact point ( 30 ) at least in sections transverse to the longitudinal streaking direction (X) reciprocating transverse motion component (T) of the beam impact point is superimposed within the banding track (S). 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man bei der Streifenbildung den Strahl (16) so führt, dass der Auftreffpunkt (30) bei den jeweiligen Rückwärtsbewegungsschritten (R) wenigstens die halbe Strecke der unmittelbar vorausgegangenen Vorwärtsbewegungsschritte (V) zurücklegt.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the beam ( 16 ) is guided during the streak formation in such a way that the point of impact ( 30 ) in the respective backward movement steps (R) covers at least half the distance of the immediately preceding forward movement steps (V) , 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Schicht bei den Rückwärtsbewegungsschritten (R) des Strahlauftreffpunktes (30) mit anderer Strahlungsenergie pro Zeiteinheit und Flächeneinheit be­ strahlt als bei den Vorwärtsbewegungsschritten (V).5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the layer in the backward movement steps (R) of the beam impact point ( 30 ) with different radiation energy per unit time and area unit be irradiated than in the forward movement steps (V). 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man bei den Rückwärtsbewegungsschritten eine andere Bewegungsge­ schwindigkeit des Auftreffpunktes (30) wählt als bei den Vorwärts­ bewegungsschritten (V). 6. The method according to claim 5, characterized in that one selects a different speed of movement of the point of impact ( 30 ) in the backward movement steps than in the forward movement steps (V). 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1-6, umfassend
eine Trägervorrichtung (2) für den zu erstellenden Formkörper (8), Mittel zur Präparierung einer jeweiligen, nächstfolgend zumindest bereichsweise zu verfestigenden Rohmaterialschicht auf der Träger­ vorrichtung (2) bzw. auf einer vorausgehend präparierten und be­ strahlten Schicht,
eine Strahlungsquelle (18), insbesondere Laser-Strahlungsquelle, zur Bereitstellung eines gebündelten Strahls (16) zur Verfestigung bzw. Verschmelzung des Rohmaterials in einer betreffenden Schicht, eine Strahlablenkeinrichtung (20) zur gesteuerten Ablenkung des Strahls (16) und
eine programmierbare Steuereinrichtung (10) zur Steuerung der Strahlablenkeinrichtung (20),
wobei die Steuereinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, die Strahl­ ablenkeinrichtung (20) auf der Basis von Geometriebeschreibungs­ daten des Formkörpers (8) zwecks Bildung eines Streifens (K) zu­ sammenhängend verfestigten Materials, insbesondere Randabschnittes (K1) des Formkörpers (8) in einer betreffenden Schicht so zu steuern, dass der Auftreffpunkt (30) des gesteuert abgelenkten Strahls (16) auf der Schicht eine in longitudinaler Streifenbildungsrichtung (X) oszillierend vor- und zurücklaufende oder ggf. vorlaufende und zurückspringende bzw. vorspringende und zurücklaufende Bewegungskomponente aufweist und einen resultierenden Vorschub in Streifenbildungsrichtung (X) erfährt.7. Device for performing the method according to one of claims 1-6, comprising
a carrier device ( 2 ) for the molded body ( 8 ) to be produced, means for preparing a respective raw material layer to be subsequently solidified at least in some areas on the carrier device ( 2 ) or on a previously prepared and irradiated layer,
a radiation source ( 18 ), in particular a laser radiation source, for providing a bundled beam ( 16 ) for solidifying or fusing the raw material in a relevant layer, a beam deflecting device ( 20 ) for controlled deflection of the beam ( 16 ) and
a programmable control device ( 10 ) for controlling the beam deflection device ( 20 ),
wherein the control device ( 10 ) is set up to direct the beam deflecting device ( 20 ) on the basis of geometry description data of the molded body ( 8 ) to form a strip (K) of solidified material, in particular edge section (K1) of the molded body ( 8 ) to control a relevant layer in such a way that the point of incidence ( 30 ) of the controlled deflected beam ( 16 ) on the layer has a movement component that oscillates back and forth in the longitudinal streak formation direction (X) or possibly leads and returns or jumps back and back and has one resulting feed in the direction of streak formation (X). 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, die Strahlablenkeinrich­ tung (20) zwecks Bildung des Streifens (K) so zu steuern, dass der Auftreffpunkt (30) des Strahls Stellen innerhalb der jeweiligen Streifenbildungsspur auf der betreffenden Schicht wiederholt überstreicht.8. The device according to claim 7, characterized in that the control device ( 10 ) is set up to control the beam deflection device ( 20 ) for the purpose of forming the strip (K) in such a way that the point of incidence ( 30 ) of the beam places within the respective striping track repeatedly painted on the relevant layer. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, die Strahlablenkeinrich­ tung (20) zwecks Bildung des Streifens (K) so zu steuern, dass der in longitudinaler Streifenbildungsrichtung vor und zurücklaufenden Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes (30) zumindest abschnittsweise eine quer zur longitudinalen Streifenbildungsrichtung (X) hin- und herlaufende transversale Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes innerhalb der Streifenbildungsspur überlagert ist.9. The device as claimed in claim 8, characterized in that the control device ( 10 ) is set up to control the beam deflecting device ( 20 ) for the purpose of forming the strip (K) in such a way that the movement component of the beam incident point ( 30 ) which runs back and forth in the longitudinal direction of the strip formation At least in sections, a transverse movement component of the beam impact point running back and forth transversely to the longitudinal banding direction (X) is superimposed within the banding track.
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