DE102017127148A1

DE102017127148A1 - Bestrahlungsstreifensortierung

Info

Publication number: DE102017127148A1
Application number: DE102017127148.1A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Edelhäuser; Martin Leuterer; Michael Göth; Markus Frohnmaier
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2019-05-23
Also published as: EP3710183A1; WO2019096690A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten (PS) für eine Vorrichtung (30) zur additiven Fertigung zumindest einer Bauteilschicht zumindest eines Bauteils (31) in einem Fertigungsprozess, in welchem wenigstens eine Schicht eines Aufbaumaterials in einen Prozessraum (32) eingebracht wird und das Aufbaumaterial der Schicht durch Bestrahlung von zumindest einem Teilbereich der Schicht mittels einer Bestrahlungseinheit (50) selektiv verfestigt wird. Die Steuerdaten (PS) werden derart erstellt, dass die Vorrichtung (30) zur additiven Fertigung so angesteuert wird, dass zur Verfestigung eine Bestrahlungsstelle (BL) durch die Bestrahlungseinheit (50) entlang einer Anzahl von Scanlinien (5, 5', 5") eines oder mehrerer Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') bewegt wird. Jeder dieser Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') weist eine vorgegebene Maximalbreite (a, a', a", a''', a*, a**, a***) auf, wobei die Scanlinien (5, 5', 5") innerhalb der Maximalbreite (a, a', a", a''', a*, a**, a***) des Bestrahlungsstreifens (1, 1', 1'') und im Wesentlichen quer zu einer Vorschubrichtung (VV) eines Verfestigungsbereichs entlang des Bestrahlungsstreifens (1, 1', 1'') verlaufen. Zumindest zwei Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') einer Schicht wird in Abhängigkeit von einem Regelungsparameter, insbesondere einer Bauteilgeometrie, eine unterschiedliche Maximalbreite (a, a', a", a''', a*, a**, a***) zugeordnet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur additiven Fertigung zumindest einer Bauteilschicht zumindest eines Bauteils (31) und eine Steuereinrichtung (60) für eine Vorrichtung (30) zur additiven Fertigung einer Bauteilschicht eines Bauteils (31) sowie eine Vorrichtung (30) zur additiven Fertigung von Bauteilen (31) mit einer solchen Steuereinrichtung (60).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten zur Steuerung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung sowie ein entsprechend angepasstes Herstellverfahren zur additiven Fertigung zumindest einer Bauteilschicht eines Bauteils, in dem eine Schicht eines Aufbaumaterials in einen Prozessraum eingebracht wird und das Aufbaumaterial der Schicht durch Bestrahlung von zumindest einem Teilbereich der Schicht mittels einer Bestrahlungseinheit selektiv verfestigt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuereinrichtung für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung einer Bauteilschicht eines Bauteils sowie eine Vorrichtung mit einer solchen Steuereinrichtung.
Bei der Herstellung von Prototypen und inzwischen auch in der Serienfertigung werden additive Fertigungsprozesse immer relevanter. Das betrifft insbesondere die Herstellung von solchen Fertigungsprodukten, die durch ein hohes Maß an geometrischer Komplexität gekennzeichnet sind. Unter additiven Fertigungsprozessen sind im Allgemeinen solche Prozesse zu verstehen, bei denen Bauteile bzw. Fertigungsprodukte direkt auf der Basis von rechnergestützten Datenmodellen, beispielweise digitalen 3D-Konstruktionsdaten, aus formlosen Aufbaumaterialien hergestellt werden. Als ein Synonym für die additive Fertigung wird häufig auch der Begriff „3D-Druck“ verwendet, die Herstellung von Modellen, Mustern und Prototypen mit additiven Fertigungsprozessen wird oft als „Rapid Prototyping“ und die Herstellung von Werkzeugen als „Rapid Tooling“ bezeichnet. Der Aufbau eines Bauteils erfolgt überwiegend, allerdings nicht zwingend, schichtweise, wobei sowohl feste, aber auch pastöse oder flüssige Werkstoffe mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften zum Einsatz kommen.
Ein wesentliches Kennzeichen der additiven Fertigung ist das selektive, d. h. räumlich begrenzte Verfestigen einer Schicht eines Aufbaumaterials. Ein bevorzugtes Verfestigungsverfahren ist die Bestrahlung des Aufbaumaterials mit Strahlungsenergie, beispielweise in Form von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht- und/oder Wärmestrahlung. Alternativ kann die Bestrahlung aber auch mit Teilchenstrahlung, wie beispielsweise Elektronenstrahlung, erfolgen.
Zwei kommerziell bedeutsame Verfahren, bei denen das Verfestigen des Aufbaumaterials durch Bestrahlung mit Strahlungsenergie erfolgt, sind das „selektive Lasersintern“ (DMLS) und das „selektive Laserschmelzen“ (SLM). Dabei werden wiederholt dünne Schichten eines zumeist pulverförmigen Aufbaumaterials in einem Prozessraum einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils übereinander aufgebracht, wobei jede Schicht räumlich begrenzt bestrahlt wird. Die Bestrahlung erfolgt so, dass nur solche Stellen der Schicht, die Bestandteil eines herzustellenden Fertigungsprodukts werden sollen, bestrahlt werden. Durch die lokal eingebrachte Strahlungsenergie werden die Pulverkörner des Aufbaumaterials teilweise oder vollständig aufgeschmolzen. Dabei verbinden sie sich miteinander, sodass nach erfolgter Abkühlung ein Festkörper vorliegt.
Der Bereich der Schicht, in dem aktuell der Energieeintrag in das Aufbaumaterial erfolgt, wird als Bestrahlungsstelle bezeichnet. Üblicherweise werden dazu ein oder mehrere Hochenergiestrahlen, beispielsweise mittels einer geeigneten Umlenkvorrichtung, einer Bestrahlungseinheit auf einen bestimmten Ort der Oberfläche der Schicht gerichtet, wobei dieser Ort der Bestrahlungsstelle entspricht. Zur selektiven Verfestigung der Schicht wird der Hochenergiestrahl bzw. die Bestrahlungsstelle entlang einer Anzahl von Scanlinien über die Oberfläche der Schicht geführt. Eine Scanlinie entspricht also dem Weg bzw. dem Verlauf, den die Bestrahlungsstelle auf der Oberfläche der Schicht zurücklegt, wobei die Schicht im Bereich der Scanlinie verfestigt wird. Die Anordnung der Scanlinien kann gemäß einem der nachfolgend erläuterten Bestrahlungsmuster erfolgen.
Bei einem ersten Bestrahlungsmuster wird die Oberfläche der Schicht in eine Anzahl von virtuellen Bestrahlungsstreifen unterteilt, beispielsweise mittels einer geeigneten Rechenvorrichtung, wobei innerhalb eines Bestrahlungsstreifens eine Anzahl von Scanlinien angeordnet ist. Das bedeutet, dass die Oberfläche der Schicht streifenartig entlang einer Anzahl von virtuell parallel zueinander angeordneten Bestrahlungsstreifen bestrahlt wird, wobei die Verfestigung nur in solchen Bereichen der virtuellen Bestrahlungsstreifen erfolgt, in denen eine Überschneidung des virtuellen Bestrahlungsstreifens mit der zu verfestigenden Querschnittsfläche der Schicht bzw. Bauteilschicht vorliegt. Unter der „Querschnittsfläche der Bauteilschicht“ bzw. „Bauteil-Querschnittsfläche“ ist im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung bei einer Draufsicht auf die Schicht der Bereich der Schicht des Aufbaumaterials zu verstehen, der zur Erzeugung des Bauteils in dieser Schicht verfestigt wird. Die Bauteil-Querschnittsfläche entspricht dabei schematisch der (von den einzelnen Pulverkörnern gebildeten) Oberfläche der zu verfestigenden Bauteilschicht. Im Gegensatz dazu wird unter der „Bauteilschicht“ ein dreidimensionaler Körper verstanden, der durch die Querschnittsfläche und die entsprechende Tiefe bzw. Dicke der Bauteilschicht definiert ist. Somit besteht ein fertig hergestelltes Bauteil aus der Summe seiner Bauteilschichten bzw. einer Anzahl von Bauteilschichten.
Zur weiteren Abgrenzung sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass im Rahmen der Erfindung unter einer „Schicht“ das schichtförmig im Baufeld der Vorrichtung aufgebrachte Aufbaumaterial verstanden wird.
In einer Schicht des Aufbaumaterials können daher auch mehrere separate, d. h. unverbundene, zu verfestigende Schichtbereiche angeordnet sein. Solche zu verfestigenden Schichtbereiche, bei denen die Oberfläche und ein bestimmter Bereich in die Tiefe der betreffenden Schicht verfestigt werden sollen, werden im Folgenden kurz „Verfestigungsschichtbereiche“ genannt. Die Verfestigungsschichtbereiche können einem einzigen Bauteil oder mehreren separaten Bauteilen angehören. Im ersteren Fall würde die Gesamtheit der Verfestigungsschichtbereiche hinsichtlich einer Oberflächenausdehnung der zu verfestigenden Bauteil-Querschnittsfläche eines Bauteils entsprechen.
Beispielsweise könnten in einer Schicht 100 einzelne Verfestigungsschichtbereiche angeordnet sein, die fünf im selben Fertigungsprozess herzustellenden separaten Bauteilen angehören. Somit könnte jedes der herzustellenden Bauteile in dieser Schicht 20 einzelne Verfestigungsschichtbereiche umfassen.
In der nachfolgenden Beschreibung wird der Einfachheit halber von nur einem herzustellen Bauteil ausgegangen, d. h. die in einer Schicht angeordneten Verfestigungsschichtbereiche gehören zu ein und derselben zu verfestigenden Bauteilschicht eines einzigen Bauteils. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Vielmehr ist das erfindungsgemäße Verfahren zur analogen Fertigung einer Anzahl von separaten Bauteilschichten, d. h. zur Herstellung von unterschiedlichen Bauteilen in einem gemeinsamen additiven Fertigungsprozess geeignet.
Die Bestrahlungsstreifen, die zur selektiven Bestrahlung der Oberfläche der Schicht virtuell auf ebendieser angeordnet werden, müssen im Rahmen der Erfindung nicht zwingend parallel zueinander sein. Alternativ können die Bestrahlungsstreifen auch näherungsweise parallel zueinander verlaufen, so dass die Außenränder bzw. äußeren Grenzen von zumindest zwei Bestrahlungsstreifen einen Winkel zueinander ausbilden, welcher beispielsweise bis zu 5° betragen kann.
Üblicherweise verlaufen die beiden Außenränder eines virtuellen Bestrahlungsstreifens überwiegend geradlinig. Allerdings kann ein Bestrahlungsstreifen, zumindest in einem Teilbereich, auch eine Krümmung umfassen. Nachfolgend und im Rahmen der Erfindung wird der Einfachheit halber von einer Anzahl von geradlinigen und im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden virtuellen Bestrahlungsstreifen ausgegangen, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
Alternativ dazu kann die Bestrahlung der Schicht nach dem Vorbild eines Schachbretts erfolgen. Das bedeutet, dass die Oberfläche der Schicht virtuell in eine Anzahl an Teilbereichen unterteilt wird, wobei die Bestrahlung zunächst nur in solchen Teilbereichen der Schicht erfolgt, die äquivalent zu einer bestimmten „Farbe“ des Schachbretts sind, so dass jeweils benachbarte Teilbereiche der Schicht zunächst von der Bestrahlung übersprungen werden.
Ein drittes Bestrahlungsmuster basiert auf dem zuvor erläuterten Schachbrettmuster, wobei die Bestrahlung der Teilbereiche hier willkürlich erfolgt. Die Teilbereiche der Schicht werden also in einer zufälligen Abfolge, d. h. ohne ein wiederkehrendes, festes Muster bestrahlt („Insel-Muster“). Auch für die beiden zuletzt genannten Bestrahlungsmuster gilt, dass die virtuell angeordneten Teilbereiche nur in Bereichen verfestigt werden, in denen eine Überschneidung mit der zu verfestigenden Bauteil-Querschnittsfläche vorliegt.
Prinzipiell sind die zuvor beschriebenen Bestrahlungsmuster allesamt zur selektiven Verfestigung einer Schicht eines Aufbaumaterials und damit zur Herstellung eines Bauteils in einem additiven Fertigungsprozess geeignet. Es hat sich allerdings gezeigt, dass das Bestrahlungsmuster einen Einfluss auf die Qualität des fertigen Bauteils ausübt. In diesem Zusammenhang hat sich die streifenweise Bestrahlung der Schicht entlang von Bestrahlungsstreifen als besonders vorteilhaft erwiesen.
Ein additives Fertigungsverfahren, bei dem die Verfestigung der Schicht eines Aufbaumaterials entlang einer Anzahl von Bestrahlungsstreifen erfolgt, wird in der WO 2015/078595 A1 beschrieben. Dabei wird die Oberfläche der Schicht in eine Anzahl von gleichartigen, zueinander parallelen virtuellen Bestrahlungsstreifen unterteilt.
In Abhängigkeit der Ausgestaltung bzw. Geometrie einer Bauteil-Querschnittsfläche kann es vorkommen, dass ein virtueller Bestrahlungsstreifen nur eine geringe Überschneidung mit der zu verfestigenden Bauteil-Querschnittsfläche aufweist. Mit anderen Worten ist es also möglich, dass nur ein geringer Bereich des Bestrahlungsstreifens, unter Umständen nur ein einzelner, isolierter Fleck, tatsächlich bestrahlt werden soll.
Allerdings muss zur partiellen Bestrahlung des Bestrahlungsstreifens in diesem Fleck der gesamte Bestrahlungsstreifen von der Bestrahlungseinheit gesondert angesteuert und abgetastet werden. Das stellt sich insbesondere dann als nachteilig heraus, wenn am Fertigungsprozess zusätzliche Hilfsvorrichtungen beteiligt sind, beispielsweise in Form einer Heizvorrichtung, welche auch die Bestrahlungsstelle anfahren müssen, aber verglichen mit der Bestrahlungsstelle nur mit einer geringen Geschwindigkeit im Prozessraum einer Vorrichtung bewegbar sind.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes bzw. alternatives Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten zur Steuerung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung bereit zu stellen, wobei die Steuerung der Vorrichtung durch die Steuerdaten so erfolgt, dass die oben genannten Nachteile vermieden werden und bevorzugt ein effizienterer und beschleunigter Fertigungsprozess ermöglicht wird. Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zur additiven Fertigung, eine Steuereinrichtung für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung sowie eine Vorrichtung zur additiven Fertigung zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Generierung von Steuerdaten gemäß Patentanspruch 1, durch ein Verfahren zur additiven Fertigung gemäß Patentanspruch 13 durch eine Steuerdatenerzeugungsvorrichtung zur Generierung solcher Steuerdaten gemäß Patentanspruch 14, durch eine Steuereinrichtung nach Anspruch 15 sowie durch eine Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß Patentanspruch 16 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren betrifft die Generierung von Steuerdaten zur Steuerung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung von zumindest einer Bauteilschicht wenigstens eines Bauteils in einem additiven Fertigungsprozess. Wie eingangs erläutert, wird zur additiven Fertigung wenigstens einer Bauteilschicht in einem Fertigungsprozess eine Schicht eines Aufbaumaterials in einen Prozessraum der Vorrichtung eingebracht, wobei das Aufbaumaterial der Schicht durch Bestrahlung von zumindest einem Teilbereich der Schicht mittels einer Bestrahlungseinheit selektiv verfestigt wird.
Im Allgemeinen und im Rahmen der Erfindung wird dabei unter Steuerdaten bzw. Prozesssteuerdaten eine Abfolge von Anweisungen bzw. Befehlen verstanden, um die Vorrichtung zur additiven Fertigung (mit ihren diversen Komponenten), wie später noch detailliert erläutert, dazu zu veranlassen, eine Anzahl von Schichten eines Aufbaumaterials in einen Prozessraum der Vorrichtung nacheinander einzubringen und zumindest solche Bereiche, die zur Herstellung einer Bauteilschicht verfestigt werden sollen, mit Strahlungsenergie zur selektiven Verfestigung abzutasten.
Üblicherweise basieren die Steuerdaten auf einem computerbasierten Modell des zumindest einen herzustellenden Bauteils, bevorzugt einem CAD-Modell. In den Steuerdaten kann für jede einzelne Schicht eine Dicke des Aufbaumaterials festgelegt sein und darüber hinaus können die Bereiche der Schicht bestimmt werden, an denen mittels einer Energiezufuhr eine Verfestigung der Schicht erfolgen soll. Das bedeutet, dass die Steuerdaten auch alle zur Steuerung der Bestrahlungseinheit erforderlichen Daten umfassen können, wobei u. a. die Intensität und/oder Energiedichte der in die Schicht eingebrachten Strahlungsenergie, eine Bewegungsgeschwindigkeit der Bestrahlungsstelle und/oder ein Bestrahlungsmuster festgelegt werden kann.
Hinsichtlich des Bestrahlungsmusters kann durch die Steuerdaten insbesondere die virtuelle Anordnung von Bestrahlungsstreifen auf der Oberfläche der Schicht sowie die Länge der einzelnen Scanlinien innerhalb der Bestrahlungsstreifen festgelegt werden. Ebenso kann durch die Steuerdaten eine Abfolge der Verfestigung mehrerer Teilbereiche einer Schicht bestimmt werden, beispielsweise wenn eine Schicht mehrere separate Verfestigungsschichtbereiche umfasst. Insbesondere kann in den Steuerdaten eine vorteilhafte Bestrahlungsstrategie der einzelnen Schichten berücksichtigt werden, wie zu einem späteren Zeitpunkt noch ausführlich erläutert wird.
Die Steuerdaten können demnach alle erforderlichen Informationen zur Steuerung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung umfassen, um die Vorrichtung zur Herstellung zumindest einer Bauteilschicht wenigstens eines Bauteils in einem additiven Fertigungsprozess anzusteuern. Die Steuerdaten, welche zusammengefasst auch als Steuerdatensatz bezeichnet werden, können alternativ oder zusätzlich auch Informationen zur Herstellung weiterer Objekte in dem additiven Fertigungsprozess umfassen, beispielsweise Stützstrukturen oder vergleichbares.
Erfindungsgemäß werden die Steuerdaten so erstellt, dass die Vorrichtung so angesteuert wird, dass das Aufbaumaterial jeder Schicht durch Bestrahlung von zumindest einem Teilbereich der Schicht mittels einer Bestrahlungseinheit selektiv verfestigt wird. Die Ansteuerung der Vorrichtung durch die Steuerdaten erfolgt dabei so, dass zur Verfestigung eine Bestrahlungsstelle durch die Bestrahlungseinheit entlang einer Anzahl von Scanlinien eines oder mehrerer Bestrahlungsstreifen bewegt wird.
Jeder dieser Bestrahlungsstreifen weist eine vorgegebene Maximalbreite auf, wobei die Scanlinien innerhalb der Maximalbreite des Bestrahlungsstreifens und im Wesentlichen quer zu einer Vorschubrichtung eines Verfestigungsbereichs entlang des Bestrahlungsstreifens verlaufen. Erfindungsgemäß werden die Steuerdaten so erzeugt, dass zumindest zwei Bestrahlungsstreifen einer Schicht in Abhängigkeit von einem Regelungsparameter, insbesondere einer Bauteilgeometrie, eine unterschiedliche Maximalbreite zugeordnet wird.
Unter einer Bestrahlungsstelle ist, wie bereits erwähnt, ein definierter Bereich bzw. lokal begrenzter Ort zu verstehen, an dem der Energieeintrag in die Schicht des Aufbaumaterials durch die Bestrahlungseinheit erfolgt. Die Bestrahlungsstelle entspricht also dem Punkt der Verfestigung des Aufbaumaterials und kann somit auch als „Verfestigungsstelle“ bzw. „Verfestigungspunkt“ bezeichnet werden. Der Energieeintrag erfolgt vorzugsweise mittels zumindest eines Hochenergiestrahls, beispielweise eines Laserstrahls, welcher durch die Bestrahlungseinheit gemäß der Steuerdaten gesteuert und mittels einer geeigneten Umlenkvorrichtung auf die Oberfläche der Schicht gelenkt wird.
Zur Verfestigung zumindest eines Teilbereichs der Schicht wird die Bestrahlungsstelle gemäß den Steuerdaten entlang einer Anzahl von Scanlinien bewegt, welche innerhalb eines Bestrahlungsstreifens, beispielsweise wie eine Schraffur, angeordnet sind, weshalb die Scanlinien auch als „Hatchlinien“ bezeichnet werden. Im Folgenden wird also unter dem Begriff „Scanlinie“ bzw. „Hatchlinie“, sofern nicht explizit anders erwähnt, die Bewegung der Bestrahlungsstelle auf der Oberfläche der Schicht des Aufbaumaterials verstanden. Wie ebenfalls eingangs erläutert, entspricht die Scanlinie somit dem Weg bzw. dem Verlauf, den die Bestrahlungsstelle auf der Oberfläche der Schicht zurücklegt, wobei die Verfestigung des Aufbaumaterials der Schicht im Bereich der Scanlinien erfolgt.
Die Scanlinien sind innerhalb von virtuellen Bestrahlungsstreifen angeordnet, so dass die Bestrahlung bzw. die Verfestigung der Schicht streifenartig entlang einer Anzahl von virtuellen Bestrahlungsstreifen erfolgt. Ein virtueller Bestrahlungsstreifen wird, wie auch eingangs erläutert, nur in solchen Bereichen bestrahlt, in denen eine Überschneidung des virtuellen Bestrahlungsstreifens mit der zu verfestigenden Bauteil-Querschnittsfläche vorliegt. Das bedeutet, dass ein „tatsächlich verfestigter Bestrahlungsstreifen“ aus der Summe seiner Scanlinien besteht bzw. nur in Form seiner Scanlinien existiert.
Zur Generierung der Steuerdaten können, wie zu einem späteren Zeitpunkt ausführlich erläutert wird, sowohl die Scanlinien als auch die Bestrahlungsstreifen zunächst virtuell auf der Schicht bzw. auf einem Baufeld der Vorrichtung angeordnet werden. Vorzugsweise können die Bestrahlungsstreifen bzw. die Scanlinien dazu mittels einer geeigneten Rechenvorrichtung berechnet werden. Im Folgenden ist daher, sofern nicht explizit anders erwähnt, unter einem Bestrahlungsstreifen stets ein „virtueller“ Bestrahlungsstreifen zu verstehen. Die Informationen bezüglich der Anordnung, der Ausgestaltung etc. der virtuellen Bestrahlungsstreifen bzw. Scanlinien sind also von den Steuerdaten umfasst. Wie zu einem späteren Zeitpunkt noch ausführlich erläutert wird, erfolgt dann die eigentliche, tatsächliche Bestrahlung der Schicht, z.B. im Rahmen eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, anhand der so generierten Steuerdaten, d. h. entsprechend der virtuell angeordneten Scanlinien bzw. Bestrahlungsstreifen.
Nachdem die Bestrahlungsstelle im Zuge des Herstellungsverfahrens einen zu verfestigenden Punkt bzw. Fleck der Schicht bestrahlt hat, kühlt das Aufbaumaterial in Folge der lokal eingebrachten Strahlungsenergie so weit ab, dass es sich zu einem Festkörper verbindet. Unter einem „Verfestigungsbereich“ ist daher der Bereich der Schicht zu verstehen, in dem sich die aktuelle Verfestigung des Aufbaumaterials vollzieht. Bei einer beispielhaften Verfestigung von Metallpulver in einem SLM- bzw. DMLS-Verfahren umfasst ein Verfestigungsbereich häufig eine oder einen Bereich einer aktuell bestrahlten Scanlinie.
Unter der „Vorschubrichtung“ der Verfestigung bzw. des Verfestigungsbereichs ist im Rahmen der Erfindung die Ausbreitungsrichtung der Verfestigung entlang des Verlaufs des tatsächlich verfestigten Bestrahlungsstreifens während der Herstellung der Bauteilschicht zu verstehen. Vorzugsweise erfolgt der Vorschub der Verfestigung in einer Richtung entlang der Längsausdehnung des Bestrahlungsstreifens. Die Vorschubrichtung beschreibt dabei die Ausbreitung bzw. das Voranschreiten der Verfestigung auf einer Makroebene, d. h. auf der Ebene des gesamten Bestrahlungsstreifens.
Demgegenüber bezieht sich die Bewegung der Bestrahlungsstelle auf eine Mikroebene der Verfestigung, d. h. auf die Bewegung der Bestrahlungsstelle entlang der einzelnen Scanlinien innerhalb eines Bestrahlungsstreifens. Mit anderen Worten bewirkt die Bewegung der Bestrahlungsstelle entlang der Scanlinien auf einer Mikroebene den Vorschub der Verfestigung entlang des Bestrahlungsstreifens auf einer Makroebene.
Vorzugsweise werden die Steuerdaten so erzeugt, dass die Scanlinien eines Bestrahlungsstreifens im Wesentlichen quer zur Vorschubrichtung des Verfestigungsbereichs verlaufen, wobei die Scanlinien vorzugsweise mit einer Abweichung von maximal 30° relativ zur Vorschubrichtung angeordnet sind. Besonders bevorzugt sind die Scanlinien eines Bestrahlungsstreifens rechtwinklig zur Vorschubrichtung des Verfestigungsbereichs des Bestrahlungsstreifens angeordnet.
Innerhalb eines Bestrahlungsstreifens sind die Scanlinien vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt sein soll. Vorteilhafterweise verlaufen die Scanlinien eines Bestrahlungsstreifens alternierend bzw. gegenläufig. Alternativ können die Scanlinien aber auch gleichgerichtet angeordnet sein und/oder ein regelmäßiges Muster oder eine Anzahl verschiedener Muster innerhalb des Bestrahlungsstreifens ausbilden.
Das Verlaufen der Scanlinien innerhalb der Maximalbreite eines Bestrahlungsstreifens bedeutet somit, dass die Scanlinien die äußeren Grenzen bzw. Außenränder eines Bestrahlungsstreifens nicht überschreiten. Umgekehrt wird also die Maximalbreite eines Bestrahlungsstreifens bei vorgegebenem Winkel der Scanlinien zur Vorschubrichtung des Verfestigungsbereichs durch die größtmögliche Länge der Scanlinien in diesem Bestrahlungsstreifen definiert. Es wird darauf hingewiesen, dass die scharfe Begrenzung der Scanlinien an den Außenrändern eines Bestrahlungsstreifens durch die Steuerdaten definiert ist, d. h. die Bestrahlungsstelle wird nicht kontrolliert über Punkte bzw. Linien hinaus bewegt, welche in den Steuerdaten die Außenränder bzw. die äußeren Grenzen des Bestrahlungsstreifens markieren. Aufgrund von Faktoren wie z. B. der unvermeidlichen Wärmeausbreitung im Material kann es aber während des Herstellungsprozesses in der Praxis passieren, dass der Wirkbereich des Hochenergiestrahls minimal die äußeren Grenzen eines Bestrahlungsstreifens überschreitet.
Vorzugsweise werden die Steuerdaten so erzeugt, dass die virtuellen Bestrahlungsstreifen die Oberfläche der Schicht, bzw. ein Baufeld einer Vorrichtung zur additiven Fertigung, im Wesentlichen vollständig umfassen. Vorzugsweise wird eine Anzahl von virtuellen Bestrahlungsstreifen lokal in einem Teilbereich der Schicht angeordnet, wobei zumindest die zu verfestigenden Bereiche der Schicht bzw. die Bauteil-Querschnittsfläche von den virtuellen Bestrahlungsstreifen umfasst sind.
Wie bereits erläutert, werden die Steuerdaten bevorzugt so erzeugt, dass jeder Bestrahlungsstreifen einer Schicht eine vorgegebene „Maximalbreite“ aufweist. Die Maximalbreite entspricht der größten Ausdehnung eines Bestrahlungsstreifens in einer Richtung quer zu seiner Längsausdehnung (bzw. quer zur Vorschubrichtung). Die Zuordnung der Maximalbreite erfolgt hier erfindungsgemäß individuell bzw. separat für jeden Bestrahlungsstreifen einer Schicht, wobei in jeder Schicht des Aufbaumaterials eine neue Zuordnung der Maximalbreite der Bestrahlungsstreifen erfolgt. Vorzugsweise erfolgt die Zuordnung der Maximalbreite eines Bestrahlungsstreifens in Abhängigkeit von einem Regelungsparameter, insbesondere einer Bauteilgeometrie, beispielsweise mittels einer Rechenvorrichtung.
Mit anderen Worten ist die Maximalbreite der virtuellen Bestrahlungstreifen, die zur Verfestigung einer Bauteilschicht auf der Bauteil-Querschnittsfläche angeordnet werden, innerhalb einer Bauteilschicht, also schichtintern, heterogen und damit nicht gleichartig.
Als Regelungsparameter, anhand dessen die Maximalbreite zugeordnet wird, können die Ausgestaltung bzw. Geometrie der Bauteil-Querschnittsfläche und/oder die Lage der Bauteil-Querschnittsfläche innerhalb des Baufelds sowie vergleichbare Parameter dienen.
Gleichermaßen kann die Ausgestaltung zumindest eines zu verfestigenden Teilbereichs der Bauteilschicht als Regelungsparameter dienen.
Wie eingangs erläutert, kann eine Schicht eines Aufbaumaterials eine Anzahl von Verfestigungsschichtbereichen eines oder mehrerer separater herzustellender Bauteile umfassen. Vorzugsweise können die Steuerdaten also so erzeugt werden, dass die Vorrichtung, wenn sie gemäß den Steuerdaten angesteuert wird, zu einer sich zeitlich überschneidenden Fertigung einer Anzahl von separaten Bauteilen in einem gemeinsamen Fertigungsprozess ausgebildet ist.
Darüber hinaus kann die Schicht noch weitere zu verfestigende Bereiche umfassen, beispielsweise Bereiche von Strukturen, die ein Bauteil stützen und/oder umhüllen und/oder ein Bauvolumen in bestimmter Weise gliedern. Aus diesem Grund kann die Zuordnung der Maximalbreite der Bestrahlungsstreifen anhand der Ausgestaltung von einem Teilbereich, vorzugsweise der Gesamtheit der in einem additiven Fertigungsprozess zu verfestigenden Teilbereiche bzw. Verfestigungsschichtbereiche einer Schicht erfolgen. Im Rahmen der Erfindung ist unter der „Bauteilschicht“ daher die Gesamtheit an zu verfestigenden Bereichen einer Schicht zu verstehen.
Wie erwähnt, wird nachfolgend davon ausgegangen, dass in einem additiven Fertigungsprozess ein einzelnes Bauteil hergestellt wird, wobei zur Fertigung der Bauteilschicht nur eine einzige kontinuierliche bzw. zusammenhängend ausgebildete Bauteil-Querschnittsfläche verfestigt wird, jedoch ohne die Erfindung darauf zu beschränken.
Wie eingangs erwähnt, können die zugeordnete Maximalbreite eines virtuellen Bestrahlungsstreifens und die tatsächlich verfestigte Breite eines Bestrahlungsstreifens, zumindest abschnittsweise, unterschiedlich sein. Das bedeutet, dass die Scanlinien, zumindest abschnittsweise, mit einer geringeren als der größtmöglichen Länge in dem Bestrahlungsstreifen angeordnet sind.
Ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren zur Generierung von Steuerdaten könnte beispielsweise die folgenden Prozessschritte umfassen:
In einem ersten Schritt könnte ein Zugriff auf computerbasierte Modelldaten wenigstens eines Bereichs der zumindest einen herzustellenden Bauteilschicht erfolgen. Dazu könnten die Modelldaten aus einem Speicher ausgelesen werden oder über ein Netzwerk entgegen genommen werden. Die Modelldaten zur Verfestigung einer Schicht könnten auf einmal eingelesen werden oder aber abschnittsweise, z. B. jeweils bei Bedarf, insbesondere während des Herstellungsvorgangs eines Verfestigungsschichtbereichs, eingelesen werden, so dass ein größerer zeitlicher Abstand zwischen den Zugriffsvorgängen auf Teile der Modelldaten besteht.
Die Modelldaten könnten grundlegende Konstruktionsparameter der herzustellenden Bauteilschicht umfassen, beispielsweise Informationen hinsichtlich der Ausgestaltung bzw. Geometrie zumindest eines Verfestigungsschichtbereichs, der Lage und Anordnung einer Anzahl von Verfestigungsschichtbereichen in einer Schicht, der Lage und Anordnung einer Anzahl von virtuellen Bestrahlungsstreifen, die etwa als Reihung von Koordinatenpunkten in einem zweidimensionalen (schichtbezogen) oder dreidimensionalen (bezogen auf ein Bauvolumen) Koordinatensystem vorliegen können.
In einem zweiten Schritt könnte dann zumindest ein Datenmodell eines zur Herstellung wenigstens eines Bereichs der zumindest einen herzustellenden Bauteilschicht selektiv zu verfestigenden Bereichs der Schicht des Aufbaumaterials erzeugt werden, wobei vorzugsweise einfach die übernommenen Modelldaten soweit modifiziert werden, um die Ansteuerung der Vorrichtung später in der erfindungsgemäß gewünschten Weise realisieren zu können. Bevorzugt wird in dem Datenmodell festgelegt, dass die Vorrichtung zur additiven Fertigung so angesteuert wird, dass zur Verfestigung eine Bestrahlungsstelle durch die Bestrahlungseinheit entlang einer Anzahl von Scanlinien eines oder mehrerer Bestrahlungsstreifen bewegt wird, wobei jeder Bestrahlungsstreifen eine vorgegebene Maximalbreite aufweist und wobei die Scanlinien innerhalb der Maximalbreite des Bestrahlungsstreifens und im Wesentlichen quer zu einer Vorschubrichtung eines Verfestigungsbereichs entlang des Bestrahlungsstreifens verlaufen. Weiterhin könnte in dem Datenmodell festgelegt werden, dass zumindest zwei Bestrahlungsstreifen einer Schicht in Abhängigkeit von einem Regelungsparameter, insbesondere einer Bauteilgeometrie, eine unterschiedliche Maximalbreite zugeordnet wird.
In einem dritten Schritt dieses Steuerdatengenerierungsverfahrens könnten dann schließlich die gewünschten Steuerdaten auf Grundlage des im zweiten Schritt erzeugten zumindest einen Datenmodells für die Erzeugung eines Steuerdatensatzes für die Vorrichtung zur additiven Fertigung erzeugt werden.
Indem mittels der Steuerdaten den Bestrahlungsstreifen einer Schicht eine unterschiedliche Maximalbreite zugewiesen wird, ist es möglich, dass das virtuelle Bestrahlungsstreifenmuster, d. h. die Gesamtheit der zur Verfestigung zumindest eines Teilbereichs der Schicht erforderlichen Bestrahlungsstreifen, spezifisch, insbesondere möglichst passgenau, an die Ausgestaltung des zu verfestigenden Teilbereichs der Schicht angepasst wird. Vorteilhafterweise wird dadurch die Überschneidungsfläche jedes virtuellen Bestrahlungsstreifens mit der Bauteil-Querschnittsfläche vergrößert, so dass während der Fertigung jeder Bestrahlungsstreifen der Schicht im Wesentlichen vollständig, d. h. entsprechend seiner zugeordneten Maximalbreite, bestrahlt wird. Somit wird das Auftreten von kleinräumigen, isoliert liegenden zu verfestigenden Teilbereichen, sogenannten „Bestrahlungsinseln“, innerhalb der Bestrahlungsstreifen reduziert, was sich wiederum positiv auf die Prozessdauer auswirkt. Darüber hinaus wird durch das Vermeiden von Bestrahlungsinseln ein möglichst homogener Energieeintrag in die Schicht erreicht, wobei die Bauteilqualität optimiert wird, wie später noch erläutert wird.
Eine erfindungsgemäße Steuerdatenerzeugungsvorrichtung zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung zumindest einer Bauteilschicht von zumindest einem Bauteil in einem additiven Fertigungsprozess, in welchem wenigstens eine Schicht eines Aufbaumaterials in einen Prozessraum eingebracht wird und das Aufbaumaterial der Schicht durch Bestrahlung von zumindest einem Teilbereich der Schicht mittels einer Bestrahlungseinheit selektiv verfestigt wird, ist ausgebildet, um Steuerdaten zu erstellen, sodass die Vorrichtung zur additiven Fertigung unter Nutzung der Steuerdaten so ansteuerbar ist, dass zur Verfestigung eine Bestrahlungsstelle durch die Bestrahlungseinheit entlang einer Anzahl von Scanlinien eines oder mehrerer Bestrahlungsstreifen bewegt wird. Dabei weist jeder Bestrahlungsstreifen eine vorgegebene Maximalbreite auf, wobei die Scanlinien innerhalb der Maximalbreite des Bestrahlungsstreifens und im Wesentlichen quer zu einer Vorschubrichtung eines Verfestigungsbereichs entlang des Bestrahlungsstreifens verlaufen. Zumindest zwei Bestrahlungsstreifen einer Schicht wird in Abhängigkeit von einem Regelungsparameter, insbesondere einer Bauteilgeometrie, eine unterschiedliche Maximalbreite zugeordnet.
Eine solche Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung könnte beispielsweise die folgenden Merkmale umfassen:
Eine Datenzugriffseinheit zum Zugriff auf computerbasierte Modelldaten wenigstens eines Bereichs der zumindest einen herzustellenden Bauteilschicht sowie eine Datenmodell-Erzeugungseinheit. Letztere ist dazu ausgebildet, zumindest ein Datenmodell eines zur Herstellung wenigstens eines Bereichs der zumindest einen herzustellenden Bauteilschicht selektiv zu verfestigenden Bereichs der Schicht des Aufbaumaterials zu erzeugen, beispielsweise, wie erwähnt, durch geeignete Modifikation der übernommenen Modelldaten. Bevorzugt ist in dem Datenmodell spezifiziert, dass die Vorrichtung zur additiven Fertigung in der oben definierten Weise angesteuert wird.
Weiterhin könnte die Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten eine Steuerdaten-Bereitstellungseinheit umfassen, welche dazu ausgebildet ist, für die Vorrichtung zur additiven Fertigung Steuerdaten bzw. einen Steuerdatensatz bereit zu stellen, und zwar auf Grundlage des durch die Datenmodell-Erzeugungseinheit erzeugten zumindest einen Datenmodells. Dazu könnte die Steuerdaten-Bereitstellungseinheit eine geeignete DatenSchnittstelle umfassen, insbesondere um eine Übertragung von Daten bzw. des Datenmodells zwischen der Steuerdatenerzeugungsvorrichtung und einer weiteren Vorrichtung, beispielsweise einer Datenverarbeitungsvorrichtung, zu ermöglichen.
Die Bereitstellung des im zweiten Schritt erzeugten Datenmodells für die Generierung des Steuerdatensatzes kann, wie zuvor erläutert, durch die Steuerdaten-Bereitstellungseinheit erfolgen, indem diese z. B. das erzeugte Datenmodell (mit den erfindungsgemäß festgelegten Bestrahlungsstreifen bzw. Streifenbreiten) in einen erweiterten Steuerdatensatz für die Vorrichtung zur additiven Fertigung integriert. Ein solcher erweiterter Steuerdatensatz könnte bereits weitere Steuerdaten enthalten, die die Vorrichtung zur additiven Fertigung einer Bauteilschicht benötigt, wie beispielsweise Steuerdaten zur Ansteuerung einer Strahlungsquelle, eines Spiegelsystems zum Ausrichten bzw. Bewegen eines Hochenergiestrahls der Strahlungsquelle, einer globalen bzw. lokalen Heizung des Baufelds, eines Beschichters etc. Weiterhin könnte das im zweiten Schritt erzeugte Datenmodell dahingehend ergänzt bzw. modifiziert werden, um eine besonders vorteilhafte Bestrahlungsstrategie der Bauteilschicht zu ermöglichen, beispielsweise indem geeignete Anfangs- bzw. Endpunkte der Bestrahlung zumindest eines Bereichs der herzustellenden Bauteilschicht bestimmt werden. Detailliertere Beispiele werden hierzu später noch gegeben.
Bereitstellen bedeutet hier aber auch, dass das Datenmodell an eine Datenverarbeitungsvorrichtung weitergeleitet wird, welche das Datenmodell in einen solchen erweiterten Steuerdatensatz integriert, oder ein direktes Weiterleiten an eine Vorrichtung zur additiven Fertigung.
Insbesondere ist es möglich, während eines Fertigungsprozesses in der Vorrichtung zur additiven Fertigung dieser dynamisch Datenmodelle für noch herzustellende Verfestigungsschichtbereiche zur Verfügung zu stellen. Dabei müssen die im zweiten Schritt erzeugten Datenmodelle nicht einzeln für einen additiven Fertigungsprozess bereitgestellt werden. Es können auch mehrere erzeugte Datenmodelle zunächst gesammelt und anschließend in ihrer Gesamtheit zur Integration in einen Steuerdatensatz bereitgestellt werden.
Eine erfindungsgemäße Steuerdatenerzeugungsvorrichtung kann beispielsweise in Form von Hardware- und/oder Softwarekomponenten in einer Rechenvorrichtung realisiert sein. Diese Rechenvorrichtung kann z. B. Teil der Vorrichtung zur additiven Fertigung selber sein, als Teil einer Steuereinrichtung o. ä., wie später noch erläutert wird. Es ist aber ebenso denkbar, dass die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung eigenständig ausgebildet ist, d. h. von der Vorrichtung zur additiven Fertigung räumlich getrennt ist. In letzterem Fall könnten die erzeugten Steuerdaten der Vorrichtung zur additiven Fertigung mittels geeigneter Schnittstellen zugeführt werden, beispielsweise über einen Memorystick, eine Festplatte oder einen sonstigen transportablen Datenträger sowie über kabelgebundene bzw. -lose Netzwerke oder „Cloud“-Lösungen.
Eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung zumindest einer Bauteilschicht eines oder mehrerer Bauteile benötigt eine Rechenvorrichtung, beispielsweise eine Anzahl von Mikroprozessoren bzw. Datenprozessoren oder dergleichen, um eine Bestrahlungseinheit der Vorrichtung entsprechend von Prozesssteuerdaten bzw. gemäß einer Bestrahlungsstrategie so anzusteuern, dass die Bestrahlungsstelle der Bestrahlungseinheit entlang einer Anzahl von Scanlinien eines oder mehrerer Bestrahlungsstreifen bewegt wird, wobei jeder Bestrahlungsstreifen eine vorgegebene Maximalbreite aufweist und wobei die Scanlinien innerhalb der Maximalbreite des Bestrahlungsstreifens und im Wesentlichen quer zu einer Vorschubrichtung eines Verfestigungsbereichs entlang des Bestrahlungsstreifens verlaufen, und wobei zumindest zwei Bestrahlungsstreifen einer Schicht in Abhängigkeit eines Regelungsparameters, insbesondere einer Bauteilgeometrie, eine unterschiedliche Maximalbreite zugeordnet ist.
Des Weiteren kann die Steuereinrichtung einen Speicher für ein Bestrahlungssteuerprotokoll mit Bestrahlungssteuerdaten aufweisen, eine Steuereinheit, beispielsweise einen Mikroprozessor oder dergleichen, um ein Bestrahlungssteuerprotokoll auf der Grundlage von Prozesssteuerdaten zu berechnen und abzuarbeiten, sowie entsprechende geeignete Schnittstellen, um die Komponenten der Bestrahlungseinheit, wie beispielsweise die Strahlungsquelle, das Spiegelsystem sowie lokal im Prozessraum verfahrbare Hilfsvorrichtungen oder weitere Komponenten entsprechend dem Bestrahlungssteuerprotokoll anzusteuern, d. h. die Komponenten mit geeigneten Steuersignalen zu speisen. Im Übrigen kann eine solche Steuereinrichtung auch alle bekannten üblichen Komponenten aufweisen, die bisher in solchen Steuereinrichtungen für Vorrichtungen zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten vorhanden sind.
Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung kann also, wie erwähnt, mit Hilfe einer Rechenvorrichtung mit geeigneter Software bzw. Softwareprogrammteilen realisiert sein. Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Steuereinrichtungen auf einfache Weise durch ein Software- bzw. Firmware-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Steuerdatenerzeugungsvorrichtung und/oder einer Steuereinrichtung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung einer Bauteilschicht eines Bauteils ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Generierung von Steuerdaten auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuerdatenerzeugungsvorrichtung und/oder Steuereinrichtung ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z. B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z. B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen. Zum Transport zur Steuereinrichtung und/oder zur Speicherung an oder in der Steuereinrichtung kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechenvorrichtung der Steuerdatenerzeugungsvorrichtung und/oder der Steuereinrichtung einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren (Herstellverfahren) zur additiven Fertigung wenigstens einer Bauteilschicht zumindest eines Bauteils wird eine Schicht eines Aufbaumaterials in einen Prozessraum eingebracht, wobei das Aufbaumaterial der Schicht durch Bestrahlung von zumindest einem Teilbereich der Schicht mittels einer Bestrahlungseinheit selektiv verfestigt wird. Bevorzugt wird zur Verfestigung eine Bestrahlungsstelle durch die Bestrahlungseinheit entlang einer Anzahl von Scanlinien eines oder mehrerer Bestrahlungsstreifen bewegt, wobei jeder Bestrahlungsstreifen eine vorgegebene Maximalbreite aufweist und wobei die Scanlinien innerhalb der Maximalbreite des Bestrahlungsstreifens und im Wesentlichen quer zu einer Vorschubrichtung eines Verfestigungsbereichs entlang des Bestrahlungsstreifens verlaufen. Erfindungsgemäß wird zumindest zwei Bestrahlungsstreifen einer Schicht in Abhängigkeit von einem Regelungsparameter, insbesondere einer Bauteilgeometrie, eine unterschiedliche Maximalbreite zugeordnet. Insbesondere kann zur Herstellung wenigstens einer Bauteilschicht zumindest eines Bauteils in einem Fertigungsprozess die Vorrichtung zur additiven Fertigung durch einen Steuerdatensatz gesteuert werden, welcher gemäß dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zur Generierung von Steuerdaten erzeugt wurde.
Der besseren Verständlichkeit wegen wird nachfolgend davon ausgegangen, dass eine erfindungsgemäße Steuerdatenerzeugungsvorrichtung in Form von Hardware- und/oder Softwarekomponenten in einer Rechenvorrichtung realisiert ist, wobei die Rechenvorrichtung Teil einer Steuereinrichtung der Vorrichtung zur additiven Fertigung selber ist. Wenn im Folgenden also davon gesprochen wird, dass die Steuerdaten durch die Rechenvorrichtung erzeugt werden, so ist damit natürlich gemeint, dass die Steuerdaten durch die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung als Teil der Rechenvorrichtung erzeugt werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur additiven Fertigung zumindest einer Bauteilschicht eines oder mehrerer Bauteile weist eine zuvor beschriebene Steuereinrichtung auf. Zusätzlich sollte eine solche Fertigungsvorrichtung auch alle weiteren üblichen Komponenten einer solchen Vorrichtung aufweisen, wie etwa eine Prozesskammer bzw. einen Prozessraum mit einer Beschichtungsvorrichtung, in dem das Aufbaumaterial in einer geeigneten Weise, beispielsweise schichtweise, eingebracht werden kann, und eine geeignete Bestrahlungseinheit zur selektiven Verfestigung des Aufbaumaterials in dem Prozessraum, um so das Fertigungsprodukt als festes Objekt zu erzeugen. Außerdem kann die Fertigungsvorrichtung eine Anzahl von lokal im Prozessraum verfahrbaren Hilfsvorrichtungen, beispielsweise eine lokale Heizvorrichtung, umfassen.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen und Ausführungsbeispielen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
So werden z. B. der besseren Verständlichkeit wegen im Folgenden besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung anhand eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erläutert, wobei natürlich die Vorrichtung durch Steuerdaten angesteuert wird, welche gemäß dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zur Generierung der Steuerdaten erzeugt wurden, so dass insbesondere auch bevorzugte Verfahren zur Generierung der Steuerdaten oder die Steuerdaten selbst dadurch charakterisiert sein können.
Vorzugsweise werden die Steuerdaten derart erzeugt, dass das Bewegen der Bestrahlungsstelle in einem additiven Fertigungsprozess, zumindest abschnittsweise, an den Vorschub einer im Prozessraum lokal verfahrbaren Hilfsvorrichtung angepasst wird. Insbesondere kann die Zuordnung der unterschiedlichen Bestrahlungsstreifen-Maximalbreiten unter anderem durch diesen Vorschub bestimmt werden, bzw. können die Bewegungsmöglichkeiten der Hilfsvorrichtung als ein weiterer Regelungsparameter bzw. als eine Randbedingung genutzt werden. Vorteilhafterweise werden die Bewegung der Bestrahlungsstelle und der Vorschub der Hilfsvorrichtung im Prozessraum zumindest abschnittsweise gekoppelt, synchronisiert bzw. aufeinander abgestimmt, insbesondere so, dass die Hilfsvorrichtung die Bestrahlungsstelle während der Bestrahlung nicht verdeckt bzw. den Strahlengang des Hochenergiestrahls nicht durchfährt. Dabei kann eine wechselseitige Abhängigkeit bestehen, d. h. es kann sowohl die Bewegung der Bestrahlungsstelle an den Vorschub der Hilfsvorrichtung angepasst sein, als auch umgekehrt.
Unter einer Hilfs- oder Unterstützungsvorrichtung sind neben einer noch später erläuterten lokal verfahrbaren Heizvorrichtung weitere Vorrichtungen zu verstehen, beispielsweise Einblasdüsen für Schutzgase, Absaugvorrichtungen oder vergleichbare Vorrichtungen, die zu einer Optimierung des Fertigungsprozesses beitragen können, sowie Beschichter bzw. Auftragseinrichtungen für Aufbaumaterial. Im Rahmen der Erfindung kann die lokal verfahrbare Hilfsvorrichtung bevorzugt so ausgebildet sein, dass sie im Wesentlichen lokal wirksam ist. Das bedeutet, dass der Wirkbereich der Hilfsvorrichtung vorzugsweise nur einen Teilbereich der Schicht des Aufbaumaterials umfasst, wobei der Wirkbereich der Hilfsvorrichtung in seiner horizontalen Erstreckung insbesondere kleiner als das Baufeld der Vorrichtung ist. Vorzugsweise kann eine solche Hilfsvorrichtung mittels einer geeigneten Aufhängung bzw. eines Tragmechanismus mit einer Antriebseinheit verbunden sein, welche die Hilfsvorrichtungen gemäß den Steuerdaten einer Steuervorrichtung im Prozessraum der Vorrichtung ansteuert bzw. verfährt.
Insofern umfasst eine erfindungsmäße Vorrichtung zur additiven Fertigung bevorzugt eine Steuereinrichtung, welche dazu geeignet ist, die Bewegung der Bestrahlungsstelle und den Vorschub zumindest einer lokal im Prozessraum verfahrbaren Hilfsrichtung einander anzupassen. Das Verfahren der Hilfsvorrichtung erfolgt vorzugsweise durch eine horizontale Bewegung der Hilfsvorrichtung im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der Schicht insbesondere so, dass jeder Bereich der Schicht bzw. des Baufelds durch die Hilfsvorrichtung bzw. deren Wirkbereich erreicht wird. Vorzugsweise können in einem Prozessraum auch mehrere Hilfsvorrichtungen angeordnet sein, die einzeln angesteuert und verfahren werden können, wobei der Vorschub der einzelnen Hilfsvorrichtungen synchronisiert ist und auch an die Bewegung der Bestrahlungsstelle angepasst ist.
Vorteilhafterweise ist das Verfahren, wie später noch eingehend erläutert wird, zur Verarbeitung von schwer-schweißbaren Legierungen als Aufbaumaterial geeignet, wobei eine ausreichende Beheizung des Aufbaumaterials einen wesentlichen Einfluss auf die Bauteilqualität ausübt. Vorzugsweise ist daher die Bewegung der Bestrahlungsstelle an den langsameren Vorschub einer lokal verfahrbaren Heizvorrichtung angepasst bzw. folgt diesem nach. Das kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Vorschub der lokalen Heizvorrichtung bzw. die lokale Erwärmung von Teilbereichen der Schicht durch die lokale Heizvorrichtung zu einem bestimmten Zeitpunkt vor dem Beginn der Bestrahlung startet, so dass ein Puffer an bereits erwärmten Teilbereichen der Schicht generiert wird. Vorteilhafterweise ermöglicht das Verfahren im Rahmen der Beheizung neben einer Vorheizung auch eine kontrollierte Nacherwärmung von Teilbereichen einer Schicht nach Beendigung der Bestrahlung dieser Teilbereiche. In diesem Fall kann der Vorschub der Hilfsvorrichtung an die Bewegung der Bestrahlungsstelle angepasst sein bzw. diesem nachfolgen.
Vorteilhafterweise wird es durch diese zeitlich und räumlich koordinierte Steuerung ermöglicht, dass die Bauteilqualität durch die Anordnung einer Anzahl von prozessoptimierenden Hilfsvorrichtungen im Prozessraum, insbesondere einer lokal verfahrbaren Heizvorrichtung, erhöht wird, wobei die Bewegung der Bestrahlungsstelle und damit die Verfestigung der Schicht kontinuierlich bzw. unterbrechungsfrei erfolgen, so dass die Fertigungsdauer eines Bauteils möglichst reduziert werden kann. Hierbei ist insbesondere auch die erfindungsgemäße individuelle Zuordnung von Maximalbreiten zu den Bestrahlungsstreifen ein wertvoller Beitrag.
Vorzugsweise wird zumindest ein Teilbereich einer Querschnittsfläche der Bauteilschicht mittels einer Rechenvorrichtung in eine Anzahl virtueller Querschnittsflächensegmente unterteilt, wobei ein virtuelles Querschnittsflächensegment eine Anzahl an Bestrahlungsstreifen umfasst. Die Querschnittsfläche der Bauteilschicht wird nach außen hin durch eine Kontur begrenzt bzw. abgeschlossen, wobei die Kontur ein Bestandteil der Querschnittsfläche ist. Folglich wird ein virtuelles Querschnittsflächensegment durch zumindest einen Teilbereich der Kontur der Querschnittsfläche der Bauteilschicht und wenigstens eine virtuell anzuordnende Segmentgrenze ausgebildet.
Die Segmentierung der Querschnittsfläche der Bauteilschicht in einzelne Querschnittsflächensegmente durch die Anordnung von virtuellen Segmentgrenzen erfolgt mittels einer Rechenvorrichtung auf Basis von Segmentierungskriterien, insbesondere der Bauteilgeometrie, wie später noch ausführlich erläutert wird.
In Folge der virtuellen Segmentierung werden auch die Bestrahlungsstreifen, die zur Bestrahlung der Querschnittsfläche der Bauteilschicht angeordnet sind, segmentiert bzw. in Abschnitte unterteilt, die den jeweiligen Querschnittsflächensegmenten zugeordnet sind. Die Bestrahlungsstreifen, die von einem virtuellen Querschnittsflächensegment umfasst sind bzw. einem Querschnittsflächensegment zugeordnet sind, bilden eine Bestrahlungsstreifengruppe. Vorzugsweise werden die Bestrahlungsstreifen einer Bestrahlungsstreifengruppe unmittelbar aufeinanderfolgend verfestigt.
Das bedeutet, dass die Bestrahlungsstreifen zunächst nur in solchen Bereichen bestrahlt werden, die innerhalb eines bestimmten Querschnittsflächensegments angeordnet sind. Sobald die Verfestigung eines ersten Querschnittsflächensegments abgeschlossen ist, werden die Abschnitte bzw. Teilbereiche der Bestrahlungsstreifen, die innerhalb eines zweiten Querschnittsflächensegments angeordnet sind, bestrahlt. Vorzugsweise erfolgt also eine Teil-Bestrahlung der virtuellen Bestrahlungsstreifen, wobei die Bestrahlung mit dem Erreichen einer Segmentgrenze und/oder einer Kontur bzw. Konturlinie unterbrochen wird. In Abhängigkeit des Konturverlaufs ist es daher möglich, dass ein Bestrahlungsstreifen nicht nur in seiner Länge, sondern auch bezüglich der verfestigten Breite durch die Kontur begrenzt wird, d. h. der Bestrahlungsstreifen wird nicht entsprechend der vordefinierten Maximalbreite bestrahlt.
Mit anderen Worten werden die virtuellen Querschnittsflächensegmente als eigenständige, separate, in sich geschlossene Verfestigungseinheiten betrachtet, wobei die einzelnen Bestrahlungsstreifengruppen nacheinander verfestigt werden. Die Reihenfolge der Verfestigung der Querschnittsflächensegmente wird mittels der Rechenvorrichtung im Rahmen einer Bestrahlungsstrategie festgelegt, wie später ausführlich erläutert wird.
Vorteilhafterweise kann der Verlauf einer „tatsächlichen Segmentgrenze“ zwischen zwei verfestigten Querschnittsflächensegmenten vom Verlauf einer entsprechenden virtuell berechneten Segmentgrenze abweichen, wobei die Bestrahlungsstrategie optimiert wird. Das ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die virtuelle Segmentgrenze nicht senkrecht zur Vorschubrichtung der Verfestigung verläuft. Vorzugsweise wird die Segmentgrenze tatsächlich so verfestigt, dass sie stets entlang von bzw. parallel zu Scanlinien bzw. senkrecht zur Längsausdehnung der Bestrahlungsstreifen verläuft. Mit anderen Worten kann die tatsächliche Segmentgrenze vorzugsweise gestuft in einem Grenzbereich um die virtuelle Segmentgrenze alternieren. Vorzugsweise schneidet jeder Abschnitt der tatsächlichen Segmentgrenze einmal die virtuelle Segmentgrenze, wobei ein Abschnitt der Strecke zwischen zwei Abwinkelungen entspricht.
Vorteilhafterweise kann somit eine Homogenität des Energieeintrags in die Schicht erhöht werden, indem die Länge und optional die Abstände der Scanlinien der Bestrahlungsstreifen zueinander so gewählt werden können, als würde die Querschnittsfläche der Bauteilschicht in durchgehenden Bestrahlungsstreifen verfestigt werden.
Vorzugsweise wird die Segmentierung der Querschnittsfläche der Bauteilschicht in Querschnittsflächensegmente durch die Rechenvorrichtung unter Berücksichtigung von bestimmten bzw. vorbestimmbaren Optimierungskriterien optimiert. Die Rechenvorrichtung ist dabei also vorteilhaft dazu ausgebildet, eine Bestrahlungsstrategie für einen additiven Fertigungsprozess zu berechnen und so zu optimieren, dass die Bauteilqualität möglichst erhöht und die Fertigungsdauer des Bauteils reduziert wird.
Bevorzugt kann die Rechenvorrichtung also einerseits ausgebildet sein, eine Bestrahlungsstrategie zu berechnen bzw. zu optimieren, und andererseits die Steuerdaten zur Herstellung zumindest einer Bauteilschicht eines Bauteils zu erzeugen, insbesondere unter Berücksichtigung der Bestrahlungsstrategie. Vorteilhafterweise kann auch in einem bereits fertig generierten Steuerdatensatz noch eine Modifikation bzw. Optimierung der Bestrahlungsstrategie erfolgen, wobei eine Neuberechnung bzw. -generierung der Steuerdaten zu einem beliebigen Zeitpunkt möglich ist, insbesondere auch während des laufenden Fertigungsprozesses.
Es sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, dass sowohl die Optimierung der Bestrahlungsstrategie als auch die Erzeugung eines Steuerdatensatzes nicht zwingend in einer Rechenvorrichtung einer Steuereinrichtung bzw. in einer Vorrichtung zur additiven Fertigung erfolgen müssen. Es ist auch denkbar, dass Steuerdaten mit einer entsprechend optimierten Bestrahlungsstrategie in einer Steuerdatenerzeugungsvorrichtung erzeugt werden, die räumlich von der Vorrichtung zur additiven Fertigung getrennt ist. In der nachfolgenden Beschreibung wird jedoch davon ausgegangen, dass die Optimierung der Bestrahlungsstrategie und die Erzeugung der Steuerdaten gemeinsam in einer Rechenvorrichtung einer Steuereinheit der Vorrichtung zur additiven Fertigung erfolgen. Ein bevorzugtes Optimierungskriterium kann eine Verringerung einer Anzahl von Bestrahlungssprüngen innerhalb der Querschnittsfläche der Bauteilschicht sein. Ein weiteres Optimierungskriterium kann die Verringerung der Distanz der Bestrahlungssprünge innerhalb der Querschnittsfläche der Bauteilschicht betreffen. Diese Optimierungskriterien können einzeln oder in Kombination angewendet werden, z. B. als eine Mehrzieloptimierung. Beispielsweise kann auch einer der Parameter, zum Beispiel die Anzahl von Bestrahlungssprüngen oder eine maximale Sprungdistanz, als Randbedingung festgelegt werden und die Optimierung erfolgt dann hinsichtlich eines anderen Parameters.
Unter einem Bestrahlungssprung ist ein Wechsel bzw. Sprung der Bestrahlungsstelle von einem Endpunkt der Bestrahlung eines ersten Querschnittsflächensegments zu einem Startpunkt der Bestrahlung eines zweiten Querschnittsflächensegments zu verstehen. Sobald ein erstes Querschnittsflächensegment entsprechend seiner Bestrahlungsstreifen vollumfänglich bestrahlt wurde, erfolgt der Sprung der Bestrahlungsstelle zum Startpunkt der Bestrahlung eines zweiten Querschnittsflächensegments, wobei der Bestrahlungssprung vorzugsweise unter vorübergehender Deaktivierung der Bestrahlung erfolgt. Der Ort bzw. die Stelle, an der die Bestrahlung der Schicht beginnt bzw. in die Schicht einspringt, sei es erstmalig oder nach einer vorherigen Unterbrechung, wird auch als „Einsprungpunkt“ der Bestrahlung bezeichnet.
Vorteilhafterweise wird durch eine Optimierung der Segmentierung bzw. eine entsprechend optimierte Bestrahlungsstrategie erreicht, dass insbesondere auch die Verfahrwege und somit die Verfahrzeit einer Hilfsvorrichtung im Prozessraum, beispielsweise einer lokalen Heizvorrichtung, besonders stark reduziert werden, was sich vorteilhaft auf die Prozessdauer auswirkt.
Vorzugsweise wird durch die Rechenvorrichtung alternativ oder zusätzlich eine Anordnung und/oder Breite der virtuellen Bestrahlungsstreifen eines Querschnittsflächensegments unter Berücksichtigung von Optimierungskriterien optimiert.
Um eine möglichst vorteilhafte Anordnung der virtuellen Bestrahlungsstreifen eines ersten Querschnittsflächensegments zu erreichen, kann ein erster „randständiger“ Bestrahlungsstreifen so angeordnet werden, dass sein Außenrand eine Tangente zu einem Außenrand des Querschnittsflächensegments ausbildet. Die Anordnung weiterer Bestrahlungsstreifen innerhalb des Querschnittsflächensegments kann vorzugsweise so erfolgen, dass Bestrahlungsinseln innerhalb eines Bestrahlungsstreifens möglichst vermieden werden. Unter Bestrahlungsinseln sind, wie erwähnt, lokale bzw. separate, bezogen auf die Fläche des Bestrahlungsstreifens flächenmäßig kleinräumige, vorzugsweise randständige, zu verfestigende Teilbereiche innerhalb eines Bestrahlungsstreifens zu verstehen.
Vorteilhafterweise kann zur Vermeidung von Bestrahlungsinseln die Maximalbreite eines ersten Bestrahlungsstreifens eines Querschnittsflächensegments innerhalb vorgebbarer Grenzen so modifiziert werden, dass auf die Anordnung bzw. virtuelle Erzeugung eines zusätzlichen Bestrahlungsstreifens verzichtet werden kann.
Die Optimierung der virtuellen Bestrahlungsstreifen eines Querschnittsflächensegments bezüglich ihrer Anordnung und/oder Breite erfolgt vorzugsweise separat bzw. individuell für die einzelnen Querschnittsflächensegmente einer jeden Bauteilschicht. Das bedeutet, dass die Bestrahlungsstreifen spezifisch für die einzelnen Querschnittsflächensegmente berechnet werden. Mit anderen Worten können sich die virtuellen Bestrahlungsstreifen von zwei Querschnittsflächensegmenten einer Bauteilschicht bezüglich ihrer Anzahl, Maximalbreite, Längsausdehnung sowie der Ausrichtung innerhalb des Querschnittsflächensegments voneinander unterscheiden.
Vorteilhafterweise ist die Rechenvorrichtung also dazu ausgebildet, eine optimierte Bestrahlungsstrategie für die einzelnen Querschnittsflächensegmente einer Bauteil-Querschnittsfläche zu berechnen. Darüber hinaus kann durch die Rechenvorrichtung aber auch eine Optimierung der globalen Bestrahlungsstrategie erfolgen, d. h. die Bestrahlung der einzelnen Querschnittsflächensegmente wird so koordiniert, dass auch die Bestrahlung der gesamten Bauteilschicht-Querschnittsfläche optimiert wird.
Durch diese Optimierungsschritte und eine entsprechende Bestrahlungsstrategie kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass sowohl die benötigte Anzahl an Bestrahlungsstreifen als auch das Auftreten von Bestrahlungsinseln innerhalb dieser Bestrahlungsstreifen verringert werden, wobei unnötige Verfahrzeiten einer Hilfsvorrichtung im Prozessraum, beispielsweise einer Induktionsspulenanordnung, vermieden werden können. Das wiederum führt zu einer erheblichen Verkürzung der Fertigungszeit des Bauteils. Weiterhin ergeben sich durch die o. g. Optimierungskriterien positive Eigenschaften bezüglich der Bauteilqualität im Sinne eines homogenen Wärmeeintrags in die Schicht, wie zu einem späteren Zeitpunkt noch erläutert wird.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die hier und an anderen Stellen im Rahmen der Erfindung erwähnten verschiedenen Optimierungsprozesse in einer gemeinsamen Rechenvorrichtung realisiert sein können, aber auch in verschiedenen Recheneinrichtungen, die dann bevorzugt in geeigneter Weise miteinander kommunizieren.
Vorzugsweise erfolgt innerhalb eines virtuellen Querschnittsflächensegments eine lokale Segmentierung des Querschnittsflächensegments durch die Rechenvorrichtung in zumindest zwei virtuelle Teil-Querschnittsflächensegmente. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine virtuelle Segmentgrenze in einem Bereich des Querschnittsflächensegments lokal aufgehoben werden.
Unter einer lokalen Segmentierung ist zu verstehen, dass durch die Anordnung einer Anzahl von lokalen virtuellen Segmentgrenzen zumindest ein eigenständiges lokales Teil-Segment von einem ursprünglichen Ausgangs-Querschnittsflächensegment abgetrennt wird. Vorzugsweise umfassen beide der dadurch gebildeten virtuellen Teil-Querschnittsflächensegmente zumindest einen Teilbereich eines Bestrahlungsstreifens. Die virtuellen Teil-Querschnittsflächensegmente können bei der Optimierung der Bestrahlungsstrategie durch die Rechenvorrichtung gemäß der zuvor beschriebenen Optimierungskriterien als eigenständige Querschnittsflächensegmente betrachtet werden.
Durch eine lokale Aufhebung wenigstens einer virtuellen Segmentgrenze wird erreicht, dass zumindest ein Teilbereich eines ersten virtuellen Querschnittsflächensegments von diesem Querschnittsflächensegment losgelöst bzw. daraus herausgelöst und einem zweiten, vorzugsweise benachbarten, Querschnittsflächensegment zugeordnet werden kann. Bei der Optimierung der Bestrahlungsstrategie kann dieser zumindest eine, herausgelöste Teilbereich als Bestandteil des zweiten Querschnittsflächensegments betrachtet werden. Vorzugsweise bleiben die übrigen Segmentgrenzen der Querschnittsflächensegmentierung erhalten.
Vorteilhafterweise wird es durch die Teil-Segmentierung bzw. die lokale Aufhebung der Segmentierung möglich, die Bestrahlungsstrategie dahingehend zu optimieren, dass die Fertigungsdauer eines Bauteils noch weiter reduziert wird, beispielsweise, indem unnötige Verfahrwege einer Hilfsvorrichtung zwischen den Querschnittsflächensegmenten vermieden werden. Weiterhin kann dadurch die Bestrahlungsstrategie so angepasst werden, dass der Energieeintrag in die Bauteilschicht optimiert wird, insbesondere hinsichtlich der Ausbildung einer einheitlichen Wärmefront während der Verfestigung der Bauteilschicht, wie später noch ausführlich erläutert wird.
Die Bestrahlungsstrategie, nach der dann eine Bestrahlung zumindest eines Teilbereichs der Querschnittsfläche der Bauteilschicht erfolgt, wird vorzugsweise durch die Rechenvorrichtung mittels einer Entscheidungslogik berechnet bzw. optimiert, wobei der Entscheidungslogik eine Reihe von Entscheidungsschritten zugrunde liegen, die vorzugsweise, allerdings nicht zwingend, in der nachfolgend beschriebenen Reihenfolge durch die Rechenvorrichtung abgearbeitet werden:
Zunächst erfolgt die virtuelle Segmentierung zumindest eines Teilbereichs der zu verfestigenden Querschnittsfläche der Bauteilschicht in eine Anzahl an virtuellen Querschnittsflächensegmenten.
Vorzugsweise erfolgt die Segmentierung mittels einer Analyse der Maßverhältnisse der Querschnittsfläche der Bauteilschicht, beispielsweise hinsichtlich Umfang, Geometrie, Durchmesser, Flächenschwerpunkt, Einschnürungen, Engstellen etc., wobei eine Anzahl von virtuellen Segmentgrenzen in der Querschnittsfläche der Bauteilschicht angeordnet wird.
Zur Abgrenzung einer Engstelle kann ein Schwellenwert definiert werden, indem die Fläche der nicht zu verfestigenden Aussparungen innerhalb der Querschnittsfläche in Relation zu einem maximalen Wirkbereich der Beheizung gesetzt wird. Weitere Segmentierungskriterien können die Festlegung einer Höchstzahl an Querschnittsflächensegmenten in einer Schicht oder die Bestimmung eines minimal bzw. maximal zulässigen Flächeninhalts eines Querschnittsflächensegments sein. Die Segmentgrenzen können im Wesentlichen rechtwinklig zur Vorschubrichtung der Verfestigung angeordnet sein, was sich vorteilhaft auf die Homogenität eines lokalen Energieeintrags in die Schicht auswirkt. Alternativ können die Segmentgrenzen in einem anderen geeigneten Winkel zur Vorschubrichtung und/oder zueinander angeordnet sein, insofern dadurch eine weitere Optimierung der Bauteilqualität und/oder der Fertigungsdauer erreicht werden können/kann.
In einem weiteren Schritt erfolgt die Anordnung eines ersten Bestrahlungsstreifens in einem ersten Querschnittsflächensegment ausgehend von einem Referenzpunkt. Unter einem Referenzpunkt ist ein geeigneter Bezugspunkt innerhalb des Baufelds der Vorrichtung zu verstehen. Vorzugsweise wird in einem umliegenden Bereich der Querschnittsfläche der Bauteilschicht ein virtueller Bezugsrahmen angeordnet, der die Querschnittsfläche möglichst eng umfasst, wobei der virtuelle Bezugsrahmen beispielsweise in Form eines Rechtecks, Parallelogramms oder eines weiteren geeigneten Polygons ausgebildet sein kann. Vorzugsweise kann ein Eckpunkt dieses als „Bounding-Box“ bezeichneten virtuellen Rahmens als Referenzpunkt dienen. Sofern die Querschnittsfläche der Bauteilschicht mehrere nicht-zusammenhängende Bereiche umfasst, kann eine entsprechende Anzahl von virtuellen Bounding-Boxen auf der Bauteilschicht angeordnet werden.
Vorzugsweise wird ein erster Bestrahlungsstreifen so angeordnet, dass der Außenrand des Querschnittsflächensegments, beispielsweise die Kontur, örtlich mit dem Außenrand des Bestrahlungsstreifens zusammenfällt, d. h. der Bestrahlungsstreifen bildet mit seinem Außenrand eine Tangente zum Außenrand des Querschnittsflächensegments.
Die Breite dieses ersten Bestrahlungsstreifens kann einer Normbreite bzw. Standardbreite eines Bestrahlungsstreifens entsprechen, welche in einem vordefinierten Bereich zwischen einer Mindest- und einer Maximalbreite liegt. Die Maximalbreite entspricht, wie später erläutert wird, vorzugsweise maximal der Breite eines Wirkbereichs einer Heizvorrichtung, der eine den Anforderungen entsprechende Beheizung gewährleistet. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung beträgt die Maximalbreite eines Bestrahlungsstreifens 10 mm, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt sein soll. Die Mindestbreite eines Bestrahlungsstreifens kann im Prinzip jeden Wert größer als 0 mm annehmen, also auch extrem schmal sein, wobei eine Mindestbreite in einem Bereich zwischen 2 mm und 3 mm bevorzugt wird. Die Normbreite eines Bestrahlungsstreifens liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 mm und 8 mm.
In einem weiteren Schritt wird die Breite des ersten Bestrahlungsstreifens anhand definierter Kriterien optimiert. Dies kann bevorzugt in folgender Weise realisiert werden:
Ausgehend von der Normbreite des Bestrahlungsstreifens werden die quer, d. h. im Wesentlichen senkrecht zum Außenrand des virtuellen Bestrahlungsstreifens, angeordneten virtuellen Scanlinien durch schrittweises „Vortasten“ so weit verlängert, bis zumindest eine virtuelle Scanlinie auf ein „geometrisches Hindernis“ oder einen definierten Grenzbereich, beispielsweise einen Konturbereich des Querschnittsflächensegments oder eine Segmentgrenze, trifft oder bis die definierte Maximalbreite des Bestrahlungsstreifens erreicht ist.
In einem weiteren Schritt wird geprüft, ob eine Modifikation bzw. Anpassung der zuvor ermittelten virtuellen Scanlinien-Länge, welche hier der Bestrahlungsstreifenbreite entspricht, hinsichtlich der nachfolgend anzuordnenden virtuellen Bestrahlungsstreifen und/oder im Sinne einer Optimierung der Bestrahlungsstrategie sinnvoll ist, d.h. es kann eine Optimierung der Bestrahlungsstreifen-Maximalbreite erfolgen. Die zuvor ermittelte Breite des virtuellen Bestrahlungsstreifens kann dabei innerhalb der vordefinierten Grenzen vergrößert oder reduziert werden.
Bei dieser Entscheidung wird also das Querschnittsflächensegment als Ganzes berücksichtigt, insbesondere bezüglich der Erstreckung des Querschnittsflächensegments hinsichtlich einer Haupterstreckungsrichtung der Bauteilschicht und des Auftretens von geometrischen Hindernissen. Das bedeutet, dass die Prüfung zwar auf Grundlage des ersten Bestrahlungsstreifens erfolgt, dass aber auch die weiteren zur Verfestigung des Querschnittsflächensegments anzuordnenden Bestrahlungsstreifen berücksichtigt werden. Mit anderen Worten wird die Breite des ersten Bestrahlungsstreifens so gewählt, dass sich insgesamt für die Gesamtheit der Bestrahlungsstreifen eines Querschnittsflächensegments eine möglichst vorteilhafte Bestrahlungsstrategie berechnen lässt.
Ein Prüfkriterium kann das Vorhandensein von geometrischen Hindernissen innerhalb des Querschnittsflächensegments sein. Neben der Geometrie (z. B. dem Konturverlauf) sind darunter auch Einschnürungen oder nicht zu verfestigende Bereiche („Löcher“) innerhalb des Querschnittsflächensegments zu verstehen. Insbesondere das Vorhandensein von Löchern bestimmter Größe, beispielsweise, wenn ein Durchmesser des Lochs einen maximalen Wirkbereich einer lokalen Heizvorrichtung übersteigt, sollte vorzugsweise in der Bestrahlungsstrategie berücksichtigt werden.
Ein weiteres Prüfkriterium ist, ob durch eine Modifikation der Bestrahlungsstreifenbreite das Auftreten von Bestrahlungsinseln in dem ersten sowie in den nachfolgend anzuordnenden Bestrahlungsstreifen vermieden werden kann. Bestrahlungsinseln können insbesondere bei randständigen Bestrahlungsstreifen durch eine Überschneidung mit der Konturlinie und/oder bei geometrischen Hindernissen innerhalb des Querschnittsflächensegments entstehen. Vorzugsweise wird bei der Prüfung weiterhin berücksichtigt, dass die Breite der Bestrahlungsstreifen in einem bevorzugten Bereich der Bestrahlung liegt, wobei Bestrahlungsstreifenbreiten unterhalb der bevorzugten Mindestbreite vermieden werden sollen. Weiterhin wird geprüft, ob durch eine geeignete Anordnung der Bestrahlungsstreifen die zur Verfestigung des Querschnittsflächensegments benötigte Anzahl an Bestrahlungsstreifen reduziert werden kann.
Darüber hinaus kann die Prüfung eine Mehrzieloptimierung umfassen. Beim Auftreten von mehreren geometrischen Hindernissen können einzelne davon unterschiedlich stark gewichtet werden.
Der erste Bestrahlungsstreifen wird dann auf Grundlage der zuvor berechneten Daten mit einer entsprechenden Breite virtuell in dem Querschnittsflächensegment angeordnet.
In einem weiteren Schritt wird mittels eines iterativen Prozesses zumindest ein zweiter, an den ersten Bestrahlungsstreifen angrenzender Bestrahlungsstreifen virtuell in dem Querschnittsflächensegment angeordnet. Ausgehend von einer Normbreite des Bestrahlungsstreifens kann wiederum eine Prüfung bzw. Anpassung der Bestrahlungsstreifenbreite nach der zuvor erläuterten Prüflogik erfolgen.
Der zuvor geschilderte iterative Prozess wird so oft durchlaufen, bis die gesamte zu verfestigende Fläche des virtuellen Querschnittsflächensegments von virtuellen Bestrahlungsstreifen bedeckt ist, wobei zumindest zwei Bestrahlungsstreifen einer Schicht eine unterschiedliche Maximalbreite zugeordnet wird.
In gleicher Weise kann die Anordnung der Bestrahlungsstreifen in weiteren Querschnittsflächensegmenten der Bauteilschicht erfolgen, so dass die gesamte Querschnittsfläche der Bauteilschicht von virtuellen Bestrahlungsstreifen bedeckt ist. Vorzugsweise werden dazu die zuvor erläuterten Schritte der Prüflogik in einem übergeordneten iterativen Prozess, bzw. im Sinne einer äußeren Schleife, wiederholt durchlaufen.
Vorzugsweise werden die virtuellen Bestrahlungsstreifen mit einer im Wesentlichen gleichen Orientierung in den einzelnen Querschnittsflächensegmenten angeordnet, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt sein soll. Die Orientierung der Bestrahlungsstreifen kann sich nach der Geometrie der Bauteilschicht bzw. des Querschnittsflächensegments richten, beispielsweise, indem die Bestrahlungsstreifen im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung des Querschnittsflächensegments bzw. der Bauteilschicht angeordnet werden. Vorzugsweise erfolgt die Orientierung der Bestrahlungsstrategie jedoch unabhängig von der Geometrie der Bauteilschicht. Um die Bauteilqualität zu erhöhen, wird die Ausrichtung bzw. Orientierung der Bestrahlungsstreifen in jeder aufeinanderfolgenden Bauteilschicht um einen geeigneten Winkel (z. B. 67.5°) rotiert.
Alternativ zu dem zuvor erläuterten iterativen bzw. schrittweisen Vorgehen kann die virtuelle Anordnung einer Anzahl von Bestrahlungsstreifen in dem zu verfestigenden Querschnittsflächensegment auch mittels einer „globalen“ Entscheidungslogik erfolgen. Dabei kann in nur einem Prozessschritt ein „globales“ Bestrahlungsstreifenmuster bzw. -raster ausgehend von einem Referenzpunkt virtuell so auf dem Baufeld angeordnet werden, dass zumindest die gesamte Fläche des Querschnittsflächensegments von virtuellen Bestrahlungsstreifen bedeckt ist, wobei zumindest zwei Bestrahlungsstreifen einer Schicht eine unterschiedliche Maximalbreite zugeordnet wird. Bevorzugt kann die Breite der virtuellen Bestrahlungsstreifen der Normbreite entsprechen.
In einem weiteren Entscheidungsschritt kann geprüft werden, ob zur Optimierung der Bestrahlungsstrategie, insbesondere unter Berücksichtigung der zuvor erläuterten Prüfkriterien, die Breite eines oder mehrerer Bestrahlungsstreifen, d. h. die Länge der innerhalb der Bestrahlungsstreifen angeordneten virtuellen Scanlinien, modifiziert werden kann. Zumindest kann eine Modifikation der Bestrahlungsstreifenbreite dahingehend erfolgen, dass besonders schmale Bestrahlungsstreifen mit einer wenig bevorzugten Breite, beispielsweise in einem Bereich zwischen 0 mm und 3 mm, möglichst vermieden werden. Vorteilhafterweise kann dadurch die Homogenität des Energieeintrags in die Schicht optimiert werden.
Sobald die virtuellen Bestrahlungsstreifen für ausreichend viele Querschnittsflächensegmente festgelegt sind, wird durch die Rechenvorrichtung eine Bestrahlungsstrategie zur Bestrahlung der Querschnittsfläche der Bauteilschicht auf Grundlage der zuvor ermittelten Daten bzw. Entscheidungen berechnet. Die Bestrahlungsstrategie berücksichtigt alle Verfahrensprozesse, die an der Verfestigung einer Bauteilschicht beteiligt sein können, beispielsweise die Bestrahlung und Beheizung des Aufbaumaterials, das Verfahren von Hilfsvorrichtungen im Prozessraum etc. Daher kann die Bestrahlungsstrategie synonym auch als Verfestigungsstrategie bezeichnet werden.
Vorzugsweise wird die Bestrahlungsstrategie so berechnet bzw. optimiert, dass auf bestimmte Prozesskriterien geachtet wird, die einen besonderen Einfluss auf die Qualität eines Bauteils bzw. additiven Fertigungsprodukts haben. Hierzu zählen insbesondere folgende Kriterien:
Im Sinne einer hohen Bauteilqualität ist es besonders erstrebenswert, dass während der Verfestigung des Aufbaumaterials nur eine einzige Wärmefront innerhalb der Bauteil-Querschnittsfläche bzw. Bauteilschicht gebildet wird. Unter einer Wärmefront ist die Ausbreitung von Wärme in der Schicht, beispielsweise hervorgerufen durch die Bestrahlung und/oder die Beheizung, entlang einer bestimmten Richtung zu verstehen, d. h. es wird ein „globaler“ Eintrag bzw. eine „globale“ Ausbreitung der Wärme beschrieben, z. B. bezogen auf die gesamte Schicht bzw. Bauteilschicht.
Es hat sich gezeigt, dass ein Auftreten von mehreren separaten Wärmefronten in einer Bauteilschicht zu Spannungen im fertigen Bauteil führen kann. Eine weitere Folge kann ein Verzug des Bauteils sein, wobei Curling-Effekte begünstigt werden. Die zuvor genannten Effekte wirken sich allesamt negativ auf die Bauteilqualität aus und können durch eine Optimierung der Bestrahlungsstrategie reduziert werden.
Besonders bevorzugt wird zusätzlich oder alternativ zu den zuvor beschriebenen Kriterien, durch die im Wesentlichen das virtuelle Bestrahlungsstreifenmuster zur Verfestigung der Bauteil-Querschnittsfläche optimiert wird, die Bestrahlungsstrategie durch die Rechenvorrichtung anhand weiterer Optimierungskriterien berechnet bzw. optimiert:
Vorzugsweise erfolgt die Segmentierung der Querschnittsfläche der Bauteilschicht so, dass die Querschnittsflächensegmente eine besonders günstige Anordnung bzw. Lage zueinander haben, bei der insbesondere die Distanz und die Anzahl von Bestrahlungssprüngen zur Bestrahlung der gesamten Querschnittsfläche möglichst reduziert werden. In dieser Hinsicht sind die Auswahl von geeigneten Start- bzw. Endpunkten der Bestrahlung eines Querschnittsflächensegments sowie insbesondere die Abfolge der Bestrahlung der einzelnen Querschnittsflächensegmente, d. h. die Reihenfolge der Bestrahlung, zu berücksichtigen.
Vorzugsweise werden die beiden zuletzt genannten Kriterien gemeinsam betrachtet bzw. gegeneinander abgewogen, so dass eine Prüfung dahingehend erfolgt, ob dem Kriterium einer einheitlichen Wärmefront in der Bauteilschicht oder einer möglichst kurzen Distanz der Bestrahlungssprünge der Vorrang gegeben wird. Mittels einer Entscheidungslogik kann die Bestrahlungsstrategie also hinsichtlich der Parameter „Fertigungsdauer“ oder „Qualität“ des Bauteils optimiert werden. Eine solche Entscheidung kann auch auf Vorgabe eines Benutzers hin durch Voreinstellung erfolgen.
Weiterhin kann geprüft werden, ob eine mäandrierende oder gleichgerichtete Bestrahlung der Bestrahlungsstreifen vorteilhaft ist. Insbesondere beim Auftreten von geometrischen Hindernissen in einem Querschnittsflächensegment, beispielsweise ein Loch bestimmter Größe, kann auch innerhalb eines Segments ein Wechsel zwischen mäandrierender und gleichgerichteter Bestrahlung erfolgen. Weiterhin wird berücksichtigt, ob eine lokale Aufhebung von Segmentgrenzen bzw. eine lokale Teil-Segmentierung zur Optimierung der Bestrahlungsstrategie erfolgen kann.
Wie eingangs erläutert, kann in einer Schicht auch eine Mehrzahl von Verfestigungsschichtbereichen angeordnet sein, wobei die Verfestigungsschichtbereiche einem einzigen Bauteil oder mehreren separaten Bauteilen angehören können. Daher kann die Entscheidungslogik vorzugsweise auch eine vorteilhafte Reihenfolge der Verfestigung der einzelnen Verfestigungsschichtbereiche berücksichtigen. Bevorzugt können diejenigen Verfestigungsschichtbereiche in einer Schicht, die zu ein und demselben Bauteil gehören, zu einer Bestrahlungs- bzw. Verfestigungsgruppe zusammengefasst werden.
Gemäß dem Kriterium einer einheitlichen Wärmefront, insbesondere eine vertikale Richtung bzw. Aufbaurichtung eines Bauteils in der Vorrichtung betreffend, können die einzelnen Verfestigungsschichtbereiche eines Bauteils, welche einer Verfestigungsgruppe entsprechen, jeweils unmittelbar nacheinander bzw. aufeinanderfolgend verfestigt werden.
Zur Optimierung der Bestrahlungsstrategie kann die Reihenfolge der Verfestigung auf verschiedenen Betrachtungsebenen individuell festgelegt werden. Das bedeutet, dass sowohl eine Reihenfolge der Abarbeitung der Verfestigungsgruppen in einer Schicht, als auch eine Reihenfolge der Verfestigung der Verfestigungsschichtbereiche eines beliebigen Bauteils bzw. einer Verfestigungsgruppe in Abhängigkeit definierter Kriterien festgelegt werden können.
Als mögliches Kriterium könnte beispielsweise eine Zeitdauer herangezogen werden, die eine Verfestigung eines vorangehenden Verfestigungsschichtbereichs bereits zurückliegt. Unter einem vorangehenden Verfestigungsschichtbereich ist hier ein Verfestigungsschichtbereich in einer unmittelbar zuvor bestrahlten Schicht zu verstehen, welcher direkt an einen aktuell zu verfestigenden Verfestigungsschichtbereich einer darüber liegenden Schicht angrenzt. Bevorzugt gehören der vorangehende und der aktuelle Verfestigungsschichtbereich also zu ein und demselben Bauteil, liegen allerdings in jeweils unterschiedlichen Schichten.
Ein weiteres Kriterium könnten die in einem oder mehreren Bauteilen auftretenden Eigenspannungen in Abhängigkeit der Abfolge der Verfestigung der Verfestigungsschichtbereiche sein. Vorzugsweise können solche Eigenspannungen mittels geeigneter Software bzw. Softwareprogrammteile vor Beginn der Verfestigung simuliert werden. Auch eine Simulation von zu erwartenden Überhitzungen oder eine Erfassung tatsächlicher Temperaturbedingungen bzw. Überhitzungen in einer aktuell zu verfestigenden Schicht aufgrund eines hohen Energieeintrags in eine bzw. mehrere zuvor verfestigte, darunter liegende Schichten mittels einer Prozessüberwachungseinrichtung kann als Optimierungskriterium dienen.
Nach Festlegung einer Bestrahlungsstrategie für z. B. ein Querschnittsflächensegment mit beispielsweise mehreren unterschiedlichen Bestrahlungsstreifenbreiten können vorzugsweise den einzelnen Bestrahlungsstreifen abhängig von ihrer jeweiligen Breite spezifische Energieeintragsparametersätze zugeordnet werden. Zumindest ein Energieeintragsparameter, beispielsweise eine Leistung oder Geschwindigkeit, mit der ein verfestigender Hochenergiestrahl angesteuert wird, kann auf eine bestimmte Breite des Bestrahlungsstreifens hin optimiert sein, sodass innerhalb der einzelnen Bestrahlungsstreifen beispielsweise ein möglichst homogener Energieeintrag erzielt wird und/oder lokale Temperaturüberhöhungen vermieden werden.
Die auf Grundlage dieser Kriterien berechnete und optimierte Bestrahlungsstrategie wird bei der Erzeugung der Steuerdaten berücksichtigt, bzw. fließt mit in diese ein. Die durch die Rechenvorrichtung erzeugten Steuerdaten können dann an die Steuereinheit der Vorrichtung zur additiven Fertigung übertragen werden, wobei mittels der Steuereinheit ein entsprechendes Bestrahlungssteuerprotokoll so berechnet wird, dass die Fertigung des Bauteils dann gemäß der Bestrahlungsstrategie bzw. der Steuerdaten erfolgen kann. Die Berechnung und Optimierung der Bestrahlungsstrategie kann ebenso wie die Erzeugung der Steuerdaten vor Beginn des Fertigungsprozesses oder auch währenddessen erfolgen, beispielsweise, indem während der Verfestigung einer ersten Bauteilschicht die Berechnung bzw. Optimierung der Bestrahlungsstrategie einer weiteren nachfolgenden Bauteilschicht erfolgt. Die Berechnung und Optimierung der Bestrahlungsstrategie kann, wie zuvor für die Erzeugung der Steuerdaten beschrieben, auch mittels einer externen Recheneinheit erfolgen, die nicht Bestandteil der Vorrichtung zur additiven Fertigung ist bzw. nicht direkt damit verbunden ist.
Wie oben bereits erwähnt, kann das Aufbaumaterial einer Schicht, jeweils zumindest in einem Bereich der sich bewegenden Bestrahlungsstelle, zumindest vor der Bestrahlung, bevorzugt mittels einer lokal verfahrbaren Heizvorrichtung erwärmt werden. Wie zuvor erläutert, kann die lokal verfahrbare Heizvorrichtung bevorzugt auch im Wesentlichen lokal wirksam ausgebildet sein, insbesondere so, dass mittels der Heizvorrichtung nur ein bestimmter, definierter Teilbereich der Schicht selektiv erwärmbar ist. Vorzugsweise erfolgt die Erwärmung bzw. das Aufheizen des Aufbaumaterials auf eine vorgegebene Solltemperatur unmittelbar vor der Bestrahlung durch die Bestrahlungseinheit, insbesondere so, dass das Aufbaumaterial im erwärmten Bereich zu Beginn der Bestrahlung bereits eine vorgegebene Solltemperatur aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die Erwärmung bzw. die vorgegebene Solltemperatur im Aufbaumaterial auch während und/oder nach der Bestrahlung aufrechterhalten werden.
Vorzugsweise erfolgt das lokale Erwärmen des Aufbaumaterials dabei mittels Induktion. Besonders bevorzugt wird dazu eine Induktionsspulenanordnung verwendet, welche zumindest zwei separate Induktionsspulen umfasst, d. h. die Heizvorrichtung kann in Form einer Induktionsspulenanordnung realisiert sein. Vorzugsweise sind die Induktionsspulen durch einen andersartigen Innendurchmesser gekennzeichnet, so dass auch der Wirkbereich der Erwärmung im Aufbaumaterial unterschiedlich groß ist. Der Wirkbereich der Beheizung dieser Induktionsspulenanordnung ist insofern begrenzt, als zu einem Zeitpunkt stets nur ein Teilbereich der Schicht erwärmt wird. Dabei wird mittels Induktion zunächst nur ein Bereich einer Bauunterlage und/oder einer bereits verfestigten, d. h. unterhalb der aktuell zu verfestigenden Schicht liegenden Schicht erwärmt. In weiterer Folge kann aufgrund von Konduktion und Wärmestrahlung auch die oberste, d. h. noch unverfestigte Schicht im Wirkbereich der Heizvorrichtung erwärmt werden. Um die gesamte Schicht erwärmen zu können, müssen die Induktionsspulen also im Prozessraum verfahrbar sein, insbesondere so, dass jeder Bereich der Schicht von beiden Induktionsspulen erreicht bzw. erwärmt werden kann. Daher sind die beiden Induktionsspulen vorzugsweise in einem geeigneten Abstand oberhalb der Schicht gegeneinander verstellbar gelagert, insbesondere so, dass die einzelnen Heizbereiche beider Induktionsspulen in einem gemeinsamen Bereich des Aufbaumaterials überlagert werden können, oder eben nicht. In Abhängigkeit der Lage der Induktionsspulen zueinander können so Temperaturen von beispielsweise zwischen 800°C und über 1200°C im Aufbaumaterial erreicht werden. Alternativ dazu oder zusätzlich können auch weitere Heizvorrichtungen, die zur Erwärmung des Aufbaumaterials auf eine vorgegebene Solltemperatur geeignet sind, verwendet werden, beispielsweise ein defokussierter Laser- oder Elektronenstrahl.
Vorteilhafterweise wird durch die Erwärmung erreicht, dass die Temperatur im Aufbaumaterial zu Beginn der Bestrahlung weniger stark bzw. sprunghaft ansteigt und nach Beendigung der Bestrahlung weniger stark bzw. sprunghaft abfällt. Mit anderen Worten ist die Temperaturdifferenz im Aufbaumaterial zwischen einem Zeitpunkt vor bzw. nach und während der Bestrahlung deutlich geringer als ohne eine solche Heizvorrichtung. Dies wirkt sich positiv auf die Bauteilqualität aus, indem z. B. eine Rissbildung im Bauteil während der additiven Fertigung reduziert werden kann. Bei der Nutzung solcher lokal verfahrbarer Heizvorrichtungen im Prozessraum werden die Vorteile der Erfindung hinsichtlich einer Optimierung der Prozessdauer sowie der Bauteilqualität besonders deutlich.
Wie zuvor erläutert, erfolgt das Aufheizen des Aufbaumaterials zumindest in einem Bereich der Bestrahlungsstelle. Der Wirkbereich der Erwärmung kann jedoch wesentlich größer ausgebildet sein. Vorzugsweise entspricht die Breite eines Bestrahlungsstreifens maximal der Breite eines Wirkbereichs einer Heizvorrichtung, welche das Erreichen einer Solltemperatur der Beheizung im Aufbaumaterial gewährleistet. Dadurch wird erreicht, dass der Bestrahlungsstreifen entsprechend seiner gesamten Breite erwärmbar ist. Die zu erreichende Solltemperatur ist vorgebbar, beispielweise in Abhängigkeit des Aufbaumaterials, und liegt zumindest zu Beginn der Bestrahlung im Wirkbereich der Heizvorrichtung im Aufbaumaterial vor. Die Breite des Wirkbereichs der Beheizung bezieht sich auf dieselbe Raumrichtung wie die Breite des Bestrahlungsstreifens, d. h. beide werden in derselben Raumrichtung gemessen.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird also ein Höchstwert der Maximalbreite eines Bestrahlungsstreifens definiert, wobei der Bestrahlungsstreifen nicht über diesen Höchstwert hinaus vergrößert bzw. verbreitert werden kann. Vorzugsweise entspricht dieser Höchstwert, wie zuvor erwähnt, der maximalen Breite des Wirkbereichs der Heizvorrichtung, wobei prinzipiell auch weitere Hardwaregegebenheiten der Vorrichtung als Regelungsparameter in Frage kommen. Unter Umständen kann es allerdings auch vorteilhaft sein, dass der Wirkbereich der Heizvorrichtung deutlich größer als die Maximalbreite eines Bestrahlungsstreifens ist, insbesondere sofern die Heizvorrichtung in Form einer Induktionsspulenanordnung realisiert ist.
Alternativ und/oder zusätzlich kann der Höchstwert der Maximalbreite eines Bestrahlungsstreifens auch anhand weiterer Kriterien definiert werden, beispielsweise einer Bestrahlungsintensität, einer Geschwindigkeit, mit der die Bestrahlungsstelle über die Oberfläche der Schicht bewegt wird, einer Bestrahlungsleistung, einer Energieeintragsmenge in die Schicht etc., um z. B. einer lokalen Überhitzung in der Schicht vorzubeugen. Besonders bevorzugt wird der Höchstwert der Maximalbreite der Bestrahlungsstreifen für jede Schicht neu bestimmt.
Vorteilhafterweise wird durch die Definition eines Höchstwerts der Maximalbreite eines Bestrahlungsstreifens erreicht, dass vor dem Beginn der Bestrahlung die gesamte zu bestrahlende Fläche jedes Bestrahlungsstreifens eine geeignete, vorgegebene Solltemperatur aufweist, was sich, wie zuvor erläutert, positiv auf die Bauteilqualität auswirkt.
Die Solltemperatur der Beheizung im Aufbaumaterial beträgt vorzugsweise wenigstens 50%, besonders bevorzugt wenigstens 70%, ganz besonders wenigstens 80%, insbesondere bevorzugt wenigstens 90% einer Erstarrungstemperatur des Aufbaumaterials. Unter der Erstarrungstemperatur oder Solidustemperatur ist die Temperatur zu verstehen, bei der sich im Aufbaumaterial eine Phasenumwandlung zwischen den Aggregatzuständen „flüssig“ und „fest“ vollzieht. Die Erstarrungstemperatur entspricht damit im Wesentlichen der Schmelztemperatur.
Vorzugsweise wird die Heiztemperatur so gewählt, dass eine Rissbildung bzw. Heißrissbildung im Bauteil während der additiven Fertigung vermieden wird. Wie zuvor erwähnt, kann die Solltemperatur zumindest zu einem Startzeitpunkt der Bestrahlung im Aufbaumaterial vorliegen, wobei das Vorhalten der Solltemperatur zu einem Zeitpunkt während und/oder nach der Bestrahlung ebenfalls bevorzugt ist. Beispielsweise kann die Solltemperatur über eine Zeitspanne von 1 bis 5 Sekunden gehalten werden, nachdem die Bestrahlungsstelle eine Position passiert hat, wobei eine gewünschte Abkühlgeschwindigkeit des Bauteils bzw. eine Haltedauer der Solltemperatur vorab in Tests, unter Anderem abhängig vom verwendeten Aufbaumaterial, ermittelt werden können.
Die Solltemperatur der Beheizung wird maßgeblich durch die Beschaffenheit des zu verfestigenden Aufbaumaterials bestimmt.
Besonders bevorzugt ist das Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen auf Basis von „schwer-schweißbaren“ Legierungen geeignet, welche auch als „Hochleistungslegierungen“ oder „Hochtemperaturwerkstoffe“ bezeichnet werden. Darunter sind solche Aufbaumaterialien zu verstehen, die sich im fertigen Bauteil durch eine hohe mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen auszeichnen. Gleichzeitig neigen diese Aufbaumaterialien bei der Verarbeitung in additiven Fertigungsprozessen, beispielsweise in DMLS- oder SLM-Verfahren, zur Rissbildung im Bauteil. Im Allgemeinen sind schwer-schweißbare Legierungen durch hohe Schmelzpunkte gekennzeichnet, welche im Bereich von über 1340°C liegen können. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Verfahren insbesondere zur Verarbeitung von Legierungen auf Nickel- oder Kobalt-Basis geeignet, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt sein soll. Das Verfahren eignet sich gleichermaßen zur Verarbeitung weiterer, vorzugsweise pulverförmiger, Aufbaumaterialien, wie z. B. Aufbaumaterialien auf Basis von Keramik, metallischen Gläsern oder alternativen Metallen, wobei der Metallanteil im Aufbaumaterial zumindest 50% beträgt, sowie weiterer herkömmlicher in additiven Fertigungsprozessen verwendeter Aufbaumaterialien. Die Aufbaumaterialien können zudem faserverstärkt sein.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass in der nachfolgenden Figurenbeschreibung der Einfachheit halber ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren zumindest einer Bauteilschicht in einem Fertigungsprozess beschrieben wird, wobei die Vorrichtung zur additiven Fertigung durch Steuerdaten angesteuert wird, die gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Generierung von Steuerdaten erzeugt wurden. Weiterhin wird von nur einer einzigen herzustellenden Bauteilschicht bzw. einem einzelnen Bauteil ausgegangen, ohne die Erfindung darauf zu beschränken. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen:

1 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten,
2 und 3 eine schematische Darstellung der Verfestigung einer Bauteilschicht in einem additiven Fertigungsprozess gemäß einem Verfahren des Stands der Technik,
4 eine schematische Darstellung der Verfestigung eines Bereichs der Bauteilschicht innerhalb eines virtuellen Bestrahlungsstreifens gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
5 eine schematische Darstellung der Verfestigung einer Bauteilschicht gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
6 eine schematische Darstellung der Segmentierung der Querschnittsfläche einer Bauteilschicht in Querschnittsflächensegmente gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
7 eine schematische Darstellung der Segmentierung der Querschnittsfläche einer Bauteilschicht in Querschnittsflächensegmente gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
8 eine schematische Darstellung der Segmentierung der Querschnittsfläche einer Bauteilschicht in Querschnittsflächensegmente gemäß einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
9 eine schematische Darstellung der Anordnung von virtuellen Bestrahlungsstreifen auf einer Bauteil-Querschnittsfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
10 eine schematische Darstellung der Verfestigung eines Bereichs der Bauteilschicht innerhalb eines virtuellen Bestrahlungsstreifens im Bereich einer Segmentgrenze gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
11 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Berechnung bzw. Optimierung einer Bestrahlungsstrategie zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten.

Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf eine Vorrichtung 30 zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten in Form einer Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 30 beschrieben, wobei explizit darauf hingewiesen wird, dass die Erfindung nicht auf Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtungen beschränkt ist. Die Vorrichtung wird im Folgenden - ohne eine Beschränkung der Allgemeinheit - daher kurz als „Lasersintervorrichtung“ 30 bezeichnet.
Eine solche Lasersintervorrichtung 30 ist schematisch in 1 gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Prozesskammer 32 bzw. einen Prozessraum 32 mit einer Kammerwandung 33 auf, in der im Wesentlichen der Fertigungsprozess abläuft. In der Prozesskammer 32 befindet sich ein nach oben offener Behälter 34 mit einer Behälterwandung 35. Die obere Öffnung des Behälters 34 bildet die jeweils aktuelle Arbeitsebene 36. Der innerhalb der Öffnung des Behälters 34 liegende Bereich dieser Arbeitsebene 36 wird als Baufeld 37 bezeichnet und kann zum Aufbau des Objekts 31 verwendet werden.
Der Behälter 34 weist eine in einer vertikalen Richtung V bewegliche Grundplatte 39 auf, die auf einem Träger 38 angeordnet ist. Die Grundplatte 39 schließt den Behälter 34 nach unten ab und bildet damit dessen Boden. Die Grundplatte 39 kann integral mit dem Träger gebildet sein, sie kann aber auch eine getrennt von dem Träger 38 gebildete Platte sein und an dem Träger 38 befestigt oder diesem einfach aufgelagert sein. Auf der Grundplatte 39 kann eine Bauplattform 40 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 31 aufgebaut wird. Grundsätzlich kann das Objekt 31 aber auch auf der Grundplatte 39 selber aufgebaut werden, die dann die Bauunterlage bildet.
Der grundsätzliche Aufbau des Objekts 31 erfolgt so, dass eine Schicht Aufbaumaterial zunächst auf die Bauplattform 40 aufgebracht wird, dann - wie später erläutert - mit einem Laser an den Stellen, welche Teile des zu fertigenden Objekts bilden sollen, das Aufbaumaterial selektiv verfestigt wird, dann mit Hilfe des Trägers 38 die Grundplatte 39, somit die Bauplattform abgesenkt wird und eine neue Schicht des Aufbaumaterials aufgetragen und dann selektiv verfestigt wird usw. Das in 1 auf der Bauplattform 40 aufgebaute Objekt 31 ist unterhalb der Arbeitsebene 36 in einem Zwischenzustand dargestellt. Es weist bereits mehrere verfestigte Schichten auf und ist von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 41 umgeben. Als Aufbaumaterial 41 können verschiedene Materialien verwendet werden, vorzugsweise Pulver, insbesondere schwer-schweißbare Legierungen basierend auf Metallpulver, Keramikpulver sowie metallische Gläser und vergleichbare Materialien.
In einem Vorratsbehälter 42 der Lasersintervorrichtung 30 befindet sich frisches Aufbaumaterial 43. Mit Hilfe eines in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichters 44 kann das Aufbaumaterial 43 in der Arbeitsebene 36 bzw. innerhalb des Baufelds 37 in Form einer dünnen Schicht aufgebracht werden. Vorratsbehälter 42 und Beschichter 44 können als Komponenten einer Zuführvorrichtung zum Aufbringen einer Aufbaumaterialschicht angesehen werden.
In der Prozesskammer 32 befindet sich optional eine globale Heizvorrichtung 45. Diese kann zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 43 dienen, wobei im Wesentlichen das Aufbaumaterial 43 im gesamten Baufeld 37 erwärmt wird. Die von der globalen Heizvorrichtung 45 in das Aufbaumaterial eingebrachte Menge an Grundenergie ist unterhalb der notwendigen Energie, bei der das Aufbaumaterial sintert oder sogar verschmilzt. In der Prozesskammer 32 befindet sich weiterhin eine lokale Heizvorrichtung 46, welche in einem definierten Abstand über dem Baufeld 37 angeordnet ist. Die lokale Heizvorrichtung 46 kann beispielsweise in Form einer oder mehrerer Induktionsspulen realisiert sein und ist im Wesentlichen horizontal, d. h. parallel zur Arbeitsebene 36, in der Prozesskammer 32 bzw. dem Prozessraum verfahrbar. Die lokale Heizvorrichtung 46 ist dazu ausgebildet, das Aufbaumaterial 43 partiell, d. h. in einem definierten Teilbereich des Baufelds 37, beispielsweise in einem Teilbereich einer Bauteilschicht bzw. Bauteil-Querschnittsfläche, vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich der Erstarrungstemperatur des Aufbaumaterials, zu erwärmen.
Zum selektiven Verfestigen weist die Lasersintervorrichtung 30 eine Bestrahlungseinheit 50 mit einem Laser 51 auf. Der Laser 51 erzeugt einen Laserstrahl 52, der über eine Umlenkvorrichtung 53 umgelenkt wird, um so gemäß der Bestrahlungsstrategie selektiv Energie in die jeweils selektiv zu verfestigenden Bereiche der Schicht einzubringen. Weiter wird dieser Laserstrahl 52 durch eine Fokussiereinrichtung 54 auf die Arbeitsebene 36 in geeigneter Weise fokussiert. Die Bestrahlungseinheit 50 befindet sich hier vorzugsweise außerhalb der Prozesskammer 32 und der Laserstrahl 52 wird über ein an der Oberseite der Prozesskammer 32 in der Kammerwandung 33 angebrachtes Einkoppelfenster 55 in die Prozesskammer 32 geleitet und trifft an einer Bestrahlungsstelle BL auf die Arbeitsebene 36, d. h. die aktuell zu verfestigende Schicht. Durch eine geeignete Ausgestaltung der Umlenkvorrichtung 53 wird die Bestrahlungsstelle BL auf der Arbeitsebene 36 in einer gewünschten Richtung entlang von Scanlinien bewegt, wie dies später noch erläutert wird.
Die Bestrahlungseinheit 50 kann beispielsweise nicht nur einen, sondern mehrere Laser umfassen. Vorzugsweise kann es sich hierbei um Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z. B. Laserdioden handeln, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) oder eine Zeile dieser Laser.
Die Lasersintervorrichtung 30 enthält hier weiterhin eine Sensoranordnung 64, welche dazu geeignet ist, eine während des Auftreffens des Laserstrahls 52 auf das Aufbaumaterial 43 in der Arbeitsebene 36 emittierte Prozessstrahlung zu erfassen. Diese Sensoranordnung 64 arbeitet dabei ortsaufgelöst, d. h. sie ist in der Lage, eine Art Emissionsbild der jeweiligen Schicht zu erfassen. Vorzugsweise wird als Sensoranordnung 64 ein Bildsensor bzw. eine Kamera verwendet, welche im Bereich der emittierten Strahlung ausreichend sensitiv ist. Alternativ oder zusätzlich könnten auch ein oder mehrere Sensoren zur Erfassung einer optischen und/oder thermischen Prozessstrahlung genutzt werden, z. B. Photodioden, die die von einem Schmelzbad unter auftreffendem Laserstrahl 52 emittierte elektromagnetische Strahlung erfassen, oder Temperaturfühler zum Erfassen einer emittierten thermischen Strahlung. Die von der Sensoranordnung 64 erfassten Signale werden als Prozessraum-Sensordatensatz SDS hier an eine Steuereinrichtung 60 der Lasersintervorrichtung 30 übergeben, welche auch dazu dient, die verschiedenen Komponenten der Lasersintervorrichtung 30 zur gesamten Steuerung des additiven Fertigungsprozesses anzusteuern.
Die Steuereinrichtung 60 umfasst eine Rechenvorrichtung 62 zur schichtweisen Berechnung bzw. Optimierung einer Bestrahlungsstrategie zur selektiven Verfestigung einer Bauteilschicht. Optional kann die Rechenvorrichtung 62 zur Erzeugung von Prozesssteuerdaten PS eine Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 65 umfassen.
Alternativ könnten die Steuerdaten PS aber auch extern, d. h. außerhalb der Rechenvorrichtung 62 bzw. der Lasersintervorrichtung 30 erzeugt werden. Beispielweise könnte die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 65' in einem externen Datenprozessor, z. B. in einem Terminal 70 realisiert sein, wobei die Steuerdaten PS der Steuereinrichtung 60 von außen zugeführt werden, beispielsweise über einen Bus 71. In diesem Fall könnte dann durch die Rechenvorrichtung 62 eine Änderung bzw. Optimierung der Steuerdaten PS, insbesondere hinsichtlich der Bestrahlungsstrategie, erfolgen. Alternativ könnten die Steuerdaten PS aber auch direkt, d. h. ohne eine Änderung durch die Rechenvorrichtung 62, an die Steuereinheit 63 weitergegeben werden.
Bevorzugt ist die Steuereinrichtung 60 so aufgebaut, dass die Bestrahlungsstrategie bzw. die Steuerdaten PS direkt in der Rechenvorrichtung 62 und zwar in der nachfolgend beschriebenen Weise ermittelt und zur Verfestigung der Bauteilschicht angewandt werden. Hierzu steuert die Steuereinheit 63 in üblicher Weise die Komponenten der Bestrahlungseinheit 50, nämlich hier den Laser 51, die Umlenkvorrichtung 53 und die Fokussiervorrichtung 54 an und übergibt hierzu an diese entsprechend Bestrahlungssteuerdaten BS.
Die Steuereinheit 63 steuert auch mittels geeigneter globaler Heizungssteuerdaten HSG die globale Strahlungsheizung 45 an, mittels Beschichtungssteuerdaten ST den Beschichter 44, mittels Trägersteuerdaten TS die Bewegung des Trägers 38 und mittels lokaler Heizungssteuerdaten HSL die lokale Heizvorrichtung 46.
Optional kann die Steuereinrichtung 60 eine weitere Kontrolleinrichtung 61 umfassen, welche unter Nutzung von (extern generierten) Prozesssteuerdaten PS und dem Prozessraum-Sensordatensatz SDS bzw. weiterer geeigneter Prozessdaten die Qualitätsdaten QD ermittelt, die beispielsweise in einer Variante auch wieder an die Rechenvorrichtung 62 übergeben werden können, um regelnd in der Bestrahlungsstrategie berücksichtigt zu werden und so in den additiven Fertigungsprozess eingreifen zu können.
Die Steuereinrichtung 60 ist, hier z. B. über einen Bus 71 oder eine andere Datenverbindung, mit einem Terminal 70 mit einem Display oder dergleichen gekoppelt. Über dieses Terminal kann ein Bediener die Steuereinrichtung 60 und somit die gesamte Lasersintervorrichtung 30 steuern. Insbesondere kann das Display des Terminals 70 auch während des laufenden Fertigungsprozesses zur Visualisierung der Bestrahlungsstrategie der Rechenvorrichtung 62 und/oder des Prozessraum-Sensordatensatzes SDS und/oder der Qualitätsdaten QD sowie zur Zuführung von Steuerdaten PS zur Lasersintervorrichtung 30 genutzt werden.
Es wird an dieser Stelle noch einmal darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Lasersintervorrichtung 30 beschränkt ist. Sie kann auf beliebige andere Verfahren zum generativen bzw. additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch, insbesondere schichtweises, Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials angewendet werden, wobei ein Hochenergiestrahl zum Verfestigen auf das zu verfestigende Aufbaumaterial abgegeben wird. Dementsprechend kann auch die Bestrahlungseinheit nicht nur, wie hier beschrieben, ein Laser sein, sondern es könnte jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie als Wellen- oder Teilchenstrahlung selektiv auf bzw. in das Aufbaumaterial gebracht werden kann. Beispielsweise könnte anstelle eines Lasers eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl etc. verwendet werden.
2 zeigt schematisch die Verfestigung einer Bauteil-Querschnittsfläche 3 eines additiven Bauteils nach einem Herstellungsverfahren gemäß dem Stand der Technik. In einem Baufeld 20 einer Vorrichtung zur additiven Fertigung wird eine Schicht eines Aufbaumaterials (nicht gezeigt) aufgebracht. Auf der Oberfläche der Schicht wird virtuell eine Anzahl von Bestrahlungsstreifen 1* angeordnet, wobei die Bestrahlungsstreifen 1* hier parallel zueinander angeordnet sind und die Breite a der Bestrahlungsstreifen 1* im Wesentlichen gleich ist. Die Bestrahlungsstreifen 1* werden nach außen hin, d. h. in ihrer Breite, durch jeweils zwei Außenränder 2 begrenzt. Die zu verfestigende Querschnittsfläche der Bauteilschicht 3 wird nach außen hin, d.h. gegenüber dem nicht zu verfestigenden Teil der Schicht, durch eine Kontur 4 bzw. Konturlinie begrenzt. Die Verfestigung der Bauteilschicht erfolgt entlang der Bestrahlungsstreifen 1*, wobei die Bestrahlungsstreifen 1* hier mäandrierend entsprechend einer Vorschubrichtung VV eines Verfestigungsbereichs bestrahlt bzw. verfestigt werden. Dabei erfolgt eine Bestrahlung der Schicht durch Bewegen der Bestrahlungsstelle BL entlang von Scanlinien 5. Die Bestrahlungsstreifen 1* werden nur in einem Bereich innerhalb der Querschnittsfläche 3 der Bauteilschicht bestrahlt.
In 3 ist schematisch ein Herstellungsverfahren zur Verfestigung einer Bauteilquerschnittsfläche 3 gemäß dem Verfahren nach 2 (also nach dem Stand der Technik) dargestellt, wobei hier die Bauteilschicht durch eine komplexere Querschnittsfläche 3 gekennzeichnet ist. Die Bestrahlung eines ersten virtuellen Bestrahlungsstreifens 1* erfolgt durch Vorschub des Verfestigungsbereichs entsprechend der Vorschubrichtung VV. In einigen Teilbereichen des Bestrahlungsstreifens 1* liegt keine oder nur eine geringe Überschneidung der Querschnittsfläche 3 mit der Fläche des Bestrahlungsstreifens 1* vor. Es bilden sich daher entlang des ersten Bestrahlungsstreifens 1* Abschnitte (entsprechend b, b'), in denen keine Bestrahlung des virtuellen Bestrahlungsstreifens 1* erfolgt. Diese Abschnitte können von isoliert liegenden zu bestrahlenden Bereichen bzw. Bestrahlungsinseln 9, 9' unterbrochen werden. Zur Bestrahlung der Querschnittsfläche 3 entlang des Bestrahlungsstreifens 1* erfolgt daher ein Bestrahlungssprung über eine erste Distanz b, d. h. die Bestrahlungsstelle BL wird unter vorübergehender Deaktivierung der Bestrahlung über die Distanz b hinweg bewegt, wobei die Bestrahlung im Bereich der Bestrahlungsinsel 9 wieder einsetzt bzw. in die Bauteilschicht einspringt. Nach Bestrahlung der Schicht im Bereich der Bestrahlungsinsel 9 erfolgt ein zweiter Bestrahlungssprung über eine Distanz b' entsprechend der Richtung RB zur Bestrahlung der Schicht im Bereich einer zweiten Bestrahlungsinsel 9'. Dabei ist der Bestrahlungssprung als „globaler“ Sprung zu verstehen, d. h. die Bestrahlungsstelle BL springt von einem ersten Teilbereich eines Bestrahlungsstreifens 1* zu einem entfernt liegenden zweiten Teilbereich, wobei ein dazwischenliegender Teilbereich des Bestrahlungsstreifens 1* nicht bestrahlt wird. Der Bestrahlungsstreifen 1* wird hier in drei separaten Abschnitten diskontinuierlich, d. h. unter vorübergehender Unterbrechung der Bestrahlung, verfestigt. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens gemäß dem Stand der Technik sind für die Bestrahlung des Bestrahlungsstreifens 1* drei Einsprungpunkte der Bestrahlung in die Schicht nötig, d. h. es werden zumindest drei separate Wärmefronten in der Bauteilschicht gebildet.
4 zeigt ausschnittsweise die Verfestigung eines Bereichs der Bauteilschicht innerhalb von virtuellen Bestrahlungsstreifen 1, 1' gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens. Auf der Querschnittsfläche 3 der Bauteilschicht (nur partiell gezeigt) wird eine Anzahl von Bestrahlungsstreifen 1, 1' virtuell angeordnet (von denen hier nur zwei gezeigt sind), wobei die Bestrahlungsstreifen 1, 1' hier als Beispiel durch eine unterschiedliche Breite a bzw. a' gekennzeichnet sind. Innerhalb der Bestrahlungsstreifen 1, 1' wird jeweils eine Anzahl von im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Scanlinien 5 angeordnet. Die Scanlinien 5 können in einem ersten Bestrahlungsstreifen 1 (hier links dargestellt) im Wesentlichen senkrecht zur Vorschubrichtung VV des Verfestigungsbereichs oder in einem weiteren Bestrahlungsstreifen 1' (hier rechts dargestellt) in einem anderen geeigneten Winkel angeordnet werden. Zur Verfestigung der Bestrahlungsstreifen 1, 1' wird eine Bestrahlungsstelle BL entlang von Scanlinien 5 innerhalb der Bestrahlungsstreifen 1, 1' bewegt. Die Bestrahlungsstelle BL wird entsprechend der Verlaufrichtung VS der Scanlinien 5 durch die Bauteil-Querschnittsfläche 3 bewegt, wobei die Verlaufrichtungen VS der Scanlinien 5 bei einem ersten Bestrahlungsstreifen 1 alternierend bzw. bei einem zweiten Bestrahlungsstreifen 1' gleichgerichtet, d. h. in derselben Orientierung, angeordnet sind. Der Vorschub des Verfestigungsbereichs erfolgt entlang der Bestrahlungsstreifen 1, 1' entsprechend der Vorschubrichtung VV. Die unterschiedliche Art der Schraffierung mit den Scanlinien 5 in den beiden Bestrahlungsstreifen 1, 1' wurde für 5 gewählt, um verschiedene Verfahren zu verdeutlichen. Grundsätzlich können aber auch alle Bestrahlungsstreifen, auch wenn sie unterschiedliche Breiten aufweisen, mit ähnlichen bzw. denselben „Schraffurarten“ abgefahren werden.
In 5 ist die Verfestigung einer Querschnittsfläche 3 der Bauteilschicht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gezeigt. Zusätzlich zu der in 4 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist hier eine lokal verfahrbare und insbesondere auch lokal wirksame Heizvorrichtung 46, schematisch dargestellt als Induktionsspule, an der Verfestigung der Bauteilschicht beteiligt. Die lokale Heizvorrichtung 46 umfasst zumindest ein Heizelement 47 sowie einen Heizelement-Träger 48. Der Heizelement-Träger 48 der lokalen Heizvorrichtung 46 ist mit einer Antriebseinheit der Lasersintervorrichtung 30, vorzugsweise innerhalb der Prozesskammer 32, so verbunden, dass die lokale Heizvorrichtung 46 gemäß Heizungssteuerdaten HSL im Prozessraum 32 lokal verfahrbar ist (vgl. 1).
Die Breite 8 des Wirkbereichs 7 der Heizvorrichtung 46 entspricht in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Breite a des Bestrahlungsstreifens 1. Mit anderen Worten wird hier die Maximalbreite a des Bestrahlungsstreifens 1 durch die Breite 8 des maximalen Wirkbereichs 7 der Beheizung im Aufbaumaterial durch die Heizvorrichtung 46 bestimmt, welcher Wirkbereich 7 wiederum von den Abmessungen des heizenden Elements 47 der lokalen Heizvorrichtung 46, hier also z. B. der Induktionsspule, abhängen kann. Es sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, dass der Wirkbereich 7 der Heizvorrichtung 46, anders als hier dargestellt, auch deutlich größer als die Maximalbreite a des Bestrahlungsstreifens 1 sein kann.
Die Heizvorrichtung 46 wird entlang eines Bestrahlungsstreifens 1 entsprechend der Vorschubrichtung VH der Heizvorrichtung 46 über die Querschnittsfläche 3 der Bauteilschicht bewegt. Die Bestrahlung der Scanlinien 5 entlang der Verlaufsrichtung VS erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel senkrecht zur Vorschubrichtung VH der Heizvorrichtung. Das bedeutet, dass die Bestrahlung bzw. die Bewegung der Bestrahlungsstelle BL an den Vorschub bzw. den Verfahrweg einer im Prozessraum lokal verfahrbaren Hilfsvorrichtung, hier namentlich die lokale Heizvorrichtung 46, angepasst ist.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist es möglich, dass der Vorschub VH der Heizvorrichtung 46 dem Vorschub VV der Verfestigung nachfolgt, d. h. die Heizvorrichtung 46 wird in einem Bereich hinter der Bestrahlungsstelle BL verfahren bzw. vorgeschoben. In einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch möglich, dass der Vorschub VV der Verfestigung unterhalb eines für den Laserstrahl durchlässigen und/oder transparenten Sichtfensters der Heizvorrichtung 46 erfolgt. Dazu kann die Heizvorrichtung 46 beispielsweise ringförmig ausgebildet sein. Die Bestrahlungsstelle BL kann sich demgemäß in einer Draufsicht auf das Baufeld stets innerhalb einer ringförmigen Öffnung bzw. Aussparung der Heizvorrichtung 46 befinden, welche beispielsweise wie hier gezeigt durch das heizende Element 47 ausgebildet sein kann.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Heizvorrichtung 46 hier stellvertretend für eine Anzahl verschiedenartiger, lokal im Prozessraum verfahrbarer Hilfsvorrichtungen 46 gezeigt ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde lediglich eine einzige Hilfsvorrichtung 46 dargestellt, wobei das erfindungsgemäße Verfahren nicht darauf beschränkt ist.
In der 6 wird schematisch die Segmentierung einer Bauteil-Querschnittsfläche 3 in virtuelle Querschnittsflächensegmente 10, 10', 10" gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gezeigt. Für einen besseren Vergleich wurde hierzu dieselbe Querschnittsfläche wie bei dem Beispiel in 3 gewählt, anhand derer ein Verfahren nach dem Stand der Technik erläutert wurde.
Die Querschnittsfläche 3 der Bauteilschicht wird dabei mittels einer Rechenvorrichtung 62 (siehe 1) anhand von Optimierungskriterien so in eine Anzahl an Querschnittsflächensegmente 10, 10', 10" unterteilt, dass die Bestrahlungsstrategie für die Bauteilschicht optimiert werden kann. Dabei erfolgt hier in 6 als Beispiel eine Aufteilung in drei Querschnittsflächensegmente 10, 10', 10", ein linkes Segment 10, ein mittleres Segment 10' und ein rechts angeordnetes Segment 10".
Diese Querschnittsflächensegmente 10, 10', 10", nachfolgend auch als Segmente 10, 10', 10" bezeichnet, werden durch virtuelle Segmentgrenzen 11 bzw. durch die Kontur 4 der Bauteil-Querschnittsfläche 3 in ihrer flächenmäßigen Ausdehnung begrenzt. Die Segmentgrenzen 11 verlaufen hier im Wesentlichen senkrecht zur Vorschubrichtung VV der Verfestigung, wobei zur Optimierung der Bestrahlungsstrategie auch eine andersartige Ausrichtung gewählt werden kann. Die Orientierung der Bestrahlungsstreifen 1 ist hier im Wesentlichen parallel zu einer vorab frei definierten Haupterstreckungsrichtung E der Bauteilschicht bzw. Bauteil-Querschnittsfläche 3, wobei das erfindungsgemäße Verfahren nicht darauf beschränkt ist. Die Haupterstreckungsrichtung E entspricht hier im Wesentlichen einer Richtung der größten horizontalen Ausdehnung der Bauteilschicht bzw. Bauteil-Querschnittsfläche 3 und definierte hier die Länge der Bauteilschicht bzw. Bauteil-Querschnittsfläche 3, wobei rechtwinklig dazu hier die Breite der Bauteilschicht bzw. Bauteil-Querschnittsfläche 3 definiert ist. Die Bestrahlungsstreifen 1 könnten auch mit einer unterschiedlichen Orientierung in den Segmenten 10, 10', 10" angeordnet werden. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass aus Gründen der Übersichtlichkeit die Scanlinien, die zur Verfestigung der Bauteilschicht bestrahlt werden, hier und in den nachfolgend beschriebenen 7 bis 9 nicht dargestellt sind.
Zur Optimierung der Bestrahlungsstrategie kann mittels der Rechenvorrichtung 62 (siehe 1) ein individuelles virtuelles Bestrahlungsstreifenmuster in den Segmenten 10, 10', 10" angeordnet werden, wobei sich die Maximalbreite a, a', a", a''', a*, a**, a*** der virtuellen Bestrahlungsstreifen 1 sowohl innerhalb eines virtuellen Segments 10, 10', 10" als auch zwischen den unterschiedlichen virtuellen Segmenten 10, 10', 10" unterscheiden kann. Bei der Anordnung der Bestrahlungsstreifen 1 wird neben der Kontur 4 und der Haupterstreckungsrichtung E der Bauteil-Querschnittsfläche 3 insbesondere das Auftreten von geometrischen Hindernissen innerhalb eines Segments 10, 10', 10" berücksichtigt, wobei die Bestrahlungsstreifen 1 so angeordnet werden, dass Bestrahlungsinseln 9 (siehe 3) in den Bestrahlungsstreifen 1 vermieden werden und die Maximalbreite a, a', a", a''', a*, a**, a*** der Bestrahlungsstreifen 1 in einem bevorzugten Bereich der Bestrahlung liegt (z. B. 5-8 mm). Ausgehend von einer bevorzugten Maximalbreite a, beispielsweise 8 mm, werden einige der virtuellen Bestrahlungsstreifen 1 mit einer unterschiedlichen, d. h. einer geringeren Breite a', a", a*** (z.B. 6 mm, 5 mm, 3 mm), in dem Segment 10, 10', 10" virtuell angeordnet. Vorteilhafterweise kann dadurch erreicht werden, dass das Auftreten von Bestrahlungsinseln 9 (siehe 3) in den Bestrahlungsstreifen 1 des Segments 10, 10', 10" vermieden wird, wobei die Anzahl an Bestrahlungsstreifen 1, die zur Verfestigung des Segments 10, 10', 10" benötigt wird, reduziert wird.
Zur Optimierung der Bestrahlungsstrategie können durch die Rechenvorrichtung 62 (siehe 1) weiterhin eine vorteilhafte Reihenfolge der Bestrahlung der Segmente 10, 10', 10" sowie ein Startpunkt 12 und ein Endpunkt 14 der Verfestigung der Bauteilschicht festgelegt werden.
Ausgehend vom Startpunkt 12 (hier in dem ganz links dargestellten Segment 10) erfolgt hier die Verfestigung des Segments 10 durch mäandrierenden Vorschub des aktuellen Verfestigungsbereichs entlang der Vorschubrichtung W, wobei der Vorschub des Verfestigungsbereichs entlang des Bestrahlungsstreifens 1 mit Erreichen der Kontur 4 der Bauteil-Querschnittsfläche 3 oder der Segmentgrenze 11 endet bzw. ein Wechsel zum nächsten Bestrahlungsstreifen 1 des Segments 10 erfolgt. Das bedeutet, dass die Bestrahlungsstreifen 1 des Segments 10 nacheinander als eine Einheit bzw. Bestrahlungsstreifengruppe 16 (siehe 7) verfestigt werden.
Durch die Bestrahlungsstrategie kann weiterhin festgelegt werden, wie bzw. wohin ein Bestrahlungssprung an einem Wechselpunkt 13 erfolgt. Wie in 6 gezeigt, kann der Bestrahlungssprung ausgehend vom Wechselpunkt 13 in unterschiedliche Bereiche des nachfolgend zu bestrahlenden Segments 10' erfolgen, d. h. die Bestrahlung kann an einem Einsprungpunkt 19 oder 19' in das Segment 10' einspringen. Entsprechend wird auch der Verfestigungsbereich gemäß einer Richtung RB oder RB' vorgeschoben. An einem Wechselpunkt 13 erfolgt also der Wechsel der Bestrahlung bzw. der Verfestigung von einem ersten Querschnittsflächensegment 10 zu einem zweiten Querschnittsflächensegment 10'. Die Entscheidung über den jeweiligen besten Einsprungpunkt 19, 19' kann beispielsweise nach der Maßgabe getroffen werden, ob dem Kriterium einer einheitlichen Wärmefront in der Bauteilschicht oder einer möglichst kurzen Distanz des Bestrahlungssprungs der Vorrang gegeben wird. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt der Wechsel der Bestrahlung vom ersten Segment 10 zum mittleren Segment 10' zum Einsprungpunkt 19'.
Im mittleren Segment 10' sind zur Optimierung der Bestrahlungsstrategie die virtuellen Bestrahlungsstreifen 1 mit unterschiedlichen Maximalbreiten a, a', a", a''', a*, a**, a*** angeordnet, wobei hier auch eine Vergrößerung der maximalen Bestrahlungsstreifenbreite a''', a** (z. B. 10 mm, 9 mm) erfolgt. Die Bestrahlungsstreifen des Segments 10' sind allesamt in einem Bereich zwischen einem vordefinierten Minimal- bzw. Maximalwert der Bestrahlungsstreifenbreite (z. B. 3 mm bis 10 mm) angeordnet, wobei die zuvor erläuterten Kriterien zur Optimierung der Bestrahlungsstrategie zur Anwendung kommen.
Zur Optimierung der Bestrahlungsstrategie erfolgt in dem mittleren Segment 10' weiterhin eine virtuelle lokale Teil-Segmentierung. Im Bereich der lokalen Teil-Segmentierung wird das virtuelle Segment 10' nochmals untersegmentiert, d. h. es werden in diesem Fall zwei zusätzliche lokale Segmentgrenzen 11" virtuell angeordnet (hier als Beispiel senkrecht zueinander und rechts oben im mittleren Segment 10' dargestellt), so dass zwei, im Sinne der Bestrahlungsstrategie eigenständige bzw. unabhängige, Teil-Segmente des mittleren Segments 10' entstehen. Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht eines der Teil-Segmente im Wesentlichen dem ursprünglichen Segment 10', wobei das Segment 10' um die Fläche bzw. den Bereich des zweiten lokalen Teil-Segments LT verkleinert ist. In beiden Teil-Segmenten ist zumindest ein virtueller Bestrahlungsstreifen 1 angeordnet.
Durch die Teil-Segmentierung wird erreicht, dass im Bereich des lokalen Teil-Segments LT die Maximalbreite a''' eines Bestrahlungsstreifens 1 so vergrößert werden kann, dass anstelle von zwei Bestrahlungsstreifen 1 nur noch ein Bestrahlungsstreifen 1 verfestigt wird, so dass zumindest im Bereich des lokalen Teil-Segments LT die Anzahl an virtuellen Bestrahlungsstreifen reduziert wird. Der Bestrahlungssprung bzw. der Wechsel der Verfestigung zwischen den beiden Teil-Segmenten, ausgehend von einem Wechselpunkt, ist in diesem Fall nicht explizit dargestellt, sondern erfolgt durch kontinuierlichen Vorschub des Verfestigungsbereichs entlang der Vorschubrichtung VV des Bestrahlungsstreifens 1 über die virtuelle lokale Segmentgrenze 11" hinweg.
Im Bereich der virtuellen Segmentgrenze 11 zwischen dem mittleren Segment 10' und dem rechten Segment 10" erfolgt hier zur Optimierung der Bestrahlungsstrategie beispielhaft eine lokale Aufhebung der Segmentgrenze 11 (im unteren Bereich der Segmentgrenze 11 in 6), wobei das mittlere Segment 10' durch die Anordnung von zwei lokalen, im Beispiel zueinander senkrechten, Segmentgrenzen 11" um den Bereich LA des lokalen Erweiterungssegments erweitert wird. Gemäß der Segmentgrenze 11 ist der Bereich LA eigentlich Bestandteil des rechten Segments 10". Hier wird der Bereich LA jedoch virtuell dem mittleren Segment 10' zugerechnet und wird auch gemeinsam mit diesem Segment 10' verfestigt.
Am Wechselpunkt 13' innerhalb des Bereichs LA des lokalen Erweiterungssegments kann dann, wie oben erläutert, mittels einer Entscheidungslogik ein Bestrahlungssprung gemäß einer der Sprungrichtungen RB oder RB' zur Verfestigung des angrenzenden verbleibenden rechten Segments 10" erfolgen. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt der Wechsel der Bestrahlung gemäß der Sprungrichtung RB zum Einsprungpunkt 19 des rechten Segments 10". Die Bestrahlung der Bestrahlungsstreifen 1 des rechten Segments endet dann an einem Endpunkt 14. Damit ist die Verfestigung der drei Querschnittsflächensegmente 10, 10', 10" bzw. der Bauteil-Querschnittsfläche 3 abgeschlossen.
Zur Optimierung der Bestrahlungsstrategie kann weiterhin die Vorschubrichtung VV des Verfestigungsbereichs innerhalb eines Segments 10, 10', 10" geändert werden, beispielsweise in Abhängigkeit von geometrischen Hindernissen in dem Segment. Dies kann anhand von 7 verdeutlicht werden, die eine Bauteilschicht mit derselben Querschnittsfläche 3 wie in 6 zeigt, wobei jedoch innerhalb eines Querschnittsflächensegments 10, 10', 10" der Querschnittsfläche 3 zusätzlich zwei nicht zu verfestigende Bereiche bzw. Aussparungen bzw. Löcher 15, 15' unterschiedlicher Größe angeordnet sind.
Ein erstes Loch 15 liegt vollumfänglich innerhalb eines Bestrahlungsstreifens 1, d. h. sein Durchmesser in einer Richtung des Verlaufs von Scanlinien (nicht gezeigt) bzw. in einer Richtung senkrecht zur Längserstreckung der Bestrahlungsstreifen 1 ist geringer als die Breite 8 eines maximalen Wirkbereichs 7 der lokal wirkenden Heizvorrichtung 46 (siehe 5). Der Bestrahlungsstreifen 1 wird gemäß der Vorschubrichtung VV des Verfestigungsbereichs verfestigt, wobei das Loch 15 unverfestigt bleibt. Es kann von einer Hilfsvorrichtung, beispielsweise einer lokalen Heizvorrichtung 46 (siehe 5), ohne eine Notwendigkeit einer Richtungsänderung „überfahren“ werden, während die im Beispiel zu beiden Seiten des Loches 15 angeordneten Scanlinien-Segmente (nicht gezeigt) mit einer entsprechenden Unterbrechung bestrahlt bzw. verfestigt werden. Unmittelbar nach dem Ende des Loches 15 schließt sich in der Verfestigungsrichtung VV eine ununterbrochene Scanlinie (nicht gezeigt) an.
Der Durchmesser eines zweiten Lochs 15' in einer Richtung senkrecht zur Längserstreckung der Bestrahlungsstreifen 1 ist größer als der maximale Wirkbereich einer Heizvorrichtung 46 (siehe 5), so dass das Loch 15' nicht ohne Weiteres von der Hilfsvorrichtung, beispielsweise einer lokalen Heizvorrichtung 46 (siehe 5), „überfahren“ werden kann.
Die Bestrahlungsstrategie wird deshalb hier entsprechend angepasst bzw. optimiert:
Ausgehend von einem Startpunkt 12 wird in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zunächst das rechte Segment 10" verfestigt. Im oberen Bereich des Segments 10" erfolgt dann ein Wechsel bzw. Übergang der Verfestigung zum angrenzenden, mittleren Segment 10', wobei die virtuelle Segmentgrenze 11 hier „überfahren wird“, d. h. es erfolgt kein Bestrahlungssprung.
Mit Erreichen eines Wechselpunkts 13 (hier im rechten Bereich des mittleren Segments 10') im mittleren Segment 10' wird die mäandrierende Verfestigung der Bestrahlungsstreifen 1 unterbrochen, wobei ein Wechsel der Verfestigung gemäß der Sprungrichtung RB zu einem darunter angeordneten Bestrahlungsstreifen 1' erfolgt, welcher zunächst nur partiell, d. h. in einem rechts vom Loch 15' befindlichen Teilbereich, verfestigt wird. Im Zuge der oben beschriebenen lokalen Aufhebung der Segmentgrenze 11 in einem Bereich LA des mittleren Segments 10' (hier als Beispiel unten rechts liegend im Segment 10' dargestellt) erfolgt ein Wechsel der Verfestigung zum untersten Bestrahlungsstreifen 1'', bevor - wiederum einem alternierenden Muster folgend - der noch unverfestigte Teilbereich des darüber liegenden Bestrahlungsstreifens 1', d. h. der links vom Loch 15' befindliche Teilbereich, verfestigt wird.
Ausgehend von einem weiteren Wechselpunkt 13' (hier am linken Rand des Lochs 15' im mittleren Segment 10') im mittleren Segment 10' erfolgt dann in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Wechsel der Bestrahlung vom mittleren Segment 10' zum linken Segment 10 gemäß der Sprungrichtung RB' zum Einsprungpunkt 19 des linken Segments 10. Mit Erreichen eines Endpunkts 14 im linken Segment 10 ist die Verfestigung des Segments 10 und somit auch der Bauteil-Querschnittsfläche 3 abgeschlossen.
Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass an der Bestrahlung bzw. Verfestigung der Bauteilschicht, wenn auch hier nicht explizit gezeigt, weitere Hilfsvorrichtungen beteiligt sein können.
8 zeigt eine alternative Möglichkeit der Segmentierung einer Bauteil-Querschnittsfläche 3 mit der gleichen Kontur wie in den 6 und 7 in drei Querschnittsflächensegmente 10, 10', 10". In dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die virtuellen Segmentgrenzen 11 schräg, d. h. nicht rechtwinklig, gegenüber den virtuellen Bestrahlungsstreifen 1 angeordnet. Vorteilhaftweise kann dadurch erreicht werden, dass auf eine lokale Aufhebung von Segmentgrenzen bzw. eine lokale Teil-Segmentierung innerhalb der Querschnittsflächensegmente 10, 10', 10", wie dies beispielsweise in 6 gezeigt ist, verzichtet werden kann, wobei dennoch eine vorteilhafte bzw. optimierte Bestrahlung der Bauteil-Querschnittsfläche 3 ermöglicht wird.
Zur weiteren Optimierung der Bestrahlungsstrategie wird die Außengrenze 2, 2', 2" der Bestrahlungsstreifen 1 jedes Querschnittsflächensegments 10, 10', 10" ausgehend von einem Referenzpunkt 18 derart in Richtung der Kontur 4 der Bauteilschicht bzw. der Querschnittsflächensegmente 10, 10', 10" verschoben, dass der jeweilige Außenrand 2, 2', 2" des Bestrahlungsstreifens 1 mit zumindest einem Punkt der Kontur 4 in dem jeweiligen Querschnittsflächensegment 10, 10', 10" zusammenfällt, d. h. eine Tangente zu dieser Kontur 4 bildet. Das bedeutet, dass in jedem Querschnittsflächensegment 10, 10', 10" einer Bauteilschicht ein erster randständiger Bestrahlungsstreifen 1 separat bzw. individuell angeordnet wird, so dass auf die Anordnung eines „globalen“ randständigen Bestrahlungsstreifens für die gesamte Bauteil-Querschnittsfläche 3 verzichtet werden kann.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem umliegenden Bereich der Querschnittsfläche 3 der Bauteilschicht ein Bezugsrahmen bzw. eine „Bounding Box“ 17 angeordnet (9). Die Bounding Box 17 ist vorzugsweise rechtwinklig ausgebildet und umschließt die Kontur 4 möglichst eng, so dass der nicht zu verfestigende Bereich zwischen der Bounding Box 17 und der Kontur 4 möglichst gering ist. Als Referenzpunkt 18 kann beispielsweise ein Eckpunkt 18 der Bounding Box 17 dienen, von dem aus ein Außenrand 2 eines randständigen Bestrahlungsstreifens 1 so weit in Richtung der Querschnittsfläche 3 der Bauteilschicht virtuell verschoben wird, bis die Außengrenze 2 eine Tangente zur Kontur 4 bildet. Die weiteren Bestrahlungsstreifen 1 werden entsprechend der zuvor erläuterten Optimierungskriterien angeordnet.
In 10 wird eine bevorzugte Vorgehensweise bei der Verfestigung von Bestrahlungsstreifen 1, 1' im Bereich einer Segmentgrenze 11, 11' für einen Teilbereich der Bauteil-Querschnittsfläche 3 dargestellt.
Zur Optimierung der Bestrahlungsstrategie der Bauteilschicht kann von der Rechenvorrichtung 62 (siehe 1) auch eine virtuelle Segmentgrenze 11 mit einem kurvenförmigen Verlauf auf der Bauteil-Querschnittsfläche 3 virtuell angeordnet werden. Wie hier gezeigt, verläuft die virtuelle Segmentgrenze 11 zumindest abschnittsweise nicht senkrecht zur Vorschubrichtung VV des Verfestigungsbereichs. Bei der Verfestigung einer solchen Segmentgrenze 11 können die Scanlinien 5, 5', 5" daher im Bereich der virtuellen Segmentgrenze 11 unterschiedlich lang sein. In der Folge könnten die virtuellen Scanlinien 5, 5', 5" des in 10 obenliegend angeordneten Bestrahlungsstreifens 1 des hier rechts dargestellten Segments 10' nur in einem Bereich oberhalb der virtuellen Segmentgrenze 11 verfestigt werden, wobei die unterhalb liegenden Teilbereiche der Scanlinien 5, 5', 5" des Bestrahlungsstreifens 1 einem angrenzenden Querschnittsflächensegment 10 zugeordnet würden. Das bedeutet, dass der Bestrahlungsstreifen 1, zumindest in einem Bereich der virtuellen Segmentgrenze, nur partiell, d. h. nicht entsprechend seiner Maximalbreite, bestrahlt wird. Dadurch würde ein Energieeintrag in die Schicht in diesem Bereich des Bestrahlungsstreifens 1 weniger homogen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Verlauf einer virtuellen Segmentgrenze 11 daher durch die Rechenvorrichtung 62 (siehe 1) zusätzlich zu den zuvor erläuterten Optimierungskriterien noch weiter, vorzugsweise lokal, optimiert werden. Vorteilhafterweise rechnet die Rechenvorrichtung 62 einen lokal kurvenförmigen Verlauf einer virtuellen Segmentgrenze 11 in einen gestuften Verlauf einer tatsächlichen Segmentgrenze 11' um, wie nachfolgend erläutert wird. Wie in 10 gezeigt, ist die tatsächliche Segmentgrenze 11' vorzugsweise entlang von bzw. parallel zu Scanlinien 5, 5', 5" bzw. im Wesentlichen senkrecht zur Längsausdehnung des Bestrahlungsstreifens 1 angeordnet. Die tatsächliche Segmentgrenze 11' folgt also einem gestuften Verlauf und alterniert demnach in einem Bereich um die virtuelle Segmentgrenze 11. Wie hier gezeigt ist, schneidet jeder Abschnitt der tatsächlichen Segmentgrenze 11' einmal die virtuelle Segmentgrenze 11, wobei unter einem Abschnitt der Bereich der tatsächlichen Segmentgrenze 11' verstanden wird, der im Bereich bzw. auf dem Außenrand 2 des Bestrahlungsstreifens 1 verläuft.
Abschließend wird erläutert, wie ein zuvor beschriebenes Verfahren zur additiven Fertigung einer Bauteilschicht mittels einer Vorrichtung (30) zur additiven Fertigung, insbesondere einer Rechenvorrichtung 62 einer Steuereinheit 60 (siehe 1), umgesetzt werden kann.
11 zeigt hierzu ein stark vereinfachtes Ablaufdiagramm der Prüf- bzw. Entscheidungslogik der Rechenvorrichtung 62 (siehe 1) für die Berechnung einer optimierten Bestrahlungsstrategie einer Bauteilschicht eines Bauteils gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die nachfolgend erläuterte Entscheidungslogik wird schichtweise, d. h. separat für jede zu verfestigende Schicht eines Bauteils, durchlaufen, wobei die Berechnung der Bestrahlungsstrategie vor Beginn oder auch während des additiven Fertigungsprozesses erfolgen kann.
Als Eingangsparameter der Prüflogik können Prozesssteuerdaten PS einer Bauteilschicht der Rechenvorrichtung zugeführt werden. Wie zuvor erwähnt, können der Rechenvorrichtung 62 bereits überwiegend fertig erzeugte Steuerdaten PS zugeführt werden, die z. B. mittels einer externen Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 65' erzeugt wurden (siehe 1), so dass durch die Rechenvorrichtung 62 im Wesentlichen noch eine Optimierung der Bestrahlungsstrategie erfolgen kann. Dazu kann in einem ersten Prozessschritt QS auf Basis der Prozesssteuerdaten eine virtuelle Segmentierung zumindest eines Teilbereichs der Bauteil-Querschnittsfläche in eine Anzahl von virtuellen Querschnittsflächensegmenten erfolgen.
Ausgehend von einem Referenzpunkt kann dann in einem Prozessschritt BR in einem ersten Querschnittsflächensegment ein erster randständiger Bestrahlungsstreifen mit einer Normbreite virtuell angeordnet werden. In einem Prüfschritt BRO der Entscheidungslogik erfolgt dann eine Optimierung der Bestrahlungsstreifenbreite nach einem der zuvor erläuterten Optimierungskriterien. Infolge dieser Überprüfung kann dieser erste randständige Bestrahlungsstreifen dann mit einer optimierten Breite in dem Querschnittsflächensegment virtuell angeordnet werden.
In einem weiteren Prozessschritt BT kann durch die Rechenvorrichtung mittels eines iterativen Prozesses ein weiterer, an den ersten Bestrahlungsstreifen angrenzender, Bestrahlungsstreifen mit einer Normbreite virtuell in dem Querschnittsflächensegment angeordnet werden. Vorzugsweise erfolgt auch für diesen weiteren Bestrahlungsstreifen, wie zuvor erläutert, eine Optimierung der Bestrahlungsstreifenbreite in einem Prozessschritt BTO, so dass der Bestrahlungsstreifen entsprechend einer optimierten Breite in dem Querschnittsflächensegment angeordnet werden kann.
Anschließend prüft die Rechenvorrichtung in einem Schritt PF1, ob die Oberfläche des Querschnittsflächensegments bereits vollständig von virtuellen Bestrahlungsstreifen bedeckt ist.
Sofern noch nicht die gesamte Oberfläche des Querschnittsflächensegments von virtuellen Bestrahlungsstreifen umfasst ist, wird der zuvor beschriebene iterative Prozess SF1 so oft durchlaufen, bis im Prüfschritt PF1 festgestellt wird, dass eine genügende Anzahl von virtuellen Bestrahlungsstreifen in dem Querschnittsflächensegment angeordnet ist, wobei die zusätzlich angeordneten Bestrahlungsstreifen dann jeweils an den unmittelbar zuvor angeordneten virtuellen Bestrahlungsstreifen angrenzen.
In einem weiteren Schritt PF2 der Entscheidungslogik erfolgt eine Prüfung dahingehend, ob zur Verfestigung der Bauteilschicht noch weitere Querschnittsflächensegmente zu bestrahlen bzw. mit virtuellen Bestrahlungsstreifen zu versehen sind. Gegebenenfalls kann ein iterativer Prozess SF2 im Sinne einer übergeordneten äußeren Schleife so oft durchlaufen werden, bis die gesamte Oberfläche der Bauteil-Querschnittsfläche, d. h. die Gesamtheit der Querschnittsflächensegmente, von virtuellen Bestrahlungsstreifen bedeckt ist.
Vorzugsweise schließt die Entscheidungslogik mit einem Schritt STB, in dem durch die Rechenvorrichtung 62 (siehe 1) auf Grundlage der zuvor ermittelten Daten eine Bestrahlungsstrategie zur Bestrahlung der Querschnittsfläche der Bauteilschicht berechnet und optimiert wird, wobei die Bestrahlungsstrategie anschließend in den Steuerdatensatz PS implementiert werden kann.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Figuren lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
Bezugszeichenliste

1, 1', 1'', 1*: Bestrahlungsstreifen
2, 2', 2": Außenrand Bestrahlungsstreifen
3: Bauteil-Querschnittsfläche
4: Kontur Bauteil-Querschnittsfläche
5, 5', 5": Scanlinie
7: Wirkbereich Heizvorrichtung
8: Breite Wirkbereich Heizvorrichtung
9, 9': Bestrahlungsinsel
10, 10', 10'': Querschnittsflächensegment
11, 11', 11'': Segmentgrenze
12: Startpunkt Verfestigung
13, 13': Wechselpunkt
14: Endpunkt der Verfestigung
15, 15': Loch
16: Bestrahlungsstreifengruppe
17: Bounding Box
18: Referenzpunkt
19, 19': Einsprungpunkt
20: Baufeld
30: Vorrichtung zur additiven Fertigung / Lasersintervorrichtung
31: Additives Fertigungsprodukt
32: Prozessraum / Prozesskammer
33: Kammerwandung
34: Behälter
35: Behälterwandung
36: Arbeitsebene
37: Baufeld
38: Träger
39: Grundplatte
40: Bauplattform
41: Aufbaumaterial
42: Vorratsbehälter
43: Aufbaumaterial (frisch)
44: Beschichter
45: Heizvorrichtung global
46: Heizvorrichtung lokal
47: Heizelement
48: Heizelement-Träger
50: Bestrahlungseinheit
51: Laser
52: Laserstrahl
53: Umlenkvorrichtung
54: Fokussiereinrichtung
55: Einkoppelfenster
60: Steuereinrichtung
61: Kontrolleinrichtung
62: Rechenvorrichtung
63: Steuereinheit
64: Sensoranordnung / Kamera
65, 65': Steuerdatenerzeugungsvorrichtung
70: Terminal
71: Bus
a, a', a'', a''', a*, a**, a***: Maximalbreite Bestrahlungsstreifen
b, b': Distanz Bestrahlungssprung
BL: Bestrahlungsstelle
BR: Prozessschritt
BRO: Prozessschritt
BS: Bestrahlungssteuerdaten
BT: Prozessschritt
BTO: Prozessschritt
E: Haupterstreckungsrichtung Bauteil-Querschnittsfläche
H: horizontale Richtung
HSG: Heizungssteuerdaten global
HSL: Heizungssteuerdaten lokal
LA: Lokales Erweiterungssegment
LT: Lokales Teil-Segment
PF1: Prüfschritt 1
PF2: Prüfschritt 2
PS: Prozesssteuerdaten
QD: Qualitätsdaten
QS: Prozessschritt
RB, RB': Richtung Bestrahlungssprung
SDS: Prozessraum-Sensordaten
SF1: Iterativer Prozessschritt 1
SF2: Iterativer Prozessschritt 2
ST: Beschichtungssteuerdaten
STB: Prozessschritt
TS: Trägersteuerdaten
V: vertikale Richtung
VH: Vorschubrichtung lokale Heizvorrichtung
VV: Vorschubrichtung Verfestigungsbereich
VS: Verlaufrichtung Scanlinie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/078595 A1 [0016]

Claims

Verfahren zur Generierung von Steuerdaten (PS) für eine Vorrichtung (30) zur additiven Fertigung zumindest einer Bauteilschicht zumindest eines Bauteils (31) in einem Fertigungsprozess, in welchem wenigstens eine Schicht eines Aufbaumaterials in einen Prozessraum (32) eingebracht wird und das Aufbaumaterial der Schicht durch Bestrahlung von zumindest einem Teilbereich der Schicht mittels einer Bestrahlungseinheit (50) selektiv verfestigt wird, wobei die Steuerdaten (PS) derart erstellt werden, dass die Vorrichtung (30) zur additiven Fertigung so angesteuert wird, dass zur Verfestigung eine Bestrahlungsstelle (BL) durch die Bestrahlungseinheit (50) entlang einer Anzahl von Scanlinien (5, 5', 5") eines oder mehrerer Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') bewegt wird, - wobei jeder Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') eine vorgegebene Maximalbreite (a, a', a", a''', a*, a**, a***) aufweist und wobei die Scanlinien (5, 5', 5'') innerhalb der Maximalbreite (a, a', a", a''', a*, a**, a***) des Bestrahlungsstreifens (1, 1', 1'') und im Wesentlichen quer zu einer Vorschubrichtung (VV) eines Verfestigungsbereichs entlang des Bestrahlungsstreifens (1, 1', 1'') verlaufen, und - wobei zumindest zwei Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') einer Schicht in Abhängigkeit von einem Regelungsparameter, insbesondere einer Bauteilgeometrie, eine unterschiedliche Maximalbreite (a, a', a", a''', a*, a**, a***) zugeordnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bewegen der Bestrahlungsstelle (BL) zumindest abschnittsweise an den Vorschub einer im Prozessraum (32) lokal verfahrbaren Hilfsvorrichtung angepasst wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teilbereich einer Querschnittsfläche (3) der Bauteilschicht mittels einer Rechenvorrichtung (62) in eine Anzahl an Querschnittsflächensegmenten (10, 10', 10") unterteilt wird und wobei ein Querschnittsflächensegment (10, 10', 10") eine Anzahl an Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die einem Querschnittsflächensegment (10, 10', 10") zugeordneten Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') eine Bestrahlungsstreifengruppe (16) bilden, wobei die Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') der Bestrahlungsstreifengruppe (16), vorzugsweise unmittelbar aufeinanderfolgend verfestigt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei durch die Rechenvorrichtung (62) eine Segmentierung der Querschnittsfläche (3) der Bauteilschicht in Querschnittsflächensegmente (10, 10', 10") unter Berücksichtigung wenigstens eines der folgenden Optimierungskriterien optimiert wird: - Verringerung einer Anzahl an Bestrahlungssprüngen innerhalb der Querschnittsfläche (3) der Bauteilschicht; - Verringerung einer Distanz (b, b') von Bestrahlungssprüngen innerhalb der Querschnittsfläche (3) der Bauteilschicht.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei durch die Rechenvorrichtung (62) eine Anordnung und/oder Maximalbreite (a, a', a", a''', a*, a**, a***) der Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') eines Querschnittsflächensegments (10, 10', 10'') unter Berücksichtigung wenigstens eines der folgenden Optimierungskriterien optimiert wird: - Anordnung eines ersten randständigen Bestrahlungsstreifens (1, 1', 1''), dessen Außenrand (2, 2', 2'') eine Tangente zu einem Außenrand (4) des Querschnittsflächensegments (10, 10', 10'') ausbildet; - Vermeidung von Bestrahlungsinseln (9, 9') innerhalb eines Bestrahlungsstreifens (1, 1', 1''); - Verringerung der Anzahl an Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') des Querschnittsflächensegments (10, 10', 10'').
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 6, wobei innerhalb des Querschnittsflächensegments (10, 10', 10'') eine lokale Segmentierung eines Querschnittsflächensegments (10, 10', 10'') in zumindest zwei Teil-Querschnittsflächensegmente (LT) erfolgt und/oder eine oder mehrere Segmentgrenzen (11) in einem Bereich (LA) des Querschnittsflächensegments (10, 10', 10'') lokal aufgehoben werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 7, wobei eine Bestrahlungsstrategie durch die Rechenvorrichtung (62) mittels einer Entscheidungslogik berechnet wird, wobei die Entscheidungslogik folgende Schritte umfasst: a) Segmentierung zumindest eines Teilbereichs der Querschnittsfläche (3) der Bauteilschicht in eine Anzahl an Querschnittsflächensegmente (10, 10' 10''); b) Anordnung eines ersten Bestrahlungsstreifens (1, 1', 1'') in einem ersten Querschnittsflächensegment (10, 10' 10") ausgehend von einem Referenzpunkt (18); c) Optimierung der Maximalbreite (a, a', a'', a''', a*, a**, a***) des Bestrahlungsstreifens (1, 1', 1''); d) Anordnung zumindest eines zweiten, an den ersten Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') angrenzenden Bestrahlungsstreifens (1, 1', 1'') in dem Querschnittsflächensegment (10, 10', 10"); e) Optimierung der Maximalbreite (a, a', a", a''', a*, a**, a***) des zweiten Bestrahlungsstreifens (1, 1', 1"); f) Wiederholen der Schritte d) und e), so dass das Querschnittsflächensegment (10, 10', 10") vollständig von virtuellen Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') bedeckt ist; g) Wiederholen der Schritte b) bis f) für eine Anzahl an Querschnittsflächensegmenten (10, 10', 10"); h) Berechnung einer optimierten Bestrahlungsstrategie zur Bestrahlung der Querschnittsflächensegmente (10, 10', 10") der Bauteilschicht unter Berücksichtigung der ermittelten Maximalbreiten (a, a', a", a''', a*, a**, a***) der Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'').
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Aufbaumaterial der Schicht, zumindest in einem Bereich der Bestrahlungsstelle (BL), zumindest vor der Bestrahlung, mittels einer, vorzugsweise verfahrbaren lokalen, Heizvorrichtung (46) erwärmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Heizvorrichtung (46) eine Induktionsspulenanordnung (46), vorzugsweise zumindest zwei gegeneinander verstellbar gelagerte Induktionsspulen (46), umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 9 oder 10, wobei die Maximalbreite (a, a', a", a''', a*, a**, a***) des Bestrahlungsstreifens (1, 1', 1'') maximal der Breite (8) eines Wirkbereichs (7) einer, vorzugsweise verfahrbaren lokalen, Heizvorrichtung (46) entspricht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Aufbaumaterial zumindest in einem Wirkbereich (7) der Heizvorrichtung (46) auf eine Solltemperatur erwärmt wird, wobei die Solltemperatur vorzugsweise wenigstens 50%, besonders bevorzugt wenigstens 70%, ganz besonders wenigstens 80%, insbesondere bevorzugt wenigstens 90% einer Erstarrungstemperatur des zu verfestigenden Aufbaumaterials beträgt.
Verfahren zur additiven Fertigung zumindest einer Bauteilschicht zumindest eines Bauteils (31), folgende Schritte umfassend: - Einbringen einer Schicht eines Aufbaumaterials in einen Prozessraum (32); - Selektives Verfestigen des Aufbaumaterials der Schicht durch Bestrahlung von zumindest einem Teilbereich der Schicht mittels einer Bestrahlungseinheit (50), - wobei zur Verfestigung eine Bestrahlungsstelle (BL) durch die Bestrahlungseinheit (50) entlang einer Anzahl von Scanlinien (5, 5', 5") eines oder mehrerer Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') bewegt wird, wobei jeder Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') eine vorgegebene Maximalbreite (a, a', a", a'", a*, a**, a***) aufweist und wobei die Scanlinien (5, 5', 5") innerhalb der Maximalbreite (a, a', a", a''', a*, a**, a***) des Bestrahlungsstreifens (1, 1', 1'') und im Wesentlichen quer zu einer Vorschubrichtung (VV) eines Verfestigungsbereichs entlang des Bestrahlungsstreifens (1, 1', 1'') verlaufen, und - wobei zumindest zwei Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') einer Schicht in Abhängigkeit von einem Regelungsparameter, insbesondere einer Bauteilgeometrie, eine unterschiedliche Maximalbreite (a, a', a", a'", a*, a**, a***) zugeordnet wird und - wobei vorzugsweise das Verfahren durch einen Steuerdatensatz (PS) gesteuert wird, welcher Steuerdatensatz (PS) unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 12 erzeugt wurde.
Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (65, 65') zur Generierung von Steuerdaten (PS) für eine Vorrichtung (30) zur additiven Fertigung zumindest einer Bauteilschicht zumindest eines Bauteils (31) in einem Fertigungsprozess, in welchem wenigstens eine Schicht eines Aufbaumaterials in einen Prozessraum (32) eingebracht wird und das Aufbaumaterial der Schicht durch Bestrahlung von zumindest einem Teilbereich der Schicht mittels einer Bestrahlungseinheit (50) selektiv verfestigt wird, wobei die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (65, 65') so ausgebildet ist, dass Steuerdaten (PS) erstellt werden, mit denen die Vorrichtung (30) zur additiven Fertigung unter Nutzung der Steuerdaten (PS) so ansteuerbar ist, dass zur Verfestigung eine Bestrahlungsstelle (BL) durch die Bestrahlungseinheit (50) entlang einer Anzahl von Scanlinien (5, 5', 5") eines oder mehrerer Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') bewegt wird, - wobei jeder Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') eine vorgegebene Maximalbreite (a, a', a", a''', a*, a**, a***) aufweist und wobei die Scanlinien (5, 5', 5") innerhalb der Maximalbreite (a, a', a", a''', a*, a**, a***) des Bestrahlungsstreifens (1, 1', 1'') und im Wesentlichen quer zu einer Vorschubrichtung (VV) eines Verfestigungsbereichs entlang des Bestrahlungsstreifens (1, 1', 1'') verlaufen, und - wobei zumindest zwei Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') einer Schicht in Abhängigkeit von einem Regelungsparameter, insbesondere einer Bauteilgeometrie, eine unterschiedliche Maximalbreite (a, a', a", a''', a*, a**, a***) zugeordnet wird.
Steuereinrichtung (60) für eine Vorrichtung (30) zur additiven Fertigung zumindest einer Bauteilschicht zumindest eines Bauteils (31), in der zumindest eine Schicht eines Aufbaumaterials in einen Prozessraum (32) eingebracht wird und das Aufbaumaterial der Schicht durch Bestrahlung von zumindest einem Teilbereich der Schicht mittels einer Bestrahlungseinheit (50) selektiv verfestigt wird, - wobei die Steuereinrichtung (60) ausgebildet ist, die Bestrahlungseinheit (50) der Vorrichtung (30) zur additiven Fertigung der Bauteilschicht des Bauteils (31) so anzusteuern, dass eine Bestrahlungsstelle (BL) durch die Bestrahlungseinheit (50) entlang einer Anzahl von Scanlinien (5, 5', 5'') eines oder mehrerer Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') bewegt wird, wobei jeder Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') eine vorgegebene Maximalbreite (a, a', a'', a''', a*, a**, a***) aufweist und wobei die Scanlinien (5, 5', 5'') innerhalb der Maximalbreite (a, a', a'', a''', a*, a**, a***) des Bestrahlungsstreifens (1, 1', 1'') und im Wesentlichen quer zu einer Vorschubrichtung (VV) eines Verfestigungsbereichs entlang des Bestrahlungsstreifens (1, 1', 1'') verlaufen, und wobei zumindest zwei Bestrahlungsstreifen (1, 1', 1'') einer Schicht in Abhängigkeit von einem Regelungsparameter, insbesondere einer Bauteilgeometrie, eine unterschiedliche Maximalbreite (a, a', a'', a''', a*, a**, a***) zugeordnet ist.
Vorrichtung (30) zur additiven Fertigung zumindest einer Bauteilschicht zumindest eines Bauteils (31) in einem additiven Fertigungsprozess mit zumindest einer Zuführvorrichtung (42, 44) zum Einbringen einer Schicht eines Aufbaumaterials in einen Prozessraum (32), einer Bestrahlungseinheit (50) zum selektiven Verfestigen des Aufbaumaterials der Schicht durch Bestrahlung von zumindest einem Teilbereich der Schicht mittels einer Bestrahlungseinheit (50) sowie einer Steuereinrichtung (60) nach Anspruch 15.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (65, 65') und/oder einer Steuereinrichtung (60) einer Vorrichtung (30) zur additiven Fertigung einer Bauteilschicht eines Bauteils (31) ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuerdatenerzeugungsvorrichtung (65, 65') und/oder der Steuereinrichtung (60) ausgeführt wird.
Steuerdaten (PS) zur Steuerung einer Vorrichtung (30) zur additiven Fertigung, welche Steuerdaten (PS) so ausgebildet sind, dass die Vorrichtung (30) zur additiven Fertigung derart angesteuert wird, dass eine Fertigung eines Bauteils (31) unter Nutzung eines Verfahrens nach Anspruch 13 erfolgt, und/oder wobei die Steuerdaten (PS) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 erstellt wurden.