DE102019211846A1 - Method for generating a coherent surface area, irradiation device and processing machine - Google Patents
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Abstract
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines zusammenhängenden Flächenbereichs (2) eines dreidimensionalen Bauteils durch Bestrahlen einer Pulverschicht (3) mittels eines Bearbeitungsstrahls, umfassend: Bewegen des Bearbeitungsstrahls entlang einer Mehrzahl von Streifen (S1, S2, ...) über den zusammenhängenden Flächenbereich (2), wobei in einem jeweiligen Streifen (S1, S2, ...) der zusammenhängende Flächenbereich (2) in einer Mehrzahl von unmittelbar aneinander angrenzenden Teilbereichen (T1, T2) bestrahlt wird, und wobei ein jeweiliger Teilbereich (T1, T2) mit dem Bearbeitungsstrahl in einer scannenden Bewegung abgefahren wird, bis die Pulverschicht (3) in dem jeweiligen Teilbereich (T1, T2) vollständig aufgeschmolzen ist. Entweder wird ein erster Teilbereich (T1) eines jeweiligen Streifens (S1, S2, ...) mittels des Bearbeitungsstrahls (4) in einer ersten Scanrichtung (R1) scannend abgefahren und unmittelbar nachfolgend wird ein zweiter Teilbereich (T2) des Streifens (S1, S2, ...), der entlang einer gemeinsamen Kante (10) unmittelbar an den ersten Teilbereich (T1) angrenzt, mittels des Bearbeitungsstrahls (4) in einer zweiten, von der ersten verschiedenen, insbesondere zur ersten senkrechten Scanrichtung (R2) scannend abgefahren, oder es werden erste Teilbereiche eines ersten Streifens, die punktuell unmittelbar aneinander angrenzen, mittels des Bearbeitungsstrahls in einer ersten Scanrichtung scannend abgefahren und unmittelbar nachfolgend werden zweite Teilbereiche eines dem ersten unmittelbar benachbarten zweiten Streifens, die punktuell unmittelbar aneinander angrenzen, in einer zweiten, von der ersten verschiedenen, insbesondere zur ersten senkrechten Scanrichtung mittels des Bearbeitungsstrahls scannend abgefahren. Die Erfindung betrifft auch eine Bestrahlungseinrichtung und eine Bearbeitungsmaschine zur Durchführung des Verfahrens.One aspect of the invention relates to a method for generating a contiguous surface area (2) of a three-dimensional component by irradiating a powder layer (3) using a processing beam, comprising: moving the processing beam along a plurality of strips (S1, S2, ...) over the contiguous surface area (2), wherein in a respective strip (S1, S2, ...) the contiguous surface area (2) is irradiated in a plurality of directly adjoining partial areas (T1, T2), and wherein a respective partial area (T1, T2) is traversed with the processing beam in a scanning movement until the powder layer (3) has completely melted in the respective sub-area (T1, T2). Either a first sub-area (T1) of a respective strip (S1, S2, ...) is scanned by means of the processing beam (4) in a first scanning direction (R1) and a second sub-area (T2) of the strip (S1, S2, ...), which directly adjoins the first partial area (T1) along a common edge (10), is scanned by means of the processing beam (4) in a second scanning direction (R2) different from the first, in particular to the first perpendicular scanning direction , or first partial areas of a first strip that are directly adjacent to one another at specific points are scanned by means of the processing beam in a first scanning direction and immediately afterwards, second partial areas of a second strip immediately adjacent to the first, which are directly adjacent to one another at specific points, are scanned in a second, the first different scanning direction, in particular perpendicular to the first scanning direction by means of the processing beam sca nnend departed. The invention also relates to an irradiation device and a processing machine for performing the method.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Erzeugen eines zusammenhängenden Flächenbereichs eines dreidimensionalen Bauteils durch Bestrahlen einer Pulverschicht mittels eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere mittels eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls. Bei einem Aspekt der Erfindung umfasst das Verfahren: Bewegen des Bearbeitungsstrahls entlang einer Mehrzahl von Streifen über den zusammenhängenden Flächenbereich, wobei in einem jeweiligen Streifen der zusammenhängende Flächenbereich in einer Mehrzahl von unmittelbar aneinander angrenzenden Teilbereichen bestrahlt wird, und wobei ein jeweiliger Teilbereich mit dem Bearbeitungsstrahl in einer scannenden Bewegung abgefahren wird, bis die Pulverschicht in dem jeweiligen Teilbereich vollständig aufgeschmolzen ist. Die Erfindung betrifft auch eine Bestrahlungseinrichtung für eine Bearbeitungsmaschine zum Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten. Bei einem Aspekt der Erfindung umfasst die Bestrahlungseinrichtung eine Scannereinrichtung zum Ausrichten eines Bearbeitungsstrahls auf eine Pulverschicht in einer Bearbeitungsebene, eine Steuerungseinrichtung, die ausgebildet ist, die Scannereinrichtung zum Bewegen des Bearbeitungsstrahls entlang einer Mehrzahl von Streifen über den zusammenhängenden Flächenbereich anzusteuern, um in einem jeweiligen Streifen den zusammenhängenden Flächenbereich in einer Mehrzahl von unmittelbar aneinander angrenzenden Teilbereichen zu bestrahlen, und die Scannereinrichtung anzusteuern, einen jeweiligen Teilbereich mit dem Bearbeitungsstrahl in einer scannenden Bewegung abzufahren, bis die Pulverschicht in dem jeweiligen Teilbereich vollständig aufgeschmolzen ist. Die Erfindung betrifft auch eine Bearbeitungsmaschine, umfassend: eine Bearbeitungskammer mit einer Bearbeitungsebene, in der eine zu bestrahlende Pulverschicht anordenbar ist, sowie bevorzugt eine Bereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen eines Gasstroms, der in einem für die Bereitstellung eines Pulverbetts vorgesehenen Bauplattformbereich über die Bearbeitungsebene strömt. Bei einem Aspekt der Erfindung ist die Bestrahlungseinrichtung wie weiter oben beschrieben ausgebildet.The present invention relates to a method for producing a coherent surface area of a three-dimensional component by irradiating a powder layer by means of a processing beam, in particular by means of a laser beam or an electron beam. In one aspect of the invention, the method comprises: moving the processing beam along a plurality of strips over the contiguous surface area, wherein in a respective strip the contiguous surface area is irradiated in a plurality of directly adjoining partial areas, and wherein a respective partial area with the processing beam in a scanning movement is carried out until the powder layer is completely melted in the respective sub-area. The invention also relates to an irradiation device for a processing machine for producing three-dimensional components by irradiating powder layers. In one aspect of the invention, the irradiation device comprises a scanner device for aligning a processing beam on a powder layer in a processing plane, a control device which is designed to control the scanner device for moving the processing beam along a plurality of stripes over the contiguous surface area in order to control in a respective stripe to irradiate the contiguous surface area in a plurality of directly adjoining partial areas, and to control the scanner device to scan a respective partial area with the processing beam until the powder layer in the respective partial area is completely melted. The invention also relates to a processing machine, comprising: a processing chamber with a processing level in which a powder layer to be irradiated can be arranged, and preferably a supply device for providing a gas stream that flows over the processing level in a construction platform area provided for providing a powder bed. In one aspect of the invention, the irradiation device is designed as described above.
Dreidimensionale Bauteile können durch so genannte generative Fertigungsverfahren (auch als Additive-Manufacturing-Verfahren bezeichnet) hergestellt werden. Bei derartigen Verfahren wird das dreidimensionale Bauteil schichtweise bzw. lagenweise generiert. Beim so genannten selektiven Laserschmelzen bzw. Lasersintern (auch als Laser Metal Fusion, LMF, bezeichnet) wird zu diesem Zweck ein Pulverwerkstoff lokal durch einen hochenergetischen Bearbeitungsstrahl, insbesondere durch einen Laserstrahl oder durch einen Elektronenstrahl (im Vakuum, üblicherweise als Elektronenstrahlschmelzen, EBM, bezeichnet), aufgeschmolzen, um eine Schicht des dreidimensionalen Bauteils zu erzeugen.Three-dimensional components can be manufactured using so-called generative manufacturing processes (also known as additive manufacturing processes). In such methods, the three-dimensional component is generated in layers or in layers. In so-called selective laser melting or laser sintering (also referred to as laser metal fusion, LMF), a powder material is designated locally by a high-energy processing beam, in particular by a laser beam or by an electron beam (in a vacuum, usually as electron beam melting, EBM) ), melted to produce a layer of the three-dimensional component.
Zum Erzeugen eines zusammenhängenden Flächenbereichs ist es erforderlich, diesen bzw. die aufzuschmelzende Fläche vollständig mittels des Bearbeitungsstrahls abzuscannen (bzw. abzurastern). Der zusammenhängende Flächenbereich wird zu diesem Zweck üblicherweise in Streifen oder in ein schachbrettartiges Muster mit einer Mehrzahl von quadratischen oder rechteckigen Teilbereichen aufgeteilt, wie dies beispielsweise in der
In der
Aus der
Bei einer solchen Anordnung von ersten und zweiten Teilbereichen in einem schachbrettartigen Muster kann die Bestrahlung der ersten Teilbereiche beispielsweise in einem jeweiligen Streifen entlang eines Streifenbildungsvektors von rechts nach links erfolgen und die Streifen können von oben nach unten abgearbeitet werden, wobei die zweiten Teilbereiche jeweils ausgelassen werden. In einem nachfolgenden Schritt können die zweiten Teilbereiche entsprechend abgearbeitet werden, wobei die ersten, bereits belichteten Teilbereiche ausgelassen werden. With such an arrangement of first and second partial areas in a checkerboard pattern, the irradiation of the first partial areas can for example, in a respective stripe along a stripe formation vector from right to left and the stripes can be processed from top to bottom, the second partial areas being omitted in each case. In a subsequent step, the second partial areas can be processed accordingly, the first, already exposed partial areas being omitted.
Alternativ ist es möglich, zum Erzeugen des zusammenhängenden Flächenbereichs die ersten Teilbereiche diagonal zu dem schachbrettartigen Muster bzw. Raster abzuarbeiten, d.h. entlang einer Streifenbildungsrichtung, die unter einem Winkel von 45° zum Raster ausgerichtet ist. Auch in diesem Fall werden die zweiten Teilbereiche erst belichtet, wenn die Belichtung der ersten Teilbereiche abgeschlossen ist.Alternatively, it is possible to generate the coherent surface area to work through the first partial areas diagonally to the checkerboard-like pattern or grid, i.e. along a strip formation direction which is aligned at an angle of 45 ° to the grid. In this case too, the second partial areas are only exposed when the exposure of the first partial areas has been completed.
Die
Der zusammenhängende Flächenbereich bzw. ein von einer Randkontur umgebener Flächenbereich des dreidimensionalen Bauteils kann zusammen mit weiteren zusammenhängenden Flächenbereichen ein- und desselben Bauteils oder weiterer Bauteile gemeinsam aus den Pulverschichten eines Pulverbetts erzeugt werden, das auf einer Bauplattform (Substrat-Platte) einer LMF-Bearbeitungsmaschine angeordnet ist. In diesem Fall ist es erforderlich, eine Reihenfolge der Abarbeitung der zusammenhängenden Flächenbereiche festzulegen.The contiguous surface area or a surface area of the three-dimensional component surrounded by an edge contour can be produced together with other contiguous surface areas of one and the same component or further components from the powder layers of a powder bed that is placed on a construction platform (substrate plate) of an LMF processing machine is arranged. In this case it is necessary to define a sequence for processing the connected surface areas.
Aus der
Zur Erhöhung der Effizienz bzw. der Aufbaurate können zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen dazu verwendet werden, einen oder mehrere zusammenhängende Flächenbereiche ein- und derselben Pulverschicht gleichzeitig zu bearbeiten. Auch in diesem Fall ist es erforderlich, eine Reihenfolge festzulegen, in der die zusammenhängenden Flächenbereiche bzw. Teilbereiche der zusammenhängenden Flächenbereiche abgearbeitet werden.To increase the efficiency or the build-up rate, two or more processing beams can be used to simultaneously process one or more contiguous surface areas of one and the same powder layer. In this case, too, it is necessary to establish a sequence in which the connected surface areas or partial areas of the connected surface areas are processed.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Bestrahlungseinrichtung und eine Bearbeitungsmaschine mit einer solchen Bestrahlungseinrichtung anzugeben, mit denen eine effiziente Erzeugung von zusammenhängenden Flächenbereichen von dreidimensionalen Bauteilen ohne Einbußen bei der Qualität der hergestellten Bauteile möglich ist.The invention is based on the object of specifying a method of the type mentioned at the beginning, as well as an irradiation device and a processing machine with such an irradiation device, with which an efficient production of contiguous surface areas of three-dimensional components is possible without sacrificing the quality of the components produced.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem entweder ein erster Teilbereich eines jeweiligen Streifens mittels des Bearbeitungsstrahls in einer ersten Scanrichtung scannend abgefahren wird und unmittelbar nachfolgend ein zweiter Teilbereich des Streifens, der entlang einer gemeinsamen Kante unmittelbar an den ersten Teilbereich angrenzt, mittels des Bearbeitungsstrahls in einer zweiten, von der ersten verschiedenen, insbesondere zur ersten senkrechten Scanrichtung scannend abgefahren wird, oder bei dem erste Teilbereiche eines ersten Streifens, die punktuell unmittelbar aneinander angrenzen, mittels des Bearbeitungsstrahls in einer ersten Scanrichtung scannend abgefahren werden und unmittelbar nachfolgend zweite Teilbereiche eines dem ersten unmittelbar benachbarten zweiten Streifens, die punktuell unmittelbar aneinander angrenzen, in einer zweiten, von der ersten verschiedenen, insbesondere zur ersten senkrechten Scanrichtung mittels des Bearbeitungsstrahls scannend abgefahren werden.According to a first aspect, this object is achieved by a method of the type mentioned at the outset, in which either a first sub-area of a respective strip is scanned by means of the processing beam in a first scanning direction and immediately thereafter a second sub-area of the strip, which runs along a common edge adjoins the first sub-area, is scanned by means of the processing beam in a second scanning direction different from the first, in particular to the first perpendicular scanning direction, or in the case of the first sub-areas of a first strip that are directly adjacent to one another at specific points, scanning by means of the processing beam in a first scanning direction are traversed and immediately following second partial areas of a second strip immediately adjacent to the first, which directly adjoin one another at specific points, in a second scan line different from the first, in particular perpendicular to the first scan line device can be scanned by means of the processing beam.
Wie weiter oben beschrieben wurde, werden bei der Erzeugung eines zusammenhängenden Flächenbereichs, bei dem erste Teilbereiche in einer scannenden Bewegung in einer ersten Scanrichtung abgescannt werden, während zweite Teilbereiche, die unmittelbar an die ersten Teilbereiche angrenzen, entlang einer zweiten, von der ersten verschiedenen, insbesondere zur ersten senkrechten Scanrichtung in einer scannenden Bewegung abgefahren werden, in der Regel zunächst alle ersten Teilbereiche bestrahlt, bevor die zweiten Teilbereiche bestrahlt werden, oder umgekehrt.As described above, in the generation of a coherent surface area, in which first partial areas are scanned in a scanning movement in a first scanning direction, while second partial areas, which directly adjoin the first partial areas, along a second, different from the first, are traversed in a scanning movement in particular to the first perpendicular scanning direction, as a rule all first partial areas are irradiated before the second partial areas are irradiated, or vice versa.
Der Erfinder hat erkannt, dass diese Reihenfolge der Bestrahlung der Teilbereiche insbesondere beim Erzeugen von vergleichsweise großen zusammenhängenden Flächenbereichen nachteilig sein kann, da der Teil des Flächenbereichs, bei dem die Bestrahlung der ersten Teilbereiche begonnen wurde, bereits wieder abgekühlt ist, wenn mit der Bestrahlung der zweiten Teilbereiche begonnen wird. Um dieses Problem zu vermeiden, wird vorgeschlagen, keine längeren Pausen zwischen der Bestrahlung eines ersten Teilbereichs und eines unmittelbar angrenzenden zweiten Teilbereichs zu lassen.The inventor has recognized that this sequence of irradiating the subregions can be disadvantageous, in particular when generating comparatively large contiguous surface regions, since the part of the surface region with which the irradiation of the first partial areas was started has already cooled down again when the irradiation of the second partial areas is started. In order to avoid this problem, it is proposed not to leave any longer pauses between the irradiation of a first partial area and an immediately adjacent second partial area.
Unter dem Begriff „unmittelbar nachfolgend“ wird bei der ersten weiter oben beschriebenen Alternative verstanden, dass zwischen der Bestrahlung des ersten Teilbereichs und der Bestrahlung des unmittelbar an einer gemeinsamen Kante angrenzenden zweiten Teilbereichs kein anderer Teilbereich des zusammenhängenden Flächenbereichs bestrahlt wird. Bei der ersten Alternative werden somit unmittelbar aneinander angrenzende erste und zweite Flächenbereiche unmittelbar aufeinander folgend belichtet, was im Gegensatz zu den weiter oben beschriebenen Lehren steht, dass nacheinander bestrahlte Einzelabschnitte nicht unmittelbar nebeneinander liegen dürfen. Die Bestrahlung von unmittelbar benachbarten ersten und zweiten Teilbereichen ermöglicht eine Steigerung der Produktivität, da keine zwischen den ersten Teilbereichen liegenden zweiten Teilbereiche übersprungen werden müssen, und umgekehrt.In the first alternative described above, the term “immediately following” means that between the irradiation of the first sub-area and the irradiation of the second sub-area directly adjacent to a common edge, no other sub-area of the contiguous surface area is irradiated. In the first alternative, first and second surface areas that are directly adjacent to one another are exposed immediately after one another, which is in contrast to the teaching described above that individual sections irradiated one after the other must not lie directly next to one another. The irradiation of immediately adjacent first and second sub-areas enables an increase in productivity, since no second sub-areas located between the first sub-areas need to be skipped, and vice versa.
Bei der zweiten weiter oben beschriebenen Alternative wird unter dem Begriff „unmittelbar nachfolgend“ verstanden, dass nach dem Bestrahlen der ersten Teilbereiche des ersten Streifens die zweiten Teilbereiche des unmittelbar benachbarten zweiten Streifens belichtet werden, ohne dass zwischendurch andere Teilbereiche des zusammenhängenden Flächenbereichs belichtet werden. Unter punktuell aneinander angrenzenden Flächenbereichen wird verstanden, dass diese nicht an einer gemeinsamen Kante, sondern an einem gemeinsamen Berührungspunkt, beispielsweise an einem Eck, aneinander angrenzen. Bei der zweiten weiter oben beschriebenen Alternative überlappen sich die beiden unmittelbar benachbarten Streifen teilweise. Die gegenseitige Überlappung der benachbarten Streifen kann beispielsweise ca. 50% der Breite der Streifen betragen.In the second alternative described above, the term “immediately following” means that after the first partial areas of the first stripe have been irradiated, the second partial areas of the immediately adjacent second stripe are exposed without other partial areas of the contiguous area being exposed in between. Surface areas adjoining one another at specific points are understood to mean that they do not adjoin one another at a common edge, but rather at a common point of contact, for example at a corner. In the second alternative described above, the two immediately adjacent strips partially overlap. The mutual overlap of the adjacent strips can be, for example, approximately 50% of the width of the strips.
Bei beiden weiter oben beschriebenen Alternativen wird ein zusammenhängender Flächenbereich des dreidimensionalen Bauteils erzeugt bzw. belichtet, der (beispielsweise in einem vorausgehenden Verfahrensschritt) in eine Mehrzahl von ersten und zweiten Teilbereichen aufgeteilt wird. Die Mehrzahl von (ersten und zweiten) Teilbereichen bildet typischerweise eine regelmäßige, rasterförmige Anordnung, beispielsweise in der Art eines Schachbretts, welche den zusammenhängenden Flächenbereich überdeckt. Die Teilbereiche überlappen sich idealer Weise nicht und grenzen idealer Weise unmittelbar aneinander an. Da die Winkel, unter dem die Bearbeitungsstrahlen auf die Pulverschicht treffen, in Abhängigkeit von der Position in dem Bearbeitungsbereich variieren, kann es ggf. zu einer (ungewollten) teilweisen Überlappung benachbarter Teilbereiche in einer Größenordnung in der Regel maximal ca. 10 % der jeweiligen Kantenlänge (Länge bzw. Breite) der Teilbereiche kommen. Bei der ersten weiter oben beschriebenen Alternative überlappen sich die Streifen und somit auch die Teilbereiche bei einer Breite der Streifen von beispielsweise 4-8 mm um maximal ca. 400 µm.In both alternatives described above, a contiguous surface area of the three-dimensional component is generated or exposed, which (for example in a preceding method step) is divided into a plurality of first and second partial areas. The plurality of (first and second) partial areas typically forms a regular, grid-like arrangement, for example in the manner of a chessboard, which covers the contiguous surface area. The sub-areas ideally do not overlap and ideally adjoin one another directly. Since the angle at which the processing beams hit the powder layer vary depending on the position in the processing area, there may be an (unwanted) partial overlap of adjacent sub-areas of an order of magnitude, usually a maximum of approx. 10% of the respective edge length (Length or width) of the sub-areas. In the first alternative described above, the strips and thus also the partial areas overlap by a maximum of approx. 400 μm when the strips are for example 4-8 mm wide.
Zusätzlich zu den Teilbereichen werden (beispielsweise in einem vorausgehenden Verfahrensschritt) die Streifen festgelegt, entlang derer der zusammenhängende Flächenbereich abgefahren wird. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, einen jeweiligen Streifenbildungsvektor vorzugeben. In der Regel ist der Streifenbildungsvektor entlang eines jeweiligen Streifens konstant, d.h. es handelt sich um geradlinige Streifen. Es ist aber auch möglich, dass der Streifenbildungsvektor in Abhängigkeit von der Position innerhalb eines jeweiligen Streifens variiert. In diesem Fall weist der Streifen eine Krümmung auf, d.h. dieser weicht von einer geradlinigen Form ab.In addition to the partial areas, the strips along which the contiguous surface area is traversed are defined (for example in a preceding method step). For this purpose, it is necessary to specify a respective banding vector. As a rule, the banding vector is constant along a respective stripe, i.e. straight stripes are involved. However, it is also possible for the strip formation vector to vary as a function of the position within a respective strip. In this case the strip has a curvature, i.e. it deviates from a straight shape.
Unter dem Begriff „in einer ersten/zweiten Scanrichtung scannend abfahren“ wird verstanden, dass der Bearbeitungsstrahl in einer typischerweise geraden Linie entlang der (Quer-)Erstreckung des jeweiligen Teilbereichs in (positiver und/oder negativer) Scanrichtung bewegt wird. Hierbei kann der Bearbeitungsstrahl zunächst in (positiver) Scanrichtung vom einem ersten zu einem gegenüberliegenden zweiten Rand des Teilbereichs bewegt werden. Am zweiten Rand des Teilbereichs findet ein (geringfügiger) lateraler Versatz des Bearbeitungsstrahls in einer zur Scanrichtung typischerweise senkrechten Richtung statt. Zusätzlich kann eine Bewegungsumkehr des Bearbeitungsstrahls stattfinden und der Bearbeitungsstrahl kann in (negativer) Scanrichtung gegenläufig über die gesamte Erstreckung des jeweiligen Teilbereichs zurück bewegt werden. Alternativ kann der Bearbeitungsstrahl bei der Bewegung zum ersten Rand deaktiviert werden, wobei der laterale Versatz des Bearbeitungsstrahls am zweiten Rand oder bei der Bewegung des (deaktivierten) Bearbeitungsstrahls in (negativer) Scanrichtung erfolgen kann. Der Bearbeitungsstrahl kann insbesondere auch in einer oszillierenden Bewegung zwischen dem ersten Rand und dem zweiten Rand des jeweiligen Teilbereichs hin und her bewegt werden.The term “scan in a first / second scan direction” is understood to mean that the processing beam is moved in a typically straight line along the (transverse) extent of the respective sub-area in the (positive and / or negative) scan direction. Here, the processing beam can initially be moved in the (positive) scanning direction from a first to an opposite, second edge of the partial area. At the second edge of the partial area, there is a (slight) lateral offset of the processing beam in a direction typically perpendicular to the scanning direction. In addition, the movement of the processing beam can be reversed and the processing beam can be moved back in the opposite direction in the (negative) scanning direction over the entire extent of the respective sub-area. Alternatively, the processing beam can be deactivated when moving to the first edge, the lateral offset of the processing beam at the second edge or when moving the (deactivated) processing beam in the (negative) scanning direction. In particular, the machining beam can also be moved back and forth in an oscillating movement between the first edge and the second edge of the respective partial area.
Bei einer Variante umfasst das Verfahren: Bewegen des Bearbeitungsstrahls entlang einer Mehrzahl von weiteren Streifen eines weiteren zusammenhängenden Flächenbereichs einer weiteren Pulverschicht des dreidimensionalen Bauteils, die unmittelbar auf die Pulverschicht folgt, wobei in einem jeweiligen weiteren Streifen der weitere zusammenhängende Flächenbereich in einer Mehrzahl von unmittelbar aneinander angrenzenden weiteren Teilbereichen bestrahlt wird, und wobei ein jeweiliger weiterer Teilbereich mit dem Bearbeitungsstrahl in einer scannenden Bewegung abgefahren wird, bis die weitere Pulverschicht in dem jeweiligen weiteren Teilbereich vollständig aufgeschmolzen ist, wobei ein Streifenbildungsvektor beim Abfahren des zusammenhängenden Flächenbereichs entlang der Mehrzahl von Streifen und ein weiterer Streifenbildungsvektor beim Abfahren des weiteren zusammenhängenden Flächenbereichs entlang der Mehrzahl von weiteren Streifen einen Winkel von mindestens 45°, insbesondere von 90°, zueinander aufweisen. Bei der Bestimmung des Winkels zwischen den Streifenbildungsvektoren wird wie allgemein üblich die Orientierung der Vektoren berücksichtigt.In one variant, the method comprises: moving the processing beam along a plurality of further strips of a further contiguous surface area of a further powder layer of the three-dimensional component that immediately follows the powder layer, with the further contiguous surface area in a plurality of directly adjacent further sub-areas is irradiated, and a respective further sub-area is scanned with the processing beam in a scanning movement until the further powder layer is completely melted in the respective further sub-area, a stripe formation vector when tracing the contiguous surface area along the plurality of stripes and a further stripe formation vector have an angle of at least 45 °, in particular of 90 °, to one another when the further contiguous surface area is traversed along the plurality of further stripes. When determining the angle between the banding vectors, the orientation of the vectors is taken into account, as is generally the case.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn in unmittelbar aufeinander folgenden bzw. in dem Pulverbett unmittelbar übereinander angeordneten Pulverschichten die Streifenbildungsvektoren nicht parallel zueinander ausgerichtet sind, sondern bevorzugt einen Winkel von mindestens 45°, insbesondere von 90°, zueinander einschließen. Auf diese Weise können Eigenspannungen in dem herzustellenden dreidimensionalen Bauteil homogenisiert werden, d.h. die Verteilung der Eigenspannungen in dem Bauteil wird verbessert und Defekte können vermieden werden.It has proven to be beneficial if the striping vectors in powder layers that follow one another or are arranged directly one above the other in the powder bed are not aligned parallel to one another, but preferably enclose an angle of at least 45 °, in particular 90 °, to one another. In this way, internal stresses in the three-dimensional component to be produced can be homogenized, i.e. the distribution of the internal stresses in the component is improved and defects can be avoided.
Bei einer weiteren Variante wird ein Gasstrom über die Pulverschicht geführt, dessen Strömungsvektor mit einem Streifenbildungsvektor beim Bewegen des Bearbeitungsstrahls entlang eines jeweiligen Streifens des zusammenhängenden Flächenbereichs und/oder mit einem weiteren Streifenbildungsvektor beim Bewegen des Bearbeitungsstrahls entlang eines jeweiligen weiteren Streifens des weiteren zusammenhängenden Flächenbereichs einen Winkel von mindestens 90°, bevorzugt von 135°, zueinander aufweisen. Die Streifenbildungsvektoren der jeweiligen Streifen weisen in diesem Fall in der Regel dieselbe oder eine ähnliche Orientierung auf, d.h. die Streifenbildungsvektoren der jeweiligen Streifen sind insbesondere nicht antiparallel zueinander ausgerichtet.In a further variant, a gas flow is passed over the powder layer, the flow vector of which forms an angle with a stripe formation vector when moving the processing beam along a respective stripe of the contiguous surface area and / or with a further stripe formation vector when moving the processing beam along a respective further strip of the further contiguous surface area of at least 90 °, preferably 135 °, to one another. In this case, the banding vectors of the respective stripes generally have the same or a similar orientation, i.e. the banding vectors of the respective stripes are in particular not aligned antiparallel to one another.
Bei dem Gasstrom kann es sich beispielsweise um einen Schutzgasstrom handeln, um optische Bauteile einer Bestrahlungseinrichtung, beispielsweise ein Fenster, vor Verunreinigungen, beispielsweise vor Rußpartikeln, zu schützen, die sich bei der Bestrahlung des Pulvermaterials bilden, wie dies in der
Neben dem Streifenbildungsvektor ist es günstig, wenn auch die (positive oder negative) Scanrichtung zumindest teilweise dem Strömungsvektor des Gasstroms entgegen gerichtet ist oder wenn beide Vektoren senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Dies kann erreicht werden, wenn die scannende Bewegung des Bearbeitungsstrahls in einem jeweiligen Teilbereich nur mit einer Orientierung erfolgt, d.h. entweder in positiver oder in negativer Scanrichtung. In diesem Fall kann der (konstante) Scanvektor des jeweiligen Teilbereichs mit dem Strömungsvektor des Gasstroms einen Winkel von mindestens 90°, bevorzugt von mehr als 90° einschließen.In addition to the stripe formation vector, it is advantageous if the (positive or negative) scanning direction is at least partially directed against the flow vector of the gas flow or if both vectors are oriented perpendicular to one another. This can be achieved if the scanning movement of the processing beam in a respective sub-area only takes place with one orientation, i.e. either in the positive or in the negative scanning direction. In this case, the (constant) scan vector of the respective sub-region can enclose an angle of at least 90 °, preferably more than 90 °, with the flow vector of the gas flow.
Bei einer weiteren Variante wird ein Gasstrom über die Pulverschicht geführt und der Bearbeitungsstrahl wird entlang der Mehrzahl von Streifen in einer Reihenfolge über den zusammenhängenden Flächenbereich geführt, die von der Abfolge der Positionen der jeweiligen Streifen entlang eines Strömungsvektors des Gasstroms anhängig ist. Bevorzugt werden Streifen, die in der Abfolge entlang des Strömungsvektors stromabwärts liegen, vor Streifen bearbeitet, die in der Abfolge entlang des Strömungsvektors stromaufwärts liegen, d.h. die Reihenfolge der Bestrahlung bzw. der Abarbeitung der Streifen erfolgt entgegen der Strömungsrichtung bzw. entgegen des Strömungsvektors des Gasstroms.In a further variant, a gas flow is guided over the powder layer and the processing beam is guided over the contiguous surface area along the plurality of strips in a sequence that is dependent on the sequence of the positions of the respective strips along a flow vector of the gas flow. Preferably, strips that lie downstream in the sequence along the flow vector are processed before strips that lie upstream in the sequence along the flow vector, ie the sequence of irradiation or the processing of the strips takes place against the flow direction or against the flow vector of the gas flow .
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung, der insbesondere mit dem weiter oben beschriebenen Aspekt kombiniert werden kann, werden, alle Teilbereiche des zusammenhängenden Flächenbereichs mittels des Bearbeitungsstrahls unmittelbar aufeinander folgend abgearbeitet. Bei diesem Aspekt der Erfindung wird der gesamte zusammenhängende Flächenbereich (quasi) kontinuierlich mittels des Bearbeitungsstrahls bestrahlt, bis dieser vollständig aufgeschmolzen ist, d.h. wenn die Belichtung des zusammenhängenden Flächenbereichs bei einem zeitlich ersten Teilbereich begonnen, wird diese bis zum Ende durchgeführt. Lediglich für den Versatz bzw. für die Bewegung des Laserstrahls beim Wechsel zwischen unterschiedlichen Teilbereichen wird die ansonsten kontinuierliche Bestrahlung ggf. kurzzeitig unterbrochen.In a further aspect of the invention, which can in particular be combined with the aspect described above, all subregions of the contiguous surface region are processed immediately one after the other by means of the processing beam. In this aspect of the invention, the entire contiguous surface area is (quasi) continuously irradiated by means of the processing beam until it is completely melted, i.e. if the exposure of the contiguous surface area begins at a temporally first partial area, this is carried out to the end. The otherwise continuous irradiation is possibly briefly interrupted only for the offset or for the movement of the laser beam when changing between different partial areas.
Bei einer weiteren Variante wird der zusammenhängende Flächenbereich in eine Mehrzahl von bevorzugt rhomboiden, insbesondere rautenförmigen, rechteckigen oder quadratischen Teilbereichen aufgeteilt. Die Geometrie der Teilbereiche, in die der zusammenhängende Flächenbereich aufgeteilt wird, ist in der Regel einheitlich. Die Wahl von polygonalen, insbesondere von rhomboiden Teilbereichen ermöglicht es, dass benachbarte Teilbereiche entlang von (mindestens) einer gemeinsamen Kante aneinander angrenzen. Insbesondere die Verwendung von quadratischen Teilbereichen hat sich als vorteilhaft herausgestellt. Neben der Geometrie ist auch die Fläche der jeweiligen Teilbereiche, welche den zusammenhängenden Flächenbereich bilden, in der Regel gleich groß. Es ist aber auch möglich, dass der zusammenhängende Flächenbereich mehrere Arten von beispielsweise rechteckigen Teilbereichen aufweist, die sich in ihrem Flächeninhalt unterscheiden, beispielsweise in ihrer Breite und/oder in ihrer Länge. Die Verwendung von kleineren Teilbereichen kann insbesondere am Rand des zusammenhängenden Flächenbereichs vorteilhaft sein, um diesen möglichst gut an eine umgebende Randkontur anzupassen.In a further variant, the contiguous surface area is divided into a plurality of preferably rhomboid, in particular diamond-shaped, rectangular or square partial areas. The geometry of the sub-areas into which the contiguous area is divided is usually uniform. The choice of polygonal, in particular rhomboid, partial areas makes it possible for adjacent partial areas to adjoin one another along (at least) one common edge. In particular, the use of square partial areas has proven to be advantageous. In addition to the geometry, the area of the respective sub-areas which form the contiguous area is usually the same size. It is also possible, however, for the contiguous surface area to have several types of, for example, rectangular partial areas which differ in their area content, for example in their width and / or in their length. The use of smaller partial areas can be advantageous in particular at the edge of the contiguous surface area in order to adapt it as well as possible to a surrounding edge contour.
Bei einer weiteren Variante ist der zusammenhängende Flächenbereich von einer Randkontur des dreidimensionalen Bauteils umgeben, wobei die Randkontur und/oder ein zwischen der Randkontur und dem zusammenhängenden Flächenbereich gebildeter Randbereich mit dem Bearbeitungsstrahl oder mit mindestens einem weiteren Bearbeitungsstrahl bestrahlt wird/werden. In der Regel stimmt die Randkontur des herzustellenden dreidimensionalen Bauteils innerhalb der jeweiligen Pulverschicht nicht mit der Randkontur des zusammenhängenden Flächenbereichs überein, so dass zwischen der Randkontur und dem zusammenhängenden Flächenbereich ein Randbereich verbleibt. Der Randbereich weist typischerweise eine Geometrie bzw. eine Fläche auf, in die kein Teilbereich des zusammenhängenden Flächenbereichs mehr hineinpasst. Der Randbereich wird daher typischerweise mit einem einzigen Bearbeitungsstrahl bestrahlt bzw. aufgeschmolzen. Zu diesem Zweck kann der Bearbeitungsstrahl verwendet werden, oder es kann ein weiterer Bearbeitungsstrahl verwendet werden, der von einer weiteren Strahlquelle erzeugt wird und/oder der über eine weitere Scannereinrichtung auf die Pulverschicht ausgerichtet wird.In a further variant, the contiguous surface area is surrounded by an edge contour of the three-dimensional component, the edge contour and / or an edge area formed between the edge contour and the contiguous surface area being irradiated with the processing beam or with at least one further processing beam. As a rule, the edge contour of the three-dimensional component to be produced within the respective powder layer does not match the edge contour of the contiguous surface area, so that an edge area remains between the edge contour and the contiguous surface area. The edge region typically has a geometry or a surface into which no part of the contiguous surface region fits any longer. The edge area is therefore typically irradiated or melted with a single machining beam. For this purpose, the processing beam can be used, or a further processing beam can be used which is generated by a further beam source and / or which is directed onto the powder layer via a further scanner device.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines zusammenhängenden Flächenbereichs eines dreidimensionalen Bauteils durch Bestrahlen einer Pulverschicht mit mindestens einem Bearbeitungsstrahl, wobei insbesondere mindestens ein weiterer zusammenhängender Flächenbereich mindestens einen Abschnitt aufweist, der in Bezug auf einen Strömungsvektor eines über die Pulverschicht geführten Gasstroms stromabwärts von mindestens einem Abschnitt des zusammenhängenden Flächenbereichs angeordnet ist und der quer zu dem Strömungsvektor mit dem Abschnitt des zusammenhängenden Flächenbereichs überlappt, das Verfahren umfassend: Bestrahlen des zusammenhängenden Flächenbereichs mit mindestens einem Bearbeitungsstrahl in mindestens einem einer Mehrzahl von Teilbereichen, in die der zusammenhängende Flächenbereich aufgeteilt ist, bis die Pulverschicht in dem mindestens einen Teilbereich vollständig aufgeschmolzen ist, wobei das Bestrahlen der Teilbereiche unmittelbar aufeinander folgend so lange wiederholt wird, bis alle Teilbereiche des zusammenhängenden Flächenbereichs vollständig aufgeschmolzen sind.A further aspect of the invention relates to a method for generating a coherent surface area of a three-dimensional component by irradiating a powder layer with at least one machining beam, in particular at least one further coherent surface area having at least one section that is downstream in relation to a flow vector of a gas flow guided over the powder layer of at least one section of the contiguous surface area is arranged and which overlaps transversely to the flow vector with the section of the contiguous surface area, the method comprising: irradiating the contiguous surface area with at least one processing beam in at least one of a plurality of partial areas into which the contiguous surface area is divided until the powder layer has completely melted in the at least one sub-area, the irradiation of the sub-areas directly on top of one another the following is repeated until all sub-areas of the contiguous surface area are completely melted.
Bei diesem Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, gezielt von einer Bearbeitungsreihenfolge abzuweichen, bei der zusammenhängende Flächenbereiche oder Teilbereiche, die in Bezug auf den Strömungsvektor des Gasstroms stromabwärts von anderen zusammenhängenden Flächenbereichen angeordnet sind, zuerst bestrahlt werden. Würde diese Bearbeitungsreihenfolge eingehalten, müssten nach dem Beginn der Belichtung eines zusammenhängenden Flächenbereichs, der sich zumindest in einem Abschnitt stromaufwärts von einem weiteren zusammenhängenden Flächenbereich erstreckt und mit einem stromabwärts liegenden Abschnitt des weiteren zusammenhängenden Flächenbereichs überlappt, die Bestrahlung des zusammenhängenden Flächenbereichs unterbrochen werden, um den in Bezug auf den Strömungsvektor stromabwärts liegenden Flächenanteil des weiteren zusammenhängenden Flächenbereichs zu belichten.In this aspect of the invention it is proposed to specifically deviate from a processing sequence in which contiguous surface areas or partial areas which are arranged downstream of other contiguous surface areas with respect to the flow vector of the gas flow are first irradiated. If this processing sequence were adhered to, the irradiation of the connected surface area would have to be interrupted after the start of the exposure of a contiguous area which extends at least in a section upstream from another contiguous area and overlaps with a downstream section of the further contiguous area with respect to the flow vector downstream area portion of the further contiguous area to be exposed.
Bei diesem Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, einen zusammenhängenden Flächenbereich, dessen Bestrahlung begonnen wurde, ohne Unterbrechung fortzuführen, bis der zusammenhängende Flächenbereich vollständig bestrahlt wurde, unabhängig davon, ob bzw. wo weitere zusammenhängende Flächenbereiche in der Pulverschicht angeordnet sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass der zusammenhängende Flächenbereich sich nicht zwischenzeitlich abkühlen kann. Dies verhindert, dass sich das verfestigte Material zusammenzieht und eine Lücke entsteht. Zudem wird durch die Abkühlung mehr Energie benötigt, um das verfestigte Material erneut umzuschmelzen, um diesen bei der Wiederaufnahme der Bestrahlung an den nächsten Teilbereich anzubinden.In this aspect of the invention it is proposed to continue a contiguous surface area, the irradiation of which has been started, without interruption until the contiguous surface area has been completely irradiated, regardless of whether or where further contiguous surface areas are arranged in the powder layer. In this way it is achieved that the contiguous surface area cannot cool down in the meantime. This prevents the solidified material from contracting and creating a gap. In addition, as a result of the cooling, more energy is required to remelt the solidified material again in order to bind it to the next sub-area when the irradiation is resumed.
Bei einer Variante werden mindestens zwei der Mehrzahl von Teilbereichen des zusammenhängenden Flächenbereichs mit mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen gleichzeitig bestrahlt. An obiger Regel wird auch festgehalten, wenn für die Bestrahlung zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen verwendet werden. In diesem Fall können - zumindest zeitweise - zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen parallel ein- und denselben zusammenhängenden Flächenbereich bestrahlen. Die Belichtung des zusammenhängenden Flächenbereichs muss nicht durchgängig mit zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen erfolgen, mindestens ein Bearbeitungsstrahl bestrahlt jedoch stets die Teilbereiche des zusammenhängenden Flächenbereichs, bis dessen Bestrahlung abgeschlossen ist.In one variant, at least two of the plurality of partial areas of the contiguous surface area are irradiated with at least two processing beams at the same time. The above rule is also adhered to if two or more processing beams are used for the irradiation be used. In this case, two or more processing beams can - at least temporarily - irradiate one and the same contiguous surface area in parallel. The contiguous surface area does not have to be exposed continuously with two or more processing beams, but at least one processing beam always irradiates the subregions of the contiguous surface area until its irradiation is complete.
Bei der gemeinsamen Bestrahlung ist zu berücksichtigen, dass zwei unmittelbar benachbarte Teilbereiche in der Regel nicht gleichzeitig mit zwei Bearbeitungsstrahlen bearbeitet werden sollten, zumindest nicht, wenn der eine Teilbereich entlang des Strömungsvektors des Gasstroms stromabwärts von dem zweiten Teilbereich angeordnet ist und beide Teilbereiche sich zumindest teilweise quer zum Strömungsvektor überlappen, da ansonsten der Schmauch des einen Bearbeitungsstrahls in den Strahlengang des anderen Bearbeitungsstrahls gelangen kann und diesen abdunkelt bzw. zu einer diffusen Ablenkung bzw. Zerstreuung des anderen Bearbeitungsstrahls führt, welche die Strahlqualität negativ beeinflusst. Außerdem kann in diesem Fall ggf. eine lokale Überhitzung auftreten.In the case of joint irradiation, it must be taken into account that two immediately adjacent sub-areas should generally not be processed simultaneously with two processing beams, at least not if one sub-area is arranged along the flow vector of the gas flow downstream of the second sub-area and both sub-areas are at least partially overlap transversely to the flow vector, since otherwise the smoke of one processing beam can get into the beam path of the other processing beam and darken it or lead to a diffuse deflection or dispersion of the other processing beam, which negatively affects the beam quality. In addition, local overheating may occur in this case.
Bei einer weiteren Variante erstreckt sich der zusammenhängende Flächenbereich in Bezug auf den Strömungsvektor des Gasstroms weiter stromabwärts als mindestens ein weiterer zusammenhängende Flächenbereich und das Bestrahlen des zusammenhängenden Flächenbereichs beginnt vor dem Bestrahlen des weiteren zusammenhängenden Flächenbereichs. Die Reihenfolge der Bestrahlung der zusammenhängenden Flächenbereiche hängt von deren Erstreckung entlang der Strömungsrichtung bzw. des Strömungsvektors des Gasstroms ab. In der Regel wird derjenige zusammenhängende Flächenbereich, der sich am weitesten stromabwärts erstreckt, als erster zusammenhängender Flächenbereich bestrahlt. Die weiteren zusammenhängenden Flächenbereiche werden in der Reihenfolge ihrer maximalen Erstreckung entlang des Strömungsvektors des Gasstroms bestrahlt.In a further variant, the contiguous surface area extends further downstream in relation to the flow vector of the gas flow than at least one further contiguous surface area and the irradiation of the contiguous surface area begins before the irradiation of the further contiguous surface area. The sequence in which the contiguous surface areas are irradiated depends on their extension along the direction of flow or the flow vector of the gas flow. As a rule, that contiguous surface area which extends the furthest downstream is irradiated as the first contiguous surface area. The other coherent surface areas are irradiated in the order of their maximum extent along the flow vector of the gas flow.
Bei einer weiteren Variante beginnt ein erster Bearbeitungsstrahl das Bestrahlen des (ersten) zusammenhängenden Flächenbereichs und ein zweiter Bearbeitungsstrahl bestrahlt entweder gemeinsam mit dem ersten Bearbeitungsstrahl den (ersten) zusammenhängenden Flächenbereich oder der zweite Bearbeitungsstrahl beginnt mit dem Bestrahlen eines weiteren (zweiten) zusammenhängenden Flächenbereichs, der sich am zweitweitesten stromabwärts erstreckt. Für den Fall, dass ein dritter Bearbeitungsstrahl zur Verfügung steht, kann dieser den ersten oder den zweiten Bearbeitungsstrahl unterstützen, d.h. den ersten oder den zweiten zusammenhängenden Flächenbereich gemeinsam mit dem ersten Bearbeitungsstrahl bestrahlen. Alternativ kann der dritte Bearbeitungsstrahl mit der Bestrahlung eines dritten Flächenbereichs beginnen, der sich am drittweitesten stromabwärts erstreckt, usw.In a further variant, a first processing beam begins to irradiate the (first) contiguous surface area and a second processing beam either irradiates the (first) contiguous surface area together with the first processing beam or the second processing beam begins to irradiate a further (second) contiguous surface area, which extends second farthest downstream. In the event that a third processing beam is available, it can support the first or the second processing beam, i.e. irradiate the first or the second contiguous surface area together with the first processing beam. Alternatively, the third machining beam can begin irradiating a third area extending third most downstream, and so on.
Bei der gemeinsamen Bestrahlung eines zusammenhängenden Flächenbereichs werden von unterschiedlichen Bearbeitungsstrahlen unterschiedliche Teilbereiche bestrahlt. Für den Fall, dass eine Bestrahlung eines zusammenhängenden Flächenbereichs in einer Mehrzahl von Streifen erfolgt, wie dies weiter oben beschrieben ist, wird typischerweise ein jeweiliger Streifen nur mit einem Bearbeitungsstrahl bestrahlt, d.h. unterschiedliche Bearbeitungsstrahlen arbeiten in unterschiedlichen Streifen.When a coherent surface area is jointly irradiated, different partial areas are irradiated by different processing beams. In the event that a contiguous surface area is irradiated in a plurality of strips, as described above, a respective strip is typically only irradiated with one processing beam, i.e. different processing beams work in different strips.
Bei einer Weiterbildung beginnt für den Fall, dass der erste und zweite Bearbeitungsstrahl sich beim gemeinsamen Bestrahlen des zusammenhängenden Flächenbereichs behindern, der erste oder der zweite Bearbeitungsstrahl unmittelbar nachfolgend mit dem Bestrahlen eines weiteren zusammenhängenden Flächenbereichs oder bestrahlt unmittelbar nachfolgend gemeinsam mit einem dritten Bearbeitungsstrahl einen weiteren zusammenhängenden Flächenbereich.In a further development, in the event that the first and second processing beam obstruct each other during joint irradiation of the contiguous surface area, the first or the second processing beam begins immediately afterwards with irradiating a further contiguous surface area or immediately afterwards irradiates a further contiguous area together with a third processing beam Area.
Abhängig von der Geometrie des zusammenhängenden Flächenbereichs kann der Fall auftreten, dass sich die zwei Bearbeitungsstrahlen bei der gemeinsamen Bestrahlung gegenseitig behindern, beispielsweise weil die gleichzeitig zu bestrahlenden Teilbereiche benachbart voneinander angeordnet sind oder sich in Strömungsrichtung des Gasstroms überlappen. In diesem Fall kann einer der Bearbeitungsstrahlen mit der Bestrahlung eines neuen zusammenhängenden Flächenbereichs beginnen oder einen dritten Bearbeitungsstrahl unterstützen. Hat ein Bearbeitungsstrahl zu einem anderen zusammenhängenden Flächenbereich gewechselt, sollte derselbe Bearbeitungsstrahl in der Regel nicht mehr zum ursprünglich bestrahlten zusammenhängenden Flächenbereich zurückspringen. Für den Fall, dass sich zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen bei der Bestrahlung des anderen Flächenbereichs gegenseitig behindern, sollte ein Bearbeitungsstrahl, der den zusammenhängenden Flächenbereich gewechselt hat, mit der Bestrahlung eines Teilbereichs eines neuen zusammenhängenden Flächenbereichs beginnen.Depending on the geometry of the contiguous surface area, the case may arise that the two processing beams interfere with each other during the joint irradiation, for example because the partial areas to be irradiated at the same time are arranged adjacent to one another or overlap in the flow direction of the gas flow. In this case, one of the processing beams can start irradiating a new, contiguous surface area or support a third processing beam. If a processing beam has changed to another contiguous surface area, the same processing beam should generally no longer jump back to the originally irradiated contiguous surface area. In the event that two or more processing beams interfere with each other when irradiating the other surface area, a processing beam that has changed the contiguous surface area should start irradiating a sub-area of a new contiguous surface area.
Es versteht sich, dass ein Bearbeitungsstrahl nach dem Ende der Belichtung eines zusammenhängenden Flächenbereichs unmittelbar nachfolgend zu einem anderen zusammenhängenden Flächenbereich wechselt, um diesen (ggf. mit einem anderen Bearbeitungsstrahl) zu bestrahlen. In der Regel wird ein Bearbeitungsstrahl, der einen zusammenhängenden Flächenbereich fertig belichtet hat, einen anderen Bearbeitungsstrahl in einem anderen zusammenhängenden Flächenbereich unterstützen, d.h. den anderen zusammenhängenden Flächenbereich gemeinsam mit dem anderen Bearbeitungsstrahl bestrahlen. Bei dem anderen zusammenhängenden Flächenbereich kann es sich insbesondere um den ersten zusammenhängenden Flächenbereich handeln. Ist dies nicht möglich, weil sich die Bearbeitungsstrahlen gegenseitig behindern, beginnt der Bearbeitungsstrahl mit der Bestrahlung eines neuen, noch nicht bestrahlten zusammenhängenden Flächenbereichs. Auf diese Weise können Wartezeiten vermieden und die Produktivität bei der Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen erhöht sowie gleichzeitig eine gute Bauteilqualität sichergestellt werden.It goes without saying that after the end of the exposure of a contiguous surface area, a processing beam changes immediately afterwards to another contiguous surface area in order to irradiate this (possibly with a different processing beam). As a rule, a processing beam that has completely exposed a contiguous surface area becomes another processing beam in one support other contiguous surface area, ie irradiate the other contiguous surface area together with the other processing beam. The other contiguous surface area can in particular be the first contiguous surface area. If this is not possible because the processing beams obstruct each other, the processing beam begins to irradiate a new, not yet irradiated, contiguous area. In this way, waiting times can be avoided and productivity in the manufacture of three-dimensional components can be increased and, at the same time, good component quality can be ensured.
Bei einer weiteren Variante wird der weitere zusammenhängende Flächenbereich zumindest in dem Abschnitt, der stromabwärts von dem Abschnitt des zusammenhängenden Flächenbereichs angeordnet ist, nicht zeitgleich mit dem überlappenden Abschnitt des zusammenhängenden Flächenbereichs bestrahlt. Auf diese Weise wird verhindert, dass ein Bearbeitungsstrahl, der den weiteren zusammenhängenden Flächenbereich in dem stromabwärts angeordneten Abschnitt bestrahlt, durch Schmauch behindert wird, der bei der Bestrahlung des stromaufwärts liegenden Abschnitts des weiteren Flächenbereichs erzeugt wird. Es ist insbesondere möglich, dass mit der Bestrahlung des weiteren zusammenhängenden Flächenbereichs erst begonnen wird, wenn die Bestrahlung des zusammenhängenden Flächenbereichs vollständig abgeschlossen ist.In a further variant, the further contiguous surface area is not irradiated at the same time as the overlapping section of the contiguous surface area, at least in the section which is arranged downstream of the section of the contiguous surface area. In this way, it is prevented that a machining beam which irradiates the further contiguous surface area in the downstream section is hindered by smoke that is generated during the irradiation of the upstream section of the further surface area. In particular, it is possible for the irradiation of the further contiguous surface area to begin only when the irradiation of the contiguous surface area has been completely concluded.
Die Erfindung betrifft auch eine Bestrahlungseinrichtung der eingangs genannten Art, bei der die Steuerungseinrichtung ausgebildet bzw. programmiert ist, die Scannereinrichtung anzusteuern, einen ersten Teilbereich eines jeweiligen Streifens mittels des Bearbeitungsstrahls in einer ersten Scanrichtung scannend abzufahren und unmittelbar nachfolgend einen zweiten Teilbereich des Streifens, der entlang einer gemeinsamen Kante unmittelbar an den ersten Teilbereich angrenzt, mittels des Bearbeitungsstrahls in einer zweiten, von der ersten verschiedenen, insbesondere zur ersten senkrechten Scanrichtung scannend abzufahren, oder bei der die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, die Scannereinrichtung anzusteuern, erste Teilbereiche eines ersten Streifens, die punktuell unmittelbar aneinander angrenzen, mittels des Bearbeitungsstrahls in einer ersten Scanrichtung scannend abzufahren, und unmittelbar nachfolgend zweite, punktuell unmittelbar aneinander angrenzende Teilbereiche eines dem ersten unmittelbar benachbarten zweiten Streifens in einer zweiten, von der ersten verschiedenen, insbesondere zur ersten senkrechten Scanrichtung mittels des Bearbeitungsstrahls scannend abzufahren.The invention also relates to an irradiation device of the type mentioned at the outset, in which the control device is designed or programmed to control the scanner device, to scan a first sub-area of a respective strip by means of the processing beam in a first scanning direction and immediately thereafter a second sub-area of the strip, which along a common edge directly adjacent to the first sub-area, by means of the processing beam in a second scanning direction different from the first, in particular to the first perpendicular scanning direction, or in which the control device is designed to control the scanner device, first sub-areas of a first strip that directly adjoin one another at specific points, scanning in a first scanning direction by means of the processing beam, and immediately following second, directly at specific points one sub-regions of one of the first n directly adjacent second stripe in a second, different from the first, in particular to the first perpendicular scanning direction by means of the processing beam scanning.
Die Steuerungseinrichtung ist somit ausgebildet bzw. programmiert, das erste weiter oben beschriebene Verfahren zur Erzeugung des zusammenhängenden Flächenbereichs auszuführen. Entsprechend kann die Steuerungseinrichtung auch ausgebildet bzw. programmiert sein, die weiter oben beschriebenen Varianten des ersten Verfahrens auszuführen. Die Steuerungseinrichtung wirkt zu diesem Zweck auf die (mindestens eine) Scannereinrichtung, genauer gesagt auf einen oder auf mehrere Scanner-Spiegel der Scannereinrichtung, ein. Es ist möglich, dass die Bestrahlungseinrichtung eine einzige Scannereinrichtung aufweist. Die Bestrahlungseinrichtung kann aber auch zwei oder mehr in der Regel identisch aufgebaute Scannereinrichtungen aufweisen, die so angeordnet sind, dass sich deren Scanbereiche bzw. deren Bearbeitungsfelder in der Bearbeitungsebene überlappen.The control device is thus designed or programmed to carry out the first method described above for generating the contiguous surface area. Correspondingly, the control device can also be designed or programmed to carry out the above-described variants of the first method. For this purpose, the control device acts on the (at least one) scanner device, more precisely on one or more scanner mirrors of the scanner device. It is possible for the irradiation device to have a single scanner device. The irradiation device can, however, also have two or more, as a rule, identically constructed scanner devices, which are arranged such that their scan areas or their processing fields overlap in the processing plane.
Es versteht sich, dass die weiter oben beschriebene Bestrahlungseinrichtung bzw. eine Bearbeitungsmaschine, welche die Bestrahlungseinrichtung umfasst, mindestens eine Strahlquelle, insbesondere mindestens eine Laserquelle, zur Erzeugung des mindestens einen Bearbeitungsstrahls bzw. Laserstrahls aufweisen kann. Insbesondere können Laserquellen verwendet werden, die eine Leistung im Bereich von mehr als 100 W aufweisen.It goes without saying that the above-described irradiation device or a processing machine which comprises the irradiation device can have at least one beam source, in particular at least one laser source, for generating the at least one processing beam or laser beam. In particular, laser sources can be used which have a power in the range of more than 100 W.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Bearbeitungsmaschine der eingangs genannten Art, die eine Bestrahlungseinrichtung aufweist, die wie weiter oben beschrieben ausgebildet ist. Die Bearbeitungsmaschine kann beispielsweise wie in der
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Bearbeitungsmaschine der eingangs genannten Art, weiter umfassend: eine Bestrahlungseinrichtung, die mindestens eine Scannereinrichtung zum Ausrichten mindestens eines Bearbeitungsstrahls auf die Pulverschicht in der Bearbeitungsebene aufweist, sowie eine Steuerungseinrichtung, die ausgebildet ist, die mindestens eine Scannereinrichtung anzusteuern, einen zusammenhängenden Flächenbereich mit mindestens einem Bearbeitungsstrahl in mindestens einem einer Mehrzahl von Teilbereichen zu bestrahlen, in die der zusammenhängende Flächenbereich aufgeteilt ist, bis die Pulverschicht in dem mindestens einen Teilbereich vollständig aufgeschmolzen ist, und wobei die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, die mindestens eine Scannereinrichtung anzusteuern, das Bestrahlen der Teilbereiche unmittelbar aufeinander folgend so lange zu wiederholen, bis alle Teilbereiche des zusammenhängenden Flächenbereichs vollständig aufgeschmolzen sind, wobei insbesondere mindestens ein weiterer zusammenhängender Flächenbereich mindestens einen Abschnitt aufweist, der in Bezug auf einen Strömungsvektor eines über die Pulverschicht geführten Gasstroms stromabwärts von mindestens einem Abschnitt des zusammenhängenden Flächenbereichs angeordnet ist und der quer zu dem Strömungsvektor mit dem Abschnitt des zusammenhängenden Flächenbereichs überlappt.Another aspect of the invention relates to a processing machine of the type mentioned at the beginning Type, further comprising: an irradiation device which has at least one scanner device for aligning at least one processing beam to the powder layer in the processing plane, and a control device which is designed to control the at least one scanner device, a contiguous surface area with at least one processing beam in at least one To irradiate a plurality of sub-areas into which the contiguous surface area is divided until the powder layer is completely melted in the at least one sub-area, and wherein the control device is designed to control the at least one scanner device, to repeat the irradiation of the sub-areas immediately one after the other for so long , until all partial areas of the contiguous surface area are completely melted, in particular at least one further contiguous surface area having at least one section st, which is arranged downstream of at least one section of the contiguous surface area with respect to a flow vector of a gas flow guided over the powder layer and which overlaps the section of the contiguous surface area transversely to the flow vector.
Die Steuerungseinrichtung ist somit ausgebildet bzw. programmiert, das zweite weiter oben beschriebene Verfahren zur Erzeugung des zusammenhängenden Flächenbereichs auszuführen. Entsprechend kann die Steuerungseinrichtung auch ausgebildet bzw. programmiert sein, die weiter oben beschriebenen Varianten dieses Verfahrens auszuführen. Die Steuerungseinrichtung wirkt zu diesem Zweck auf die mindestens eine Scannereinrichtung, genauer gesagt auf einen oder auf mehrere Scanner-Spiegel der mindestens einen Scannereinrichtung, sowie in der Regel auf die Strahlquelle(n) zur Erzeugung der Bearbeitungsstrahlen ein.The control device is thus designed or programmed to execute the second method described above for generating the contiguous surface area. Accordingly, the control device can also be designed or programmed to carry out the above-described variants of this method. For this purpose, the control device acts on the at least one scanner device, more precisely on one or more scanner mirrors of the at least one scanner device, and generally on the beam source (s) for generating the processing beams.
Bei einer Ausführungsform erstreckt sich der zusammenhängende Flächenbereich in Bezug auf den Strömungsvektor des Gasstroms weiter stromabwärts als mindestens ein weiterer zusammenhängender Flächenbereich und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, die Scannereinrichtung anzusteuern, das Bestrahlen des zusammenhängenden Flächenbereichs vor dem Bestrahlen des weiteren zusammenhängenden Flächenbereichs zu beginnen. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird die Reihenfolge der Erzeugung der zusammenhängenden Flächenbereiche bevorzugt in Abhängigkeit von der Abfolge der zusammenhängenden Flächenbereichen entlang der Strömungsrichtung des Gasstroms festgelegt.In one embodiment, the contiguous surface area extends further downstream in relation to the flow vector of the gas flow than at least one further contiguous surface area and the control device is designed to control the scanner device to begin irradiating the contiguous surface area before irradiating the further contiguous surface area. As has been described further above, the sequence in which the connected surface areas are generated is preferably determined as a function of the sequence of the connected surface areas along the flow direction of the gas stream.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, die Scannereinrichtung anzusteuern, mit einem ersten Bearbeitungsstrahl das Bestrahlen des zusammenhängenden Flächenbereichs zu beginnen und mit einem zweiten Bearbeitungsstrahl entweder gemeinsam mit dem ersten Bearbeitungsstrahl den zusammenhängenden Flächenbereich zu bestrahlen oder mit dem Bestrahlen eines weiteren zusammenhängenden Flächenbereichs zu beginnen. Auf diese Weise können Wartezeiten vermieden und die Produktivität bei der Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen kann erhöht werden.In a further embodiment, the control device is designed to control the scanner device, to start irradiating the contiguous surface area with a first processing beam and to irradiate the contiguous surface area with a second processing beam either together with the first processing beam or to start irradiating a further contiguous surface area . In this way, waiting times can be avoided and productivity in the manufacture of three-dimensional components can be increased.
Bei einer Weiterbildung steuert für den Fall, dass der erste und zweite Bearbeitungsstrahl sich beim gemeinsamen Bestrahlen des zusammenhängenden Flächenbereichs gegenseitig behindern, die Steuerungseinrichtung die Scannereinrichtung an, unmittelbar nachfolgend mit dem ersten oder mit dem zweiten Bearbeitungsstrahl mit dem Bestrahlen eines weiteren zusammenhängenden Flächenbereichs zu beginnen oder unmittelbar nachfolgend gemeinsam mit einem dritten Bearbeitungsstrahl einen weiteren zusammenhängenden Flächenbereich zu bestrahlen. Auf diese Weise kann ebenfalls die Produktivität der Bearbeitungsmaschine bei der parallelen Herstellung mehrerer dreidimensionaler Bauteile gesteigert werden.In a further development, in the event that the first and second processing beam interfere with each other during joint irradiation of the contiguous surface area, the control device controls the scanner device to begin irradiating a further contiguous surface area immediately afterwards with the first or with the second processing beam to irradiate a further contiguous surface area immediately afterwards together with a third processing beam. In this way, the productivity of the processing machine can also be increased when several three-dimensional components are produced in parallel.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, die mindestens eine Scannereinrichtung anzusteuern, den weiteren zusammenhängenden Flächenbereich zumindest in dem Abschnitt, der stromabwärts von dem Abschnitt des zusammenhängenden Flächenbereichs angeordnet ist, nicht zeitgleich mit dem überlappenden Abschnitt des zusammenhängenden Flächenbereichs zu bestrahlen. Insbesondere kann die Steuerungseinrichtung ausgebildet sein, den zusammenhängenden Flächenbereich und den weiteren zusammenhängenden Flächenbereich, der den mindestens einen überlappenden Abschnitt aufweist, nicht zeitgleich zu bestrahlen bzw. mit der Bestrahlung des weiteren zusammenhängenden Flächenbereichs erst zu beginnen, wenn die Bestrahlung des zusammenhängenden Flächenbereichs abgeschlossen ist.In a further embodiment, the control device is designed to control the at least one scanner device, not to irradiate the further contiguous area at least in the section which is arranged downstream of the section of the contiguous area at the same time as the overlapping section of the contiguous area. In particular, the control device can be designed not to irradiate the contiguous surface area and the further contiguous surface area which has the at least one overlapping section at the same time or to only start irradiating the further contiguous surface area when the irradiation of the contiguous surface area has been completed.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention emerge from the description and the drawing. The features mentioned above and those listed below can also be used individually or collectively in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for describing the invention.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Bestrahlungseinrichtung mit einer Scannereinrichtung zum Ausrichten eines Bearbeitungsstrahls auf ein Pulverbett, -
2 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsmaschine zum Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten mit der Bestrahlungseinrichtung gemäß1 , -
3a,b schematische Darstellungen eines zusammenhängenden Flächenbereichs mit einer Mehrzahl von Streifen, entlang derer der Bearbeitungsstrahl bewegt wird, um unmittelbar aufeinander folgend benachbarte erste und zweite Teilbereiche zu bestrahlen, -
4 eine schematische Darstellung analog zu3a,b , bei der punktuell aneinander angrenzende erste Teilbereiche in einem ersten Streifen und unmittelbar nachfolgend punktuell aneinander angrenzende zweite Teilbereiche in einem zweiten Streifen bestrahlt werden, -
5 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsmaschine mit einer Bestrahlungseinrichtung mit drei Scannereinrichtungen zur Ausrichtung von drei Laserstrahlen auf eine Pulverschicht in einer Bearbeitungsebene, sowie -
6a-d schematische Darstellungen der Bestrahlung von mehreren zusammenhängenden Flächenbereichen der Pulverschicht mittels der drei Laserstrahlen.
-
1 a schematic representation of an irradiation device with a scanner device for aligning a processing beam on a powder bed, -
2 a schematic representation of a processing machine for producing three-dimensional components by irradiating powder layers with the irradiation device according to FIG1 , -
3a, b schematic representations of a coherent surface area with a plurality of strips along which the processing beam is moved in order to irradiate adjacent first and second partial areas, -
4th a schematic representation analogous to3a, b , in which first partial areas that adjoin one another at points are irradiated in a first strip and immediately afterwards second partial areas that adjoin one another at points are irradiated in a second strip, -
5 a schematic representation of a processing machine with an irradiation device with three scanner devices for aligning three laser beams on a powder layer in a processing plane, and -
6a-d schematic representations of the irradiation of several contiguous areas of the powder layer by means of the three laser beams.
Wie in
Der in
Jeder der drei Streifen
Für die Bestrahlung eines jeweiligen Teilbereichs
Entsprechend wird auch der zweite Teilbereich
Wie in
In einem der Erzeugung des zusammenhängenden Flächenbereichs
Die Orientierung der Längsrichtung und der Querrichtung des zusammenhängenden Flächenbereichs
Der Schutzgasstrom
Der Schutzgasstrom
Bei dem in
Äquivalent hierzu kann die Reihenfolge der Bestrahlung der drei Streifen
Für das Erzeugen einer neuen Schicht des dreidimensionalen Bauteils
Ein Bearbeitungsbereich
Auch bei der Bestrahlung des weiteren zusammenhängenden Flächenbereichs
Bei der in
Nachfolgend wird anhand von
Grundsätzlich wird bei der Erzeugung eines jeweiligen zusammenhängenden Flächenbereichs
Zumindest ein Teil der Bestrahlung des ersten Flächenbereichs
Wie in
Nach der Beendigung der Belichtung der Randkontur
Die Reihenfolge, in der die Bestrahlung der vier Flächenbereiche
Für die Bewegung der Bearbeitungsstrahlen
Es versteht sich, dass die Bestrahlung der jeweiligen Teilbereiche
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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