DE102020210724A1

DE102020210724A1 - Fertigungseinrichtung, Verfahren und Computerprogrammprodukt zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial

Info

Publication number: DE102020210724A1
Application number: DE102020210724.6A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Gutmann; Michael Staiger; Sarah Molzahn; Stefan Findeisen
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: TRUMPF LASER- UND SYSTEMTECHNIK SE, DE
Priority date: 2020-08-24
Filing date: 2020-08-24
Publication date: 2022-02-24
Also published as: WO2022043164A1; EP4200096A1; US20230191496A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fertigungseinrichtung (1) zum additiven Fertigen von Bauteilen (3) aus einem Pulvermaterial, mit- einer Strahlerzeugungseinrichtung (5) zum Erzeugen einer Mehrzahl von Energiestrahlen (7),- einer Scannereinrichtung (9), um einen Arbeitsbereich (11) lokal selektiv mit den Energiestrahlen (7) zumindest zeitweise zu bestrahlen,- einer Schutzgaseinrichtung (15), um eine Schutzgasströmung mit definierter Schutzgas-Strömungsrichtung (P1) zu erzeugen, und mit- einer Steuereinrichtung (17), die eingerichtet ist, um die Scannereinrichtung (9) anzusteuern, wobei- die Steuereinrichtung (17) weiter eingerichtet ist, um: Für einen ersten Energiestrahl (7.1) einen ersten Bestrahlungsbereich (19.1) auf dem Arbeitsbereich (11) zu definieren, entlang dem ein erster Bestrahlungsabschnitt (21.1) für den ersten Energiestrahl (7.1) von einer ersten Startposition zu einer ersten Endposition innerhalb des ersten Bestrahlungsbereichs (19.1) verlagert wird;- für einen zweiten Energiestrahl (7.2) einen zweiten Bestrahlungsbereich (19.2) stromaufwärts des ersten Bestrahlungsbereichs (19.1) zu definieren, entlang dem ein zweiter Bestrahlungsabschnitt (21.2) für den zweiten Energiestrahl (7.2) von einer zweiten Startposition zu einer zweiten Endposition verlagert wird, und um- eine Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs (19.2) mit dem zweiten Energiestrahl (7.2) zu beginnen, wenn der erste Bestrahlungsabschnitt (21.1) und die zweite Startposition relativ zueinander nicht innerhalb einer durch die Schutzgas-Strömungsrichtung bestimmten Wechselwirkungszone angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fertigungseinrichtung, ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial.
Beim additiven Herstellen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial wird typischerweise ein Energiestrahl an vorbestimmte Bestrahlungspositionen eines Arbeitsbereichs - insbesondere entlang eines vorbestimmten Bestrahlungspfads - verlagert, um in dem Arbeitsbereich angeordnetes Pulvermaterial lokal zu verfestigen. Dies wird insbesondere schichtweise in aufeinanderfolgend in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterialschichten wiederholt, um schließlich ein dreidimensionales Bauteil aus verfestigtem Pulvermaterial zu erhalten.
Aus WO 2018/118333 A1 geht eine Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial hervor, die als Strahlerzeugungseinrichtung eine Mehrzahl von Lasern aufweist, die eingerichtet sind, um als Energiestrahlen eine Mehrzahl von Laserstrahlen zu erzeugen. Die Fertigungseinrichtung weist außerdem eine Scannereinrichtung auf, die eingerichtet ist, um einen Arbeitsbereich lokal selektiv mit den Energiestrahlen zu bestrahlen, um mittels der Energiestrahlen ein Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial herzustellen. Weiterhin weist die Fertigungseinrichtung eine Schutzgaseinrichtung auf, die eingerichtet ist, um eine Schutzgasströmung mit definierter Schutzgas-Strömungsrichtung über dem Arbeitsbereich zu erzeugen. Die Fertigungseinrichtung weist auch eine Steuereinrichtung auf, die mit der Scannereinrichtung wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannereinrichtung anzusteuern. Dabei ist die Steuereinrichtung insbesondere eingerichtet, um den Arbeitsbereich mit den Energiestrahlen abzutasten.
Trajektorien der Energiestrahlen auf dem Arbeitsbereich werden dabei so gesteuert, dass die Energiestrahlen nicht mit einer Schadstoffwolke aus beispielsweise Schmutzpartikeln, Rauch oder Schmauch interagieren, unabhängig davon, ob die Schadstoffwolke von einem selben Energiestrahl oder von einem anderen Energiestrahl erzeugt ist. Die Energiestrahlen können nämlich andernfalls durch die Schadstoffwolke in unvorhersehbarer Weise gestreut und/oder abgeschwächt werden, was die Qualität des entstehenden Bauteils mindern kann. Weiterhin kann es auch die Qualität des entstehenden Bauteils mindern, wenn ein Energiestrahl auf einen Ort innerhalb des Arbeitsbereichs trifft, an dem Schadstoffe angeordnet sind, die von einem anderen Ort - insbesondere aufgrund der Schutzgasströmung - eingetragen wurden. Um die Trajektorien der Energiestrahlen entsprechend zu steuern, wird beispielsweise vorgeschlagen, Trajektorien der Schadstoffwolken zu überwachen oder zu simulieren. Dies erweist sich als sehr aufwendig. Es wird weiter vorgeschlagen, den Energiestrahlen jeweils separate Bereiche auf dem Arbeitsbereich zuzuordnen, die so zueinander angeordnet sind, dass Schadstoffwolken aus dem einen Bereich nicht in den anderen Bereich - und umgekehrt - gelangen können. Dies schränkt allerdings die Bewegungsfreiheit der Energiestrahlen und Flexibilität bei der Herstellung des Bauteils sehr stark ein. Weiter wird vorgeschlagen, bei der Bestrahlung mit einem Energiestrahl abzusetzen und die Bestrahlung nach einem örtlichen Versatz oder Sprung wieder zu beginnen, wenn der Energiestrahl ansonsten eine Schadstoffwolke kreuzen würde. Auf diese Weise überspringt der Energiestrahl quasi die Schadstoffwolke. Auch dies ist allerdings ein aufwändiges und kompliziertes Vorgehen. Schließlich wird vorgeschlagen, mit einem eine Schadstoffwolke verursachenden Energiestrahl dergestalt abzusetzen, dass eine Lücke in der Schadstoffwolke entsteht, durch die ein anderer Energiestrahl hindurch verlagert werden kann. Auch dies ist allerdings eine sehr komplizierte und letztlich wenig vorhersagbare und/oder reproduzierbare Vorgehensweise.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fertigungseinrichtung, ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest vermindert, vorzugsweise vermieden sind.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial derart weitergebildet wird, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um für einen ersten Energiestrahl der Mehrzahl von Energiestrahlen einen ersten Bestrahlungsbereich auf dem Arbeitsbereich zu definieren, entlang dem ein erster Bestrahlungsabschnitt für den ersten Energiestrahl von einer ersten Startposition zu einer ersten Endposition - insbesondere systematisch, insbesondere entlang einer bestimmten Verlagerungsrichtung, insbesondere am Stück, das heißt vorzugsweise ohne Sprünge zwischen verschiedenen Bereichen des Bestrahlungsbereichs - innerhalb des ersten Bestrahlungsbereichs verlagert wird. Die Steuereinrichtung ist weiter eingerichtet, um für einen zweiten Energiestrahl der Mehrzahl von Energiestrahlen einen zweiten Bestrahlungsbereich stromaufwärts - mit Bezug auf die Schutzgas-Strömungsrichtung - des ersten Bestrahlungsbereichs auf dem Arbeitsbereich zu definieren, entlang dem ein zweiter Bestrahlungsabschnitt für den zweiten Energiestrahl von einer zweiten Startposition zu einer zweiten Endposition - insbesondere systematisch, insbesondere entlang einer bestimmten Verlagerungsrichtung, insbesondere am Stück, das heißt vorzugsweise ohne Sprünge zwischen verschiedenen Bereichen des Bestrahlungsbereichs - innerhalb des zweiten Bestrahlungsbereichs verlagert wird. Die Steuereinrichtung ist weiter eingerichtet, um eine Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs mit dem zweiten Energiestrahl zu beginnen, wenn der erste Bestrahlungsabschnitt und die zweite Startposition für den zweiten Bestrahlungsabschnitt relativ zueinander nicht innerhalb einer durch die Schutzgas-Strömungsrichtung bestimmten Wechselwirkungszone angeordnet sind. Auf diese Weise kann insbesondere einfach, insbesondere ohne komplizierten Erfassungs- oder Berechnungsaufwand, vermieden werden, dass die Energiestrahlen im Bereich allfälliger Schadstoffwolken oder in Bereichen abgelagerter Schadstoffe auf dem Arbeitsbereich arbeiten, wobei zugleich jedoch insbesondere durch den Versatz im Beginn der Bestrahlung eine hohe Flexibilität bezüglich der Anordnung der Bestrahlungsbereiche relativ zueinander und somit auch bezüglich der lokalen Aufteilung der Bearbeitung des Arbeitsbereichs mit den verschiedenen Energiestrahlen gegeben ist. Dies ermöglicht es nicht zuletzt, eine Erwärmung oder Vorwärmung des entstehenden Bauteils durch den ersten Energiestrahl bei der Bearbeitung durch den zweiten Energiestrahl zu nutzen, um insbesondere Verzüge in dem entstehenden Bauteil nach Möglichkeit zu vermeiden. Die Energiestrahlen können also insbesondere vergleichsweise nah aneinander arbeiten, ohne dass dabei die Gefahr entsteht, dass sie sich durch die entstehenden Schadstoffe stören.
Die Steuereinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um eine Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs mit dem zweiten Energiestrahl zeitlich nach einem Beginn der Bestrahlung des ersten Bestrahlungsbereichs mit dem ersten Energiestrahl zu beginnen, wenn der erste Bestrahlungsabschnitt und die zweite Startposition für den zweiten Bestrahlungsabschnitt relativ zueinander nicht innerhalb einer durch die Schutzgas-Strömungsrichtung bestimmten Wechselwirkungszone angeordnet sind.
Der zweite Bestrahlungsbereich ist dabei mit Bezug auf die Schutzgas-Strömungsrichtung stromaufwärts des ersten Bestrahlungsbereichs angeordnet, was insbesondere bedeutet, dass durch den zweiten Energiestrahl erzeugte Schadstoffe mit der Schutzgasströmung in den ersten Bestrahlungsbereich gelangen können. Anders als gemäß dem Stand der Technik ist hier also ausdrücklich nicht vorgesehen, dass die Bestrahlungsbereiche so gewählt werden, dass keinerlei Schadstoffe von dem einen Bestrahlungsbereich in den anderen gelangen können - oder umgekehrt. Gleichwohl hat dies keine negativen Auswirkungen, da durch den Versatz im Beginn der Bestrahlung sichergestellt ist, dass die Energiestrahlen nicht mit den Schadstoffen der jeweils anderen Energiestrahlen interagieren.
Der Arbeitsbereich wird mit den Energiestrahlen zeitweise simultan, aber räumlich versetzt bestrahlt. Das heißt, dass die Energiestrahlen zumindest zeitweise gleichzeitig in dem Arbeitsbereich - insbesondere auch in einem selben Bauteilabschnitt - verlagert werden und mit dem Pulvermaterial zusammenwirken. Sie sind dabei allerdings stets räumlich zueinander versetzt, es bearbeiten also keine zwei Energiestrahlen zugleich denselben Ort auf dem Arbeitsbereich.
Die Steuereinrichtung ist insbesondere eingerichtet, um den Bestrahlungsabschnitt systematisch, insbesondere mit definierter Verlagerungsrichtung, innerhalb des jeweiligen Bestrahlungsbereichs zu verlagern. Dabei ist die Steuereinrichtung bevorzugt eingerichtet, um diese Verlagerung am Stück, das heißt ohne Sprünge, durchzuführen, was letztlich bedeutet, dass der Bestrahlungsabschnitt auf dem Weg von der Startposition zu der Endposition nicht zunächst Bereiche des Bestrahlungsbereichs überspringt, um anschließend dorthin zurückzuspringen, sondern dass von der Startposition zu der Endposition hintereinander angeordnete Bereiche des Bestrahlungsbereichs auch zeitlich nacheinander in der durch die geometrische Lage zwischen der Startposition und der Endposition vorbestimmten Reihenfolge bestrahlt werden.
Die zweite Startposition ist vorzugsweise der ersten Startposition auf dem Arbeitsbereich benachbart angeordnet. Insbesondere liegt die erste Startposition innerhalb der Wechselwirkungszone der zweiten Startposition, und/oder umgekehrt. Durch den Versatz im Beginn der Bestrahlung des ersten Bestrahlungsbereichs und des zweiten Bestrahlungsbereichs wird gleichwohl gewährleistet, dass keine Qualitätsmängel durch Beeinträchtigungen zwischen den Startpositionen entstehen. Dabei kann der Beginn der Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs trotzdem so kurz nach dem Beginn der Bestrahlung des ersten Bestrahlungsbereichs stattfinden, dass das entstehende Bauteil - insbesondere in unterhalb einer momentan bearbeiteten Pulvermaterialschicht angeordneten Pulvermaterialschichten - noch nicht in solchem Umfang abgekühlt ist, dass Qualitätsmängel durch Verzüge zu befürchten wären. Vielmehr kann eine durch den ersten Energiestrahl erfolgte Vorwärmung produktivitäts- und qualitätssteigernd bei der Bestrahlung mit dem zweiten Energiestrahl genutzt werden.
Die Verlagerung des zweiten Bestrahlungsabschnitts von der zweiten Startposition zu der zweiten Endposition innerhalb des zweiten Bestrahlungsbereichs erfolgt bevorzugt gleichsinnig, insbesondere mit gleicher Verlagerungsrichtung, mit der Verlagerung des ersten Bestrahlungsabschnitts innerhalb des ersten Bestrahlungsbereichs.
Unter einem Bestrahlungsbereich wird insbesondere ein Bereich verstanden, der vollständig, insbesondere systematisch, insbesondere mit definierter Verlagerungsrichtung, insbesondere am Stück, insbesondere ohne Sprünge, mit einem der Energiestrahlen bestrahlt wird, insbesondere ohne dass der Energiestrahl zwischenzeitlich zu einem anderen Bestrahlungsbereich verlagert wird. Ist ein Bestrahlungsbereich vollständig bestrahlt, springt der Energiestrahl bevorzugt zu einem nächsten Bestrahlungsbereich, der dann systematisch mit dem Energiestrahl bestrahlt wird, bevor der Energiestrahl wiederum zu einem weiteren Bestrahlungsbereich springt. Ein Bestrahlungsbereich ist also insbesondere ein zusammenhängendes Gebiet auf dem Arbeitsbereich, welches ohne Unterbrechung mit dem Energiestrahl überstrichen wird.
Ein Bestrahlungsabschnitt ist demgegenüber insbesondere ein Teilbereich des Bestrahlungsbereichs, in welchem der Energiestrahl zu einem gegebenen Zeitpunkt, insbesondere zu einem jeweils momentanen Zeitpunkt, das in dem Arbeitsbereich angeordnete Pulvermaterial bestrahlt. Demnach verlagert sich der Bestrahlungsabschnitt innerhalb des Bestrahlungsbereichs, wenn der Bestrahlungsbereich mit dem Energiestrahl überstrichen wird.
Unter einer Wechselwirkungszone wird insbesondere ein Gebiet auf dem Arbeitsbereich verstanden, welches durch an einem bestimmten Ort innerhalb oder außerhalb der Wechselwirkungszone entstandene Schadstoffe beeinträchtigt ist, sei es durch eine Schadstoffwolke oder durch abgelagerte Schadstoffe, wie beispielsweise Rauch, Schmauch oder Schmutzpartikel. Insbesondere ist jedem momentan bearbeiteten Bestrahlungsabschnitt eines Energiestrahls eine Wechselwirkungszone zugeordnet, die durch in dem Bestrahlungsabschnitt entstandene Schadstoffe beeinflusst ist. Dass der erste Bestrahlungsabschnitt und die zweite Startposition für den zweiten Bestrahlungsabschnitt relativ zueinander nicht innerhalb einer solchen Wechselwirkungszone angeordnet sind, bedeutet demnach insbesondere, dass der erste Bestrahlungsabschnitt nicht in einer der zweiten Startposition zugeordneten Wechselwirkungszone angeordnet ist, und/oder dass - bevorzugt zusätzlich - die zweite Startposition nicht in einer dem ersten Bestrahlungsabschnitt zugeordneten Wechselwirkungszone angeordnet ist.
Dass die Wechselwirkungszone durch die Schutzgas-Strömungsrichtung bestimmt ist, bedeutet insbesondere, dass die Schutzgas-Strömungsrichtung für die Ausrichtung und Anordnung der Wechselwirkungszone zumindest mitbestimmend ist, wobei sie vorzugsweise die Anordnung und Ausrichtung der Wechselwirkungszone definiert. Die Schutzgas-Strömungsrichtung bestimmt wesentlich, wohin in einem Bestrahlungsabschnitt entstehende Schadstoffe verlagert werden. Zugleich ist es aber nicht notwendig, dass die Schutzgas-Strömungsrichtung allein für die Wechselwirkungszone bestimmend ist. Vielmehr kann die Wechselwirkungszone sich auch in andere Richtungen, insbesondere auch bereichsweise entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung, erstrecken, da nämlich aufgrund eines initialen Impulses Schadstoffe, insbesondere Rauch, Schmauch und/oder Spritzer, auch zumindest über eine eingeschränkte Distanz entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung oder seitlich zur Schutzgas-Strömungsrichtung verlagert werden können. Die Wechselwirkungszone kann also zusätzlich zu der Schutzgas-Strömungsrichtung durch weitere Parameter bestimmt sein.
Die hier dargestellten, durch die Steuereinrichtung durchzuführenden Verfahrensschritte werden bevorzugt innerhalb einer Pulvermaterialschicht solange wiederholt, bis die Pulvermaterialschicht in allen zu bestrahlenden Gebieten oder Bauteilabschnitten bestrahlt ist. Dabei ist insbesondere der zweite Bestrahlungsbereich vorzugsweise ein weiterer erster Bestrahlungsbereich für einen dritten Bestrahlungsbereich, der dann in Bezug auf den weiteren ersten Bestrahlungsbereich, das heißt den vorhergehenden zweiten Bestrahlungsbereich, wiederum ein neuer, zweiter Bestrahlungsbereich ist. Die hier beschriebene Vorgehensweise kann also insbesondere beliebig entlang der Pulvermaterialschicht iteriert werden. Dabei ist es möglich, dass die verschiedenen Bestrahlungsbereiche wechselweise mit dem ersten Energiestrahl und dem zweiten Energiestrahl beaufschlagt werden; es ist aber auch möglich, dass mehr als zwei Energiestrahlen eingesetzt werden, beispielsweise drei Energiestrahlen, oder mehr als drei Energiestrahlen.
Zugleich wird die erfindungsgemäße oder erfindungsgemäß bevorzugte Vorgehensweise bevorzugt auf jeder neuen Pulvermaterialschicht erneut durchgeführt, also von Pulvermaterialschicht zu Pulvermaterialschicht wiederholt, bis das herzustellende Bauteil schichtweise aufgebaut ist. Insbesondere bezieht sich dabei die bisher beschriebene Vorgehensweise auf genau eine Pulvermaterialschicht, die verschiedenen Bestrahlungsbereiche werden also insbesondere in derselben Pulvermaterialschicht definiert, und dies vorzugsweise für jede neue Pulvermaterialschicht neu.
Unter einem additiven oder generativen Fertigen oder Herstellen eines Bauteils wird insbesondere ein schichtweises Aufbauen eines Bauteils aus Pulvermaterial - Pulvermaterialschicht für Pulvermaterialschicht - verstanden, insbesondere ein Pulverbettbasiertes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in einem Pulverbett, insbesondere ein Fertigungsverfahren, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem selektiven Lasersintern, einem Laser-Metall-Fusionieren (Laser Metal Fusion - LMF), einem direkten Metall-Laser-Schmelzen (Direct Metal Laser Melting - DMLM), einem Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), und einem Laser Engineered Net Shaping (LENS). Die Fertigungseinrichtung ist demnach insbesondere eingerichtet zur Durchführung von wenigstens einem der zuvor genannten additiven oder generativen Fertigungsverfahren.
Unter einem Energiestrahl wird allgemein gerichtete Strahlung verstanden, die Energie transportieren kann. Hierbei kann es sich allgemein um Teilchenstrahlung oder Wellenstrahlung handeln. Insbesondere propagiert der Energiestrahl entlang einer Propagationsrichtung durch den physikalischen Raum und transportiert dabei Energie entlang seiner Propagationsrichtung. Insbesondere ist es mittels des Energiestrahls möglich, Energie lokal in dem Arbeitsbereich zu deponieren.
Der Energiestrahl ist in bevorzugter Ausgestaltung ein optischer Arbeitsstrahl. Unter einem optischen Arbeitsstrahl ist insbesondere gerichtete elektromagnetische Strahlung, kontinuierlich oder gepulst, zu verstehen, die im Hinblick auf ihre Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich geeignet ist zum additiven oder generativen Fertigen eines Bauteils aus Pulvermaterial, insbesondere zum Sintern oder Schmelzen des Pulvermaterials. Insbesondere wird unter einem optischen Arbeitsstrahl ein Laserstrahl verstanden, der kontinuierlich oder gepulst erzeugt sein kann. Der optische Arbeitsstrahl weist bevorzugt eine Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum oder im infraroten elektromagnetischen Spektrum, oder im Überlappungsbereich zwischen dem infraroten Bereich und dem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums auf.
Unter einem Arbeitsbereich wird insbesondere ein Bereich, insbesondere eine Ebene oder Fläche, verstanden, in dem das Pulvermaterial angeordnet ist, und der lokal mit dem Energiestrahl bestrahlt wird, um das Pulvermaterial lokal zu verfestigen. Insbesondere wird das Pulvermaterial in dem Arbeitsbereich sequentiell schichtweise angeordnet und mit dem Energiestrahl lokal bestrahlt, um - Schicht für Schicht - ein Bauteil herzustellen.
Dass der Arbeitsbereich lokal mit einem Energiestrahl beaufschlagt wird, bedeutet insbesondere, dass nicht der gesamte Arbeitsbereich global - weder instantan noch sequenziell - mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, sondern dass der Arbeitsbereich vielmehr stellenweise, insbesondere an einzelnen, zusammenhängenden oder voneinander getrennten Stellen, mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, wobei der Energiestrahl insbesondere mittels der Scannereinrichtung innerhalb des Arbeitsbereichs verlagert wird. Dass der Arbeitsbereich selektiv mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, bedeutet insbesondere, dass der Arbeitsbereich an ausgewählten, vorbestimmten Stellen oder Orten oder in ausgewählten, vorbestimmten Bereichen mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird. Der Arbeitsbereich ist insbesondere eine Pulvermaterialschicht oder ein vorzugsweise zusammenhängendes Gebiet einer Pulvermaterialschicht, welche/welches mithilfe der Scannereinrichtung durch den Energiestrahl erreichbar ist, das heißt er umfasst insbesondere solche Stellen, Orte oder Bereiche der Pulvermaterialschicht, die mit dem Energiestrahl beaufschlagt werden können.
Die Schutzgaseinrichtung weist vorzugsweise wenigstens einen Schutzgas-Auslass, insbesondere eine Düse, vorzugsweise eine Mehrzahl von insbesondere nebeneinander angeordneten und bevorzugt parallel zueinander ausgerichteten Schutzgas-Auslässen, insbesondere Düsen, auf. Der mindestens einen Schutzgas-Auslass ist insbesondere eingerichtet, um ein gerichtetes Ausströmen des Schutzgases aus dem Schutzgas-Auslass zu bewirken und so die Schutzgas-Strömungsrichtung zu definieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Schutzgaseinrichtung zusätzlich wenigstens einen Schutzgas-Einlass, insbesondere eine Mehrzahl von bevorzugt nebeneinander angeordneten und insbesondere parallel zueinander ausgerichteten Schutzgas-Einlässen auf, durch den/die das Schutzgas aus dem Arbeitsbereich heraus wieder in die Schutzgaseinrichtung eintreten kann. Insbesondere ist der wenigstens eine Schutzgas-Einlass bevorzugt in Schutzgas-Strömungsrichtung gesehen dem mindestens einen Schutzgas-Auslass gegenüberliegend angeordnet, wobei der Arbeitsbereich zwischen dem mindestens einen Schutzgas-Einlass und den mindestens einen Schutzgas-Auslass angeordnet ist. In bevorzugter Ausgestaltung weist die Schutzgaseinrichtung eine Absaugvorrichtung, insbesondere eine Pumpe, auf, mittels der das Schutzgas über den mindestens einen Schutzgas-Einlass aus dem Arbeitsbereich abgesaugt werden kann. Insbesondere mittels einer Kombination aus definierter Ausströmung des Schutzgases aus dem mindestens einen Schutzgas-Auslass und definierter Absaugung des Schutzgases über den mindestens einen Schutzgas-Einlass kann die Schutzgas-Strömungsrichtung über dem Arbeitsbereich mit besonders hoher Präzision bestimmt werden.
Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Computer, insbesondere Personal Computer (PC), einer Einschubkarte oder Ansteuerkarte, und einem FPGA-Board. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung eine RTC6-Ansteuerkarte der SCANLAB GmbH, insbesondere in der an dem den Zeitrang des vorliegenden Schutzrechts bestimmenden Tag aktuell erhältlichen Ausgestaltung.
Die Scannereinrichtung weist bevorzugt mindestens einen Scanner, insbesondere einen Galvanometer-Scanner, Piezoscanner, Polygonscanner, MEMS-Scanner, und/oder einen relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf auf - vorzugsweise für jeden Energiestrahl mindestens ein dem Energiestrahl separat zugeordnetes solches Element. Die hier vorgeschlagenen Einrichtungen sind in besonderer Weise geeignet, die Energiestrahlen innerhalb des Arbeitsbereichs zwischen einer Mehrzahl von Bestrahlungspositionen zu verlagern.
Unter einem relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf wird hier insbesondere ein integriertes Bauteil der Fertigungseinrichtung verstanden, welches mindestens einen Strahlungsauslass für mindestens einen Energiestrahl aufweist, wobei das integrierte Bauteil, das heißt der Arbeitskopf, als Ganzes entlang zumindest einer Verlagerungsrichtung, vorzugsweise entlang zweier senkrecht aufeinander stehenden Verlagerungsrichtungen, relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbar ist. Ein solcher Arbeitskopf kann insbesondere in Portalbauweise ausgebildet sein oder von einem Roboter geführt werden. Insbesondere kann der Arbeitskopf als Roboterhand eines Roboters ausgebildet sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um ausgehend von dem ersten Bestrahlungsabschnitt einen ersten Sperrbereich zu bestimmen, der mit dem ersten Bestrahlungsabschnitt entlang des ersten Bestrahlungsbereichs verlagert wird. Alternativ oder zusätzlich wird durch die Steuereinrichtung ausgehend von dem zweiten Bestrahlungsabschnitt bevorzugt ein zweiter Sperrbereich bestimmt, der mit dem zweiten Bestrahlungsabschnitt entlang des zweiten Bestrahlungsbereichs verlagert wird. Durch die Definition der jeweiligen Sperrbereiche kann in besonders einfacher Weise gewährleistet sein, dass die Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs nur, insbesondere erst, beginnt, wenn der erste Bestrahlungsabschnitt und die zweite Startposition für den zweiten Bestrahlungsabschnitt relativ zueinander nicht innerhalb der entsprechenden Wechselwirkungszone angeordnet sind. Es bedarf also keiner explizit zeitlichen Betrachtung des Bestrahlungsbeginns, sondern der - ggf. zeitliche - Versatz kann implizit über die Definition der Sperrbereiche vorgegeben werden.
Alternativ ist aber auch eine explizit zeitliche Steuerung möglich; oder es wird ein Versatz in Form einer Anzahl von Bestrahlungsvektoren, die von dem ersten Energiestrahl abzuarbeiten sind, oder in Form einer bestimmten zu absolvierenden Verlagerungsstrecke für den ersten Bestrahlungsabschnitt vorgegeben, bis die Bestrahlung mit dem zweiten Energiestrahl beginnen darf.
Unter einem Sperrbereich wird dabei ein Bereich verstanden, der für einen bestimmten Energiestrahl und damit einen bestimmten Bestrahlungsabschnitt definiert ist, und in den kein anderer Energiestrahl verlagert werden darf. Der einem Bestrahlungsabschnitt zugeordnete Sperrbereich ist dabei bevorzugt gleich der dem Bestrahlungsabschnitt zugeordneten Wechselwirkungszone oder größer als die Wechselwirkungszone. Insbesondere kann bei der Definition des Sperrbereichs ein Sicherheitsaufschlag zu der tatsächlichen Wechselwirkungszone berücksichtigt werden.
Der Sperrbereich erstreckt sich bevorzugt über eine vorbestimmte Ausdehnung innerhalb des Arbeitsbereichs um den ihm zugeordneten Bestrahlungsabschnitt und - in Schutzgas-Strömungsrichtung - stromabwärts des Bestrahlungsabschnitts.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um die Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs mit dem zweiten Energiestrahl erst zu beginnen, wenn zumindest eine Startbedingung erfüllt ist, wobei die wenigstens eine Startbedingung ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Die zweite Startposition liegt nicht innerhalb des ersten Sperrbereich; der erste Bestrahlungsabschnitt liegt nicht innerhalb des zweiten Sperrbereichs an der zweiten Startposition; und der erste Sperrbereich und der zweite Sperrbereich überlappen nicht miteinander. Jede dieser drei Bedingungen ist insbesondere für sich genommen geeignet, um einen Versatz zwischen dem Beginn der Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs und dem Beginn der Bestrahlung des ersten Bestrahlungsbereichs so zu wählen, dass gewährleistet ist, dass der erste Bestrahlungsabschnitt und die zweite Startposition für den zweiten Bestrahlungsabschnitt relativ zueinander nicht in der entsprechenden Wechselwirkungszone angeordnet sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs mit dem zweiten Energiestrahl erst begonnen, wenn zumindest zwei Startbedingungen, ausgewählt aus der oben genannten Gruppe, erfüllt sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs mit dem zweiten Energiestrahl erst begonnen, wenn alle drei Startbedingungen der oben genannten Gruppe kumulativ erfüllt sind.
Dass die zweite Startposition nicht in dem ersten Sperrbereich liegt, bedeutet insbesondere, dass die zweite Startposition nicht räumlich mit dem ersten Sperrbereich überlappt; gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung bedeutet dies insbesondere, dass die zweite Startposition nicht vollständig in dem ersten Sperrbereich angeordnet ist.
Dass der erste Bestrahlungsabschnitt nicht innerhalb des zweiten Sperrbereichs an der zweiten Startposition liegt, bedeutet gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung insbesondere, dass der erste Bestrahlungsabschnitt nicht mit dem zweiten Sperrbereich an der zweiten Startposition überlappt; gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung bedeutet dies insbesondere, dass der erste Bestrahlungsabschnitt nicht vollständig innerhalb des zweiten Sperrbereichs an der zweiten Startposition liegt.
Die Bezugnahme auf den „zweiten Sperrbereich an der zweiten Startposition“ bedeutet insbesondere, dass der zweite Sperrbereich betrachtet wird, wie er gegeben ist, wenn sich der zweite Bestrahlungsabschnitt an der zweiten Startposition befindet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um den ersten Bestrahlungsbereich und den zweiten Bestrahlungsbereich auf dem Arbeitsbereich einander unmittelbar benachbart zu definieren. Insbesondere werden der erste Bestrahlungsbereich und der zweite Bestrahlungsbereich bevorzugt derart auf dem Arbeitsbereich definiert, dass der erste Bestrahlungsbereich und der zweite Bestrahlungsbereich aneinandergrenzen. Es ist möglich, dass der erste Bestrahlungsbereich und der zweite Bestrahlungsbereich genau entlang einer definierten Grenzlinie aneinanderstoßen; es ist aber auch möglich, dass der erste Bestrahlungsbereich und der zweite Bestrahlungsbereich bereichsweise überlappen. Werden der erste Bestrahlungsbereich und der zweite Bestrahlungsbereich unmittelbar benachbart zueinander definiert, kann das Bauteil mit besonders hoher Qualität, insbesondere nahtlos, hergestellt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung eingerichtet ist, um die Bestrahlungsbereiche als Streifen zu erzeugen, das heißt streifenförmige Bestrahlungsbereiche zu erzeugen. Diese Ausgestaltung hat sich als besonders vorteilhaft für eine qualitativ hochwertige und zugleich produktive Fertigung von Bauteilen herausgestellt. Die Streifen oder streifenförmigen Bestrahlungsbereiche sind vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet. Vorzugsweise grenzen die Streifen aneinander an, besonders bevorzugt ohne zu überlappen; es ist aber auch zumindest bereichsweise eine Überlappung möglich.
Der zweite Bestrahlungsbereich erstreckt sich bevorzugt parallel zu dem ersten Bestrahlungsbereich. Dies gilt in ganz besonderem Maß, wenn die Bestrahlungsbereiche als Streifen ausgebildet sind. Bevorzugt werden alle Bestrahlungsbereiche so definiert, dass sie sich parallel zueinander erstrecken.
Die Verlagerungsrichtung der Bestrahlungsabschnitte in den verschiedenen Bestrahlungsbereichen wird vorzugsweise auch zumindest für den ersten Bestrahlungsbereich und den zweiten Bestrahlungsbereich, bevorzugt für alle Bestrahlungsbereiche, gleich, insbesondere parallel und mit gleicher Orientierung, gewählt. Die Bestrahlung erfolgt also in den verschiedenen Bestrahlungsbereichen bevorzugt gleichsinnig oder gleichgerichtet. Insbesondere läuft dabei der zweite Energiestrahl dem ersten Energiestrahl räumlich und bevorzugt zeitlich versetzt nach.
Bevorzugt ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um die Bestrahlungsbereiche derart als Streifen zu erzeugen, dass eine in Längsrichtung eines Streifens der Streifen gemessene Streifenlänge dieses Streifens größer ist als eine in derselben Richtung, nämlich in Längsrichtung dieses Streifens, gemessene Ausdehnung des dem Streifen zugeordneten Sperrbereichs. Der Streifen oder streifenförmigen Bestrahlungsbereich ragt also bevorzugt über den Sperrbereich hinaus; er ist insbesondere größer - zumindest entlang der Längsrichtung - als der Sperrbereich. Daher kann der Sperrbereich insbesondere innerhalb des Streifens in Längsrichtung verlagert werden.
Die Verlagerungsrichtung des Bestrahlungsabschnitts innerhalb des streifenförmigen Bestrahlungsbereichs erstreckt sich bevorzugt in Längsrichtung des Streifens.
Dabei ist ein Streifen insbesondere dadurch bestimmt, dass er in einer Richtung auf dem Arbeitsbereich eine größere Abmessung aufweist als in der anderen, hierzu orthogonalen Richtung. Die Richtung der größeren Abmessung wird als Längsrichtung bezeichnet, die hierzu orthogonale Richtung kleinerer Abmessung als Breitenrichtung. Die Ausdehnung oder Abmessung entlang der Längsrichtung wird als Länge bezeichnet; die Ausdehnung oder Abmessung entlang der Breitenrichtung als Breite.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um die Bestrahlungsbereiche so zu definieren, dass sie quer zu der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet sind. Dies bedeutet insbesondere, dass die Bestrahlungsbereiche die Schutzgas-Strömungsrichtung unter einem Winkel schneiden, der von 0° und von 180° verschieden ist. Bevorzugt ist der Winkel, unter dem die Bestrahlungsbereiche die Schutzgas-Strömungsrichtung schneiden, auch von 90° und von 270° verschieden. Die Bestrahlungsbereiche erstrecken sich somit insbesondere bevorzugt schräg zu der Schutzgas-Strömungsrichtung. Bevorzugt erstreckt sich auch die Verlagerungsrichtung der Bestrahlungsabschnitte innerhalb der Bestrahlungsbereiche quer, insbesondere schräg zu der Schutzgas-Strömungsrichtung, insbesondere unter Vermeidung der zuvor genannten Winkel.
Durch die entsprechende Ausrichtung der Bestrahlungsbereiche und/oder der Verlagerungsrichtungen innerhalb der Bestrahlungsbereiche wird bevorzugt insbesondere eine Beeinflussung später bestrahlter Orte durch an zuvor bestrahlten Orten entstandene Schadstoffe aufgrund der Schutzgas-Strömungsrichtung vermieden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um die Bestrahlung der Bestrahlungsbereiche mit zueinander parallelen und/oder antiparallelen Bestrahlungsvektoren vorzunehmen, die entlang der Verlagerungsrichtung des jeweiligen Bestrahlungsabschnitts nacheinander abgearbeitet werden. Die Bestrahlungsvektoren eines selben Bestrahlungsbereichs weisen insbesondere eine zueinander identische Orientierung auf, oder sie weisen eine einander entgegengesetzte, das heißt um 180° gedrehte Orientierung auf, sie sind also gleich oder insbesondere wechselweise umgekehrt zueinander ausgerichtet. Insbesondere ist es in bevorzugter Ausgestaltung möglich, dass einander unmittelbar benachbarte Bestrahlungsvektoren zueinander antiparallel orientiert sind. Die Bestrahlung eines Bestrahlungsbereichs erfolgt also insbesondere so, dass dieser in Form von parallel oder antiparallel nebeneinander angeordneten Bestrahlungsvektoren sukzessive und in direkter zeitlicher Abfolge der unmittelbar benachbarten Bestrahlungsvektoren mit dem zugeordneten Energiestrahl überstrichen wird. Der Bestrahlungsabschnitt ist dabei insbesondere der Bereich des gerade momentan erzeugten Bestrahlungsvektors. Die Verlagerungsrichtung des Bestrahlungsabschnitts ist somit insbesondere gegeben durch die Abfolge der Abarbeitung der zeitlich nacheinander erzeugten Bestrahlungsvektoren. Die Bestrahlungsvektoren sind bevorzugt senkrecht zu der Verlagerungsrichtung ausgerichtet; umgekehrt formuliert steht die Verlagerungsrichtung des Bestrahlungsabschnitts vorzugsweise senkrecht auf den einzelnen Bestrahlungsvektoren.
Unter einem Bestrahlungsvektor wird insbesondere eine kontinuierliche, lineare Verlagerung des Energiestrahls innerhalb eines Bestrahlungsbereichs über eine bestimmte Strecke mit bestimmter Verlagerungsrichtung, insbesondere in Breitenrichtung eines als Streifen ausgebildeten Bestrahlungsbereichs, verstanden. Der Bestrahlungsvektor schließt also die Richtung oder Orientierung der Verlagerung als seine Orientierung ein. Ein Bestrahlungsbereich wird insbesondere sequenziell mit einer Vielzahl von Bestrahlungsvektoren überstrichen.
Dass die Verlagerung kontinuierlich erfolgt, bedeutet insbesondere, dass sie ohne Absetzen oder Unterbrechen des Energiestrahls, insbesondere ohne Sprung erfolgt. Dass die Bestrahlung linear erfolgt, bedeutet insbesondere, dass sie entlang einer Geraden erfolgt.
Sind die Bestrahlungsbereiche als Streifen ausgebildet, erstrecken sich die Bestrahlungsvektoren bevorzugt in Breitenrichtung des jeweiligen Streifens, das heißt senkrecht zur Längserstreckung des Streifens. Bevorzugt erstreckt sich der Bestrahlungsvektor entlang der gesamten Breite des streifenförmigen Bestrahlungsbereichs. Die Breite des Bestrahlungsbereichs definiert also bevorzugt die Länge des Bestrahlungsvektors. Insbesondere wird ein streifenförmiger Bestrahlungsbereich bevorzugt sequenziell mit einer Vielzahl von in Breitenrichtung ausgerichteten, in Längsrichtung des Bestrahlungsbereichs zueinander versetzt oder nebeneinander angeordneten Bestrahlungsvektoren überstrichen.
Die Steuereinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um einen ersten Winkelbereich von 60° bis 120° und einen zweiten Winkelbereich von 240° bis 300° zu der Schutzgas-Strömungsrichtung für die Bestrahlungsvektoren zu sperren. Auf diese Weise kann vorteilhaft insbesondere gewährleistet werden, dass die Verlagerungsrichtung der Bestrahlungsabschnitte derart ausgerichtet ist, dass der Arbeitsbereich von mehreren Energiestrahlen in benachbarten Bestrahlungsbereichen zeitweise simultan, jedoch mit räumlichem und vorzugsweise zeitlichem Versatz bearbeitet werden kann, ohne dass die Energiestrahlen wechselweise durch die von Ihnen erzeugten Schadstoffe aufgrund der Schutzgasströmung beeinträchtigt werden. Der zeitliche Versatz bezieht sich dabei hier, zuvor und im Folgenden auf einen Beginn der Bestrahlung mit den verschiedenen Energiestrahlen und steht damit nicht in Widerspruch zu einer zeitweise simultanen Bestrahlung.
Die Steuereinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um einen Winkel zwischen der Schutzgas-Strömungsrichtung und den Bestrahlungsvektoren eines Bestrahlungsbereichs zwischen einschließlich 22,5° und einschließlich 60°, oder zwischen einschließlich 120° und einschließlich 240°, oder zwischen einschließlich 300° und einschließlich 337,5°, zu wählen. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um einen Winkel zwischen der Schutzgas-Strömungsrichtung und den Bestrahlungsvektoren eines Bestrahlungsbereichs zwischen einschließlich 20° und einschließlich 60°, oder zwischen einschließlich 120° und einschließlich 240°, oder zwischen einschließlich 300° und einschließlich 340° zu wählen.
Bevorzugt ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um die Orientierung der Bestrahlungsvektoren so zu wählen, dass diese der Schutzgas-Strömungsrichtung zumindest komponentenweise entgegengerichtet ist. Dadurch kann vorteilhaft gewährleistet werden, dass die Bestrahlung lokal so erfolgt, dass zeitlich später bestrahlte Orte nicht aufgrund der Schutzgasströmung durch Schadstoffe beeinträchtigt werden, die von zeitlich zuvor bestrahlten Orten stammen. Der Begriff „komponentenweise“ bedeutet, dass die Verlagerungsrichtung bei vektorieller Zerlegung jedenfalls eine vektorielle Komponente aufweist, die entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um Winkelbereiche von 70° bis 110° und von 250° bis 290°, vorzugsweise von 80° bis 100° und von 260° bis 280°, vorzugsweise von 85° bis 95° und von 265° bis 275°, vorzugsweise von 88° bis 92° und von 268° bis 272°, zu sperren.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um für die Verlagerungsrichtung der Bestrahlungsabschnitte innerhalb des jeweils zugeordneten Bestrahlungsbereichs von der jeweiligen Startposition zu der jeweiligen Endposition einen Winkelbereich von 150° bis 210° zu der Schutzgas-Strömungsrichtung zu sperren. Dies ermöglicht es in besonders günstiger Weise, dass der erste Energiestrahl und der zweite Energiestrahl mit räumlichem und vorzugsweise zeitlichem Versatz, allerdings zeitweise simultan, benachbarte Bestrahlungsbereiche bearbeiten können, ohne dabei einer wechselseitigen Schadstoffbelastung aufgrund der Schutzgasströmung ausgesetzt zu sein.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um einen Winkelbereich von 160° bis 200°, vorzugsweise von 170° bis 190°, vorzugsweise von 175° bis 185°, vorzugsweise von 178° bis 172°, zu sperren.
Vorzugsweise wird zusätzlich für die Verlagerungsrichtung ein Winkelbereich von +22,5° bis - 22,5°, das heißt anders ausgedrückt von 337,5° bis 22,5°, vorzugsweise von 340° bis 20°, zu der Schutzgas-Strömungsrichtung gesperrt. Insbesondere auf diese Weise kann eine Beeinträchtigung später bestrahlter Orte durch Schadstoffe von zuvor bestrahlten Orten auch innerhalb der einzelnen Bestrahlungsbereiche vermieden werden.
Bevorzugt ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um einen Winkel zwischen der Schutzgas-Strömungsrichtung und der Verlagerungsrichtung zwischen einschließlich 22,5° und einschließlich 150°, oder zwischen einschließlich 210° und einschließlich 337,5°, zu wählen. Auf diese Weise können vorteilhaft insbesondere beide Kriterien berücksichtigt werden: Zum einen eine hinreichende Vermeidung einer Beeinträchtigung später bestrahlter Orte durch Schadstoffe von zuvor bestrahlten Orten auch innerhalb der einzelnen Bestrahlungsbereiche, zum anderen die Ausrichtung der Verlagerungsrichtung der Bestrahlungsabschnitte derart, dass eine untereinander ungestörte, räumlich und vorzugsweise zeitlich versetzte, jedoch zeitweise simultane Bestrahlung des Arbeitsbereichs mit den verschiedenen Energiestrahlen erfolgen kann. Bevorzugt ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um einen Winkel zwischen der Schutzgas-Strömungsrichtung und der Verlagerungsrichtung zwischen einschließlich 20° und einschließlich 150°, oder zwischen einschließlich 210° und einschließlich 340°, zu wählen.
Eine effiziente Bestrahlung des Arbeitsbereichs mit einer Mehrzahl von Energiestrahlen wird also bevorzugt insbesondere durch Definition bestimmter Winkelsperrbereich oder Winkelverbotszonen für die Verlagerungsrichtung der Bestrahlungsabschnitte gewährleistet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um die Verlagerungsrichtung so vorzugeben, dass die Verlagerungsrichtung zumindest komponentenweise der Schutzgas-Strömungsrichtung entgegengerichtet ist. Insbesondere auf diese Weise kann vorteilhaft vermieden werden, dass zu einem späteren Zeitpunkt bestrahlte Orte innerhalb eines Bestrahlungsbereichs durch Schadstoffe beeinträchtigt werden, die von zuvor bestrahlten Orten desselben Bestrahlungsbereichs stammen. Zumindest aber kann eine solche Beeinträchtigung reduziert werden. Auch hier bedeutet der Begriff „komponentenweise“, dass die Verlagerungsrichtung bei vektorieller Zerlegung jedenfalls eine vektorielle Komponente aufweist, die entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet ist.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um die Bestrahlung des Arbeitsbereichs mit der Mehrzahl von Energiestrahlen für eine Mehrzahl von insbesondere sequenziell nacheinander zu bestrahlenden Pulvermaterialschichten durchzuführen, und eine Ausrichtung der Bestrahlungsbereiche, insbesondere die Verlagerungsrichtung der Bestrahlungsabschnitte, für mindestens eine, vorzugsweise für jede einer vorangegangenen Pulvermaterialschicht nachfolgende Pulvermaterialschicht der Pulvermaterialschichten anders zu wählen als für die vorangegangene Pulvermaterialschicht. Unter einer Ausrichtung wird hierbei ein Winkel verstanden, den eine bestimmte Richtung, insbesondere Längsrichtung, eines Bestrahlungsbereichs mit einer vorbestimmten Achse auf dem Arbeitsbereich einschließt. Sind die Bestrahlungsbereiche als Streifen ausgebildet, ist die Ausrichtung insbesondere ein Winkel, den die Längsrichtung der bevorzugt zueinander parallelen Bestrahlungsbereiche mit einer vorbestimmten Achse auf dem Arbeitsbereich einschließt. Durch die Änderung der Ausrichtung der Bestrahlungsbereiche von der vorangegangenen Pulvermaterialschicht zu der nachfolgenden Pulvermaterialschicht, insbesondere von Pulvermaterialschicht zu Pulvermaterialschicht, wird eine gleich ausgerichtete Bestrahlung - insbesondere unmittelbar - benachbarter Pulvermaterialschichten vermieden, was wiederum die Bauteilqualität erhöht. Insbesondere schließen die streifenförmigen Bestrahlungsbereiche zweier aufeinanderfolgender Anordnungen bevorzugt einen endlichen, insbesondere von 0° und von 180° verschiedenen, Winkel miteinander ein.
Insbesondere bei dieser Vorgehensweise werden bevorzugt die zuvor beschriebenen Winkelsperrbereiche berücksichtigt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Ausrichtung der Bestrahlungsbereiche von Pulvermaterialschicht zu Pulvermaterialschicht um einen vorbestimmten Winkel gedreht. Vorzugsweise wird dabei allerdings geprüft, ob der momentane Winkel in einen der zuvor beschriebenen Winkelsperrbereiche fällt; ist dies der Fall, wird der Winkel verworfen und ein anderer Winkel gewählt, beispielsweise indem noch einmal eine Drehung um den vorbestimmten Winkel vorgenommen wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um mehr als zwei Bestrahlungsbereiche für mehr als zwei Energiestrahlen zu definieren. Dies ermöglicht eine besonders schnelle und effiziente Fertigung eines Bauteils. Insbesondere ist die Strahlerzeugungseinrichtung bevorzugt eingerichtet, um mehr als zwei Energiestrahlen, insbesondere drei Energiestrahlen, insbesondere vier Energiestrahlen, oder mehr als vier Energiestrahlen, zu erzeugen, wobei die Scannereinrichtung bevorzugt eingerichtet ist, um den Arbeitsbereich lokal selektiv mit mehr als zwei Energiestrahlen, insbesondere mit drei Energiestrahlen, insbesondere mit vier Energiestrahlen, oder mit mehr als vier Energiestrahlen, vorzugsweise mit allen zur Verfügung stehenden Energiestrahlen der Strahlerzeugungseinrichtung, zumindest zeitweise simultan, aber räumlich versetzt zu bestrahlen.
Dabei wird jedem Energiestrahl ein separater Bestrahlungsbereich zugeordnet, wobei insbesondere einander unmittelbar benachbarte Bestrahlungsbereiche bevorzugt stets verschiedenen Energiestrahlen zugeordnet sind. Dem zweiten Bestrahlungsbereich, der dem zweiten Energiestrahl zugeordnet ist, ist insoweit bevorzugt auf einer dem ersten Bestrahlungsbereich abgewandten Seite ein dritter Bestrahlungsbereich unmittelbar benachbart, der einem dritten Energiestrahl zugeordnet ist. Diesem kann gegebenenfalls wiederum auf einer dem zweiten Bestrahlungsbereich abgewandten Seite ein vierter Bestrahlungsbereich zugeordnet sein, der dann einem vierten Energiestrahl, oder aber wieder dem ersten Energiestrahl zugeordnet ist. Es ist offensichtlich, dass dies für eine beliebige Anzahl von Energiestrahlen so fortgeführt werden kann. Dabei wird jeweils eine Bestrahlung eines nachfolgenden Bestrahlungsbereichs mit dem nachfolgenden Energiestrahl - vorzugsweise zeitlich nach einem Beginn der Bestrahlung des vorangehenden Bestrahlungsbereichs mit dem vorangehenden Energiestrahl - begonnen, wenn der vorangehende Bestrahlungsabschnitt und die nachfolgende Startposition für den nachfolgenden Bestrahlungsabschnitt relativ zueinander nicht innerhalb der durch die Schutzgas-Strömungsrichtung bestimmten Wechselwirkungszone angeordnet sind. Entsprechend werden dann bevorzugt auch die zuvor erläuterten Kriterien, insbesondere die Sperrbereiche und/oder die Startbedingungen analog angewendet, wie dies zuvor in Zusammenhang mit dem ersten Bestrahlungsbereich und dem zweiten Bestrahlungsbereich beschrieben wurde. Insoweit ist das zuvor in Zusammenhang mit dem ersten Bestrahlungsbereich und dem zweiten Bestrahlungsbereich beschriebene Vorgehen als ein Prinzip zu verstehen, dass auf eine beliebige Anzahl verschiedener Energiestrahlen und verschiedene Bestrahlungsbereiche angewendet und insbesondere iteriert werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um zumindest einen Sperrbereich, ausgewählt aus den Sperrbereichen, so zu bestimmen, dass der zumindest eine Sperrbereich in Schutzgas-Strömungsrichtung eine vorbestimmte - insbesondere endliche - Erstreckung aufweist. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass ein Materialtransport, insbesondere Schadstofftransport, durch die Schutzgasströmung gegebenenfalls - zumindest in relevantem Umfang - nur über eine gewisse Distanz erfolgt, sodass sich der Sperrbereich in Richtung der Schutzgasströmung nicht notwendig bis zu einer Arbeitsbereichsgrenze des Arbeitsbereichs erstrecken muss. Dies erlaubt gegebenenfalls den simultanen Einsatz eines Energiestrahls an einem Ort stromabwärts des einem Sperrbereich zugeordneten Bestrahlungsabschnitts, sofern dieser Ort jenseits einer Sperrbereichsgrenze, das heißt in Schutzgas-Strömungsrichtung gesehen außerhalb des Sperrbereichs, angeordnet ist. Die Flexibilität der Fertigungseinrichtung kann dadurch erhöht sein.
Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um den zumindest einen Sperrbereich so zu bestimmen, dass dieser sich in Schutzgas-Strömungsrichtung bis zu der Arbeitsbereichsgrenze erstreckt. Dies kann insbesondere sinnvoll sein bei kleinen Arbeitsbereichen, oder es führt zu einer Vereinfachung der Bestimmung der Sperrbereichs, wobei keine möglicherweise variablen Parameter wie eine Transportweite von Schadstoffen mit der Schutzgasströmung bei der Bestimmung der Sperrbereiche berücksichtigt werden müssen. Die Fertigungseinrichtung kann somit einfacher ausgestaltet sein.
Der Sperrbereich weist bevorzugt eine vorbestimmte - insbesondere endliche - Erstreckung entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung und/oder senkrecht zu der Schutzgas-Strömungsrichtung auf, wobei die Erstreckung insbesondere abhängig von wenigstens einem Material- und/oder Bearbeitungsparameter gewählt ist. Er erstreckt sich insbesondere innerhalb des Arbeitsbereichs um den ihm zugeordneten Bestrahlungsabschnitt herum und - in Schutzgas-Strömungsrichtung - stromabwärts des Bestrahlungsabschnitts. Insbesondere im Bereich einer lokalen Umgebung um den zugeordneten Bestrahlungsabschnitt können Rauch, Schmauch und/oder Spritzer sowie gegebenenfalls andere Schadstoffe auch seitlich zur Schutzgas-Strömungsrichtung oder entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung transportiert werden.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial mittels einer erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung oder einer Fertigungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche geschaffen wird. Dabei wird ein Arbeitsbereich lokal selektiv mit einer Mehrzahl von Energiestrahlen bestrahlt, um mittels der Energiestrahlen das Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial herzustellen, wobei über dem Arbeitsbereich eine Schutzgasströmung mit einer bestimmten Schutzgas-Strömungsrichtung erzeugt wird. Für einen ersten Energiestrahl der Mehrzahl von Energiestrahlen wird ein erster Bestrahlungsbereich auf dem Arbeitsbereich definiert, entlang dem ein erster Bestrahlungsabschnitt für den ersten Energiestrahl von einer ersten Startposition zu einer ersten Endposition innerhalb des ersten Bestrahlungsbereichs verlagert wird. Für einen zweiten Energiestrahl der Mehrzahl von Energiestrahlen wird ein zweiter Bestrahlungsbereich auf dem Arbeitsbereich definiert, entlang dem ein zweiter Bestrahlungsabschnitt für den zweiten Energiestrahl von einer zweiten Startposition zu einer zweiten Endposition innerhalb des zweiten Bestrahlungsbereichs verlagert wird. Eine Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs mit dem zweiten Energiestrahl wird - vorzugsweise zeitlich nach der Bestrahlung des ersten Bestrahlungsbereichs mit dem ersten Energiestrahl - begonnen, wenn der erste Bestrahlungsabschnitt und die zweite Startposition für den zweiten Bestrahlungsabschnitt relativ zueinander nicht innerhalb einer durch die Schutzgas-Strömungsrichtung bestimmten Wechselwirkungszone angeordnet sind. In Zusammenhang mit dem Verfahren verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Fertigungseinrichtung erläutert wurden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ausgehend von dem ersten Bestrahlungsabschnitt ein erster Sperrbereich bestimmt wird, der mit dem ersten Bestrahlungsabschnitt entlang des ersten Bestrahlungsbereichs verlagert wird. Alternativ oder zusätzlich wird ausgehend von dem zweiten Bestrahlungsabschnitt ein zweiter Sperrbereich bestimmt, der mit dem zweiten Bestrahlungsabschnitt entlang des zweiten Bestrahlungsbereichs verlagert wird.
Gemäß Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs mit dem zweiten Energiestrahl erst begonnen wird, wenn zumindest eine Startbedingung erfüllt ist, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Die zweite Startposition liegt nicht innerhalb des ersten Sperrbereich; der erste Bestrahlungsabschnitt liegt nicht innerhalb des zweiten Sperrbereichs an der zweiten Startposition, und der erste Sperrbereich und der zweite Sperrbereich überlappen nicht miteinander.
Wenigstens eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens umfasst wenigstens einen Verfahrensschritt, der bereits zuvor in Zusammenhang mit der Fertigungseinrichtung als erfindungsgemäße oder bevorzugte Ausgestaltung beschrieben wurde.
Insbesondere werden bevorzugt der erste Bestrahlungsbereich und der zweite Bestrahlungsbereich einander auf dem Arbeitsbereich unmittelbar benachbart definiert, insbesondere derart, dass der erste Bestrahlungsbereich und der zweite Bestrahlungsbereich aneinandergrenzen.
Vorzugsweise werden die Bestrahlungsbereiche als Streifen erzeugt, insbesondere derart, dass eine in Längsrichtung eines Streifens der Streifen gemessene Streifenlänge des Streifens größer ist als eine in Längsrichtung gemessene Ausdehnung des dem Streifen zugeordneten Sperrbereichs.
Vorzugsweise werden die Bestrahlungsbereiche mit zueinander parallelen oder antiparallelen Bestrahlungsvektoren bestrahlt, die entlang der Verlagerungsrichtung nacheinander abgearbeitet werden. Dabei werden bevorzugt ein erster Winkelbereich von 60° bis 120° und ein zweiter Winkelbereich von 240° bis 300° zu der Schutzgas-Strömungsrichtung für die Bestrahlungsvektoren gesperrt.
Vorzugsweise werden die Bestrahlungsvektoren zumindest komponentenweise entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet.
Vorzugsweise wird für die Verlagerungsrichtung ein Winkelbereich von 150° bis 210° zu der Schutzgas-Strömungsrichtung gesperrt.
Vorzugsweise wird die Verlagerungsrichtung des Bestrahlungsabschnitts innerhalb des jeweils zugeordneten Bestrahlungsbereichs von der jeweiligen Startposition zu der jeweiligen Endposition so vorgegeben, dass die Verlagerungsrichtung zumindest komponentenweise der Schutzgas-Strömungsrichtung entgegengerichtet ist.
Vorzugsweise werden mehr als zwei Bestrahlungsbereiche für mehr als zwei Energiestrahlen definiert.
Vorzugsweise wird zumindest ein Sperrbereich so bestimmt, dass der zumindest eine Sperrbereich in Schutzgas Strömungsrichtung eine vorbestimmte - insbesondere endliche - Erstreckung aufweist oder sich bis zu einer Arbeitsbereichsgrenze des Arbeitsbereichs erstreckt. Vorzugsweise wird der Sperrbereich so bestimmt, dass er eine vorbestimmte - insbesondere endliche - Erstreckung entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung und/oder senkrecht zu der Schutzgas-Strömungsrichtung aufweist.
Als Strahlerzeugungseinrichtung wird vorzugsweise ein Laser verwendet.
Vorzugsweise wird das Bauteil mittels selektiven Lasersinterns und/oder selektiven Laserschmelzens gefertigt.
Als Pulvermaterial kann in bevorzugter Weise insbesondere ein metallisches oder keramisches Pulver verwendet werden.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Computerprogrammprodukt geschaffen wird, welches maschinenlesbare Anweisungen aufweist, aufgrund derer ein erfindungsgemäßes Verfahren oder ein Verfahren nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf einer Recheneinrichtung, insbesondere einer Steuereinrichtung, durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Recheneinrichtung läuft. In Zusammenhang mit dem Computerprogrammprodukt ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Planungseinrichtung erläutert wurden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel einer Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial,
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zum additiven Fertigen eines Bauteils, und
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Verfahrens zum additiven Fertigen eines Bauteils.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungseinrichtung 1 zum additiven Fertigen eines Bauteils 3 aus einem Pulvermaterial. Die Fertigungseinrichtung 1 weist eine Strahlerzeugungseinrichtung 5 auf, die eingerichtet ist zum Erzeugen einer Mehrzahl von Energiestrahlen 7. Die Strahlerzeugungseinrichtung 5 kann dabei beispielsweise eine Mehrzahl von Lasern aufweisen, oder aber einen Laser, der mit einer Strahlteileinrichtung, beispielweise einem Beamsplitter, zusammenwirkt, um die Mehrzahl von Energiestrahlen 7 zu erzeugen. Die Energiestrahlen 7 sind in bevorzugter Ausgestaltung als Laserstrahlen ausgebildet.
Die Fertigungseinrichtung 1 weist außerdem eine Scannereinrichtung 9 auf, die eingerichtet ist, um einen Arbeitsbereich 11 lokal selektiv mit den Energiestrahlen 7 zumindest zeitweise zu bestrahlen, um mittels der Energiestrahlen 7 das Bauteil 3 aus dem in dem Arbeitsbereich 11 angeordneten Pulvermaterial herzustellen. Die Scannereinrichtung 9 kann insbesondere für jeden Energiestrahl 7 einen separat ansteuerbaren Scanner 13, beispielsweise einen Galvoscanner, aufweisen.
Die Fertigungseinrichtung 1 weist außerdem eine Schutzgaseinrichtung 15 auf, die eingerichtet ist, um eine Schutzgasströmung mit definierter Schutzgas-Strömungsrichtung - die hier durch erste Pfeile P1 dargestellt ist, wobei der besseren Übersichtlichkeit wegen nur einer der ersten Pfeile mit dem entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet ist - über dem Arbeitsbereich 11 zu erzeugen.
Außerdem weist die Fertigungseinrichtung 1 eine Steuereinrichtung 17 auf, die mit der Scannereinrichtung 9, hier insbesondere mit den einzelnen Scannern 13, wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannereinrichtung 9, insbesondere die einzelnen Scanner 13 separat, anzusteuern.
Die Steuereinrichtung 17 ist weiter eingerichtet, um für einen ersten Energiestrahl 7.1 der Mehrzahl von Energiestrahlen 7 einen ersten Bestrahlungsbereich 19.1 einer Mehrzahl von Bestrahlungsbereichen 19 auf dem Arbeitsbereich 11 zu definieren, wobei ein erster Bestrahlungsabschnitt 21.1 einer Mehrzahl von Bestrahlungsabschnitten 21 von einer ersten Startposition zu einer ersten Endposition innerhalb des ersten Bestrahlungsbereichs 19.1 entlang des ersten Bestrahlungsbereichs 19.1 verlagert wird. Für einen zweiten Energiestrahl 7.2 der Mehrzahl von Energiestrahlen 7 wird ein zweiter Bestrahlungsbereich 19.2 stromaufwärts - mit Bezug auf die Schutzgas-Strömungsrichtung - des ersten Bestrahlungsbereichs 19.1 auf dem Arbeitsbereich 11 definiert, wobei entlang des zweiten Bestrahlungsbereichs 19.2 ein zweiter Bestrahlungsabschnitt 21.2 für den zweiten Energiestrahl 7.2 von einer zweiten Startposition zu einer zweiten Endposition innerhalb des zweiten Bestrahlungsbereichs 19.2 verlagert wird.
Weiterhin wird durch die Steuereinrichtung 17 eine Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs 19.2 mit dem zweiten Energiestrahl 7.2 - vorzugsweise zeitlich nach einem Beginn der Bestrahlung des ersten Bestrahlungsbereichs 19.1 mit dem ersten Energiestrahl 7.1 - nur begonnen, wenn der erste Bestrahlungsabschnitt 21.1 und die zweite Startposition für den zweiten Bestrahlungsabschnitt 21.2 relativ zueinander nicht mehr innerhalb einer durch die Schutzgas-Strömungsrichtung bestimmten Wechselwirkungszone angeordnet sind. Auf diese Weise kann vorteilhaft verhindert werden, dass die Bestrahlungsbereiche 19 wechselseitig durch Schadstoffe negativ beeinflusst werden, die in dem jeweils anderen Bestrahlungsbereich 19 bei der Bestrahlung mit den Energiestrahlen 7 entstehen und durch die Schutzgasströmung über den Arbeitsbereich 11 - insbesondere in Schutzgas-Strömungsrichtung - gefördert werden. Zudem ermöglicht diese Vorgehensweise, dass die Energiestrahlen 7 vergleichsweise nah beieinander zeitweise simultan den Arbeitsbereich 11 bestrahlen können, sodass eine hohe Effizienz und zugleich eine gute Qualität, insbesondere ein möglichst nahtloser Aufbau des Bauteils 3 verwirklicht werden können. Insbesondere kann eine Vorwärmung des entstehenden Bauteils 3 durch den ersten Energiestrahl 7.1 vorteilhaft bei der Bestrahlung mittels des zweiten Energiestrahl 7.2 genutzt werden.
Insbesondere wird durch die Steuereinrichtung 17 bevorzugt ausgehend von dem ersten Bestrahlungsabschnitt 21.1 ein erster Sperrbereich 23.1 einer Mehrzahl von Sperrbereichen 23 bestimmt, der mit dem ersten Bestrahlungsabschnitt 21.1 entlang des ersten Bestrahlungsbereichs 19.1 verlagert wird. Alternativ oder zusätzlich wird ausgehend von dem zweiten Bestrahlungsabschnitt 21.2 ein zweiter Sperrbereich 23.2 bestimmt, der mit dem zweiten Bestrahlungsabschnitt 21.2 entlang des zweiten Bestrahlungsbereichs 19.2 verlagert wird.
Bevorzugt wird die Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs 19.2 mit dem zweiten Energiestrahl 7.2 erst begonnen, wenn zumindest eine Startbedingung erfüllt ist, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Die zweite Startposition liegt nicht in dem ersten Sperrbereich 23.1; der erste Bestrahlungsabschnitt 21.1 liegt nicht innerhalb des zweiten Sperrbereichs 23.2; und der erste Sperrbereich 23.1 und der zweite Sperrbereich 23.2 überlappen nicht miteinander. Bevorzugt wird die Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs 19.2 erst begonnen, wenn mindestens zwei der genannten Bedingungen erfüllt sind. Bevorzugt wird die Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs 19.2 erst begonnen, wenn alle drei Bedingungen erfüllt sind.
Der erste Bestrahlungsbereich 19.1 und der zweite Bestrahlungsbereich 19.2 werden bevorzugt auf dem Arbeitsbereich 11 einander unmittelbar benachbart definiert, insbesondere derart, dass der erste Bestrahlungsbereich 19.1 und der zweite Bestrahlungsbereich 19.2 aneinandergrenzen.
Bevorzugt werden die Bestrahlungsbereiche 19 als Streifen erzeugt, insbesondere derart, dass eine in Längsrichtung eines Streifens gemessene Streifenlänge dieses Streifens größer ist als eine in derselben Längsrichtung gemessene Ausdehnung des dem Streifen zugeordneten Sperrbereichs 23.
Die Bestrahlungsbereiche 19 sind bevorzugt quer zu der Schutzgas-Strömungsrichtung, insbesondere schräg zu der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet.
Die Sperrbereiche 23 werden bevorzugt so bestimmt, dass sie sich in Schutzgas-Strömungsrichtung bis zu einer Arbeitsbereichsgrenze 25 des Arbeitsbereichs 11 erstrecken, oder in Schutzgas-Strömungsrichtung eine vorbestimmte Erstreckung aufweisen. Vorzugsweise werden die Sperrbereiche 23 so bestimmt, dass sie eine vorbestimmte Erstreckung entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung und/oder senkrecht zu der Schutzgas-Strömungsrichtung aufweisen.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zum additiven Fertigen eines Bauteils 3 aus einem Pulvermaterial, wobei im Rahmen des Verfahrens bevorzugt die Fertigungseinrichtung 1 gemäß 1 zur Anwendung kommt.
Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Im Rahmen des Verfahrens werden insbesondere die zuvor bereits in Zusammenhang mit der Fertigungseinrichtung 1 zumindest implizit oder explizit beschriebenen Verfahrensschritte durchgeführt. Dargestellt ist hier insbesondere, dass in bevorzugter Ausgestaltung mehr als zwei Bestrahlungsbereiche 19 für mehr als zwei Energiestrahlen 7 definiert werden. Insoweit sind hier rein schematisch drei Energiestrahlen 7, nämlich ein erster Energiestrahl 7.1, ein zweiter Energiestrahl 7.2 und ein dritter Energiestrahl 7.3 dargestellt, außerdem ein erster Bestrahlungsbereich 19.1, ein zweiter Bestrahlungsbereich 19.2 und ein dritter Bestrahlungsbereich 19.3. Für die Bestrahlung des ersten Bestrahlungsbereichs 19.1 und des zweiten Bestrahlungsbereichs 19.2 gilt nichts anderes, als was zuvor in Zusammenhang mit 1 erläutert wurde; für den Beginn der Bestrahlung des dritten Bestrahlungsbereichs 19.3 wird so vorgegangen, als wäre für diesen der zweite Bestrahlungsbereich 19.2 der zugeordnete erste Bestrahlungsbereich, und als wäre der dritte Bestrahlungsbereich 19.3 ein entsprechend zugeordneter zweiter Bestrahlungsbereich. Das Verfahren wird also in einfacher Weise für weitere, hinzukommende Bestrahlungsbereiche 19 sowie Energiestrahlen 7 iteriert. Dargestellt sind auch die den Bestrahlungsbereichen 19 jeweils zugeordneten Sperrbereiche 23.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens.
Bei a) ist eine Situation dargestellt, in der die Ausrichtung eines streifenförmigen Bestrahlungsbereichs 19 und damit zugleich eine Verlagerungsrichtung des Bestrahlungsabschnitts 21 in dem Bestrahlungsbereich 19 einen sehr spitzen Winkel mit der Schutzgas-Strömungsrichtung - hier wiederum dargestellt durch den ersten Pfeil P1 - einnimmt. Die Verlagerungsrichtung ist dabei bevorzugt parallel zu der Längsrichtung des streifenförmigen Bestrahlungsbereichs 19 ausgerichtet und verläuft bevorzugt zumindest komponentenweise entgegen der Schutzgas-Strömungsrichtung, hier konkret insbesondere von rechts oben nach links unten. Dargestellt ist auch der Sperrbereich 23, der sich ausgehend von dem Bestrahlungsabschnitt 21 in dieser Situation ergibt. Dabei wird deutlich, dass der Sperrbereich 23 bei einer solchen Orientierung des Bestrahlungsbereichs 19 in jeder Position des Bestrahlungsabschnitts 21 mit benachbarten Bestrahlungsbereichen 19 überlappt. Eine Bearbeitung eines unmittelbar benachbarten Bestrahlungsbereichs 19 durch einen weiteren Energiestrahl 7 kann somit zu keinem Zeitpunkt freigegeben werden. Dies mindert erheblich die Flexibilität des Einsatzes der Energiestrahlen 7 und damit zugleich die Effizienz der Fertigung des Bauteils 3.
Um dies zu vermeiden, werden vorzugsweise für die Ausrichtung der Bestrahlungsbereiche 19 beziehungsweise - was bevorzugt, jedenfalls für streifenförmige Bestrahlungsbereiche 19, gleichbedeutend ist - für die Verlagerungsrichtung Winkelsperrbereiche definiert, das heißt Bereiche verbotener Winkel, welche die Ausrichtung der Bestrahlungsbereiche 19 beziehungsweise die Verlagerungsrichtung mit der Schutzgas-Strömungsrichtung nicht einnehmen darf. Selbstverständlich können völlig analog auch positiv Winkelbereiche definiert werden, die allein durch die Ausrichtung der Bestrahlungsbereiche 19 beziehungsweise die Verlagerungsrichtung zu der Schutzgas-Strömungsrichtung eingenommen werden dürfen.
Bei b) ist eine Situation dargestellt, in der die Belagerungsbereiche 19 relativ zu der Schutzgas-Strömungsrichtung - wiederum dargestellt durch den ersten Pfeil P1 - so ausgerichtet sind, dass eine zumindest zeitweise simultane Bearbeitung der unmittelbar benachbarten Bestrahlungsbereiche 19 durch verschiedene Energiestrahlen 7 möglich ist.
Bei c) sind entsprechende Möglichkeiten dargestellt, solche Winkelbereiche zu definieren.
Bevorzugt werden die Bestrahlungsbereiche 19 mit zueinander parallelen oder antiparallelen Bestrahlungsvektoren 27 überstrichen, die entlang der hier durch einen zweiten Pfeil P2 dargestellten Verlagerungsrichtung nacheinander abgearbeitet werden. Die Bestrahlungsvektoren 27 eines selben Bestrahlungsbereich 19 weisen eine zueinander identische oder wechselweise um 180° gedrehte Orientierung auf. Die Bestrahlungsvektoren 27 und der die Verlagerungsrichtung anzeigende zweite Pfeil P2 sind zur besseren Verdeutlichung schematisch auch bei b) dargestellt und in den dortigen dritten Bestrahlungsbereichs 19.3 eingezeichnet. Dabei wird deutlich, dass die Verlagerungsrichtung bevorzugt senkrecht zu den Bestrahlungsvektoren 27 ausgerichtet ist, wobei die Bestrahlungsvektoren 27 sich bevorzugt in Breitenrichtung der streifenförmigen Bestrahlungsbereiche 19 erstrecken, vorzugsweise über eine gesamte Breite. Die Breite der Bestrahlungsbereiche 19 definiert somit die Länge der Bestrahlungsvektoren 27.
Bei c) sind wiederum verschiedene Winkelsperrbereiche dargestellt, nämlich zwei erste, kreuzschraffierte Winkelsperrbereiche 29 für die Bestrahlungsvektoren 27, das heißt Winkelbereiche, welche die Bestrahlungsvektoren 27 relativ zu der auch hier wiederum durch den ersten Pfeil P1 dargestellten Schutzgas-Strömungsrichtung nicht einnehmen dürfen.
Dabei werden insbesondere ein erster Winkelbereich von 60° bis 120° und ein zweiter Winkelbereich von 240° bis 300° zu der Schutzgas-Strömungsrichtung als erste Winkelsperrbereiche 29 für die Bestrahlungsvektoren 27 gesperrt.
Bevorzugt wird außerdem ein dritter Winkelbereich von 337,5° bis 22,5°, vorzugsweise von 340° bis 20°, für die Bestrahlungsvektoren 27 gesperrt, damit diese nicht zu sehr in Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet sind.
Bevorzugt sind die Bestrahlungsvektoren 27 zumindest komponentenweise der Schutzgas-Strömungsrichtung entgegengerichtet.
Einfach schraffiert ist ein zweiter Winkelsperrbereich 31 dargestellt, der für die Verlagerungsrichtung - dargestellt durch den zweiten Pfeil P2 - definiert ist. Insbesondere wird dieser zweite Winkelsperrbereich 31 von 150° bis 210° zu der Schutzgas-Strömungsrichtung für die Verlagerungsrichtung der Bestrahlungsabschnitte 21 innerhalb des jeweils zugeordneten Bestrahlungsbereichs 19 von der jeweiligen Startposition zu der jeweiligen Endposition gesperrt.
Vorzugsweise wird zusätzlich auch für die Verlagerungsrichtung der dritte Winkelbereich von 337,5° bis 22,5°, vorzugsweise von 340° bis 20°, gesperrt, welcher als dritter Winkelsperrbereich 33 einfach schraffiert dargestellt ist. Dies verhindert effektiv, dass die Verlagerungsrichtung zu stark in Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet wird, wobei an zuvor bestrahlten Orten entstehende Schadstoffe aufgrund der Schutzgasströmung in später bestrahlte Orte hineingetragen würden.
Bevorzugt wird die Verlagerungsrichtung so vorgegeben, dass sie zumindest komponentenweise der Schutzgas-Strömungsrichtung entgegengerichtet ist.
Der dritte Winkelsperrbereich 33 wird insbesondere bevorzugt sowohl für die Verlagerungsrichtungen als auch für die Bestrahlungsvektoren 27 gesperrt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018/118333 A1 [0003]

Claims

Fertigungseinrichtung (1) zum additiven Fertigen von Bauteilen (3) aus einem Pulvermaterial, mit - einer Strahlerzeugungseinrichtung (5), die eingerichtet ist zum Erzeugen einer Mehrzahl von Energiestrahlen (7), - einer Scannereinrichtung (9), die eingerichtet ist, um einen Arbeitsbereich (11) lokal selektiv mit den Energiestrahlen (7) zumindest zeitweise zu bestrahlen, um mittels der Energiestrahlen (7) ein Bauteil (3) aus dem in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterial herzustellen, - einer Schutzgaseinrichtung (15), die eingerichtet ist, um eine Schutzgasströmung mit definierter Schutzgas-Strömungsrichtung (P1) über dem Arbeitsbereich (11) zu erzeugen, und mit - einer Steuereinrichtung (17), die mit der Scannereinrichtung (9) wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Scannereinrichtung (9) anzusteuern, wobei - die Steuereinrichtung (17) weiter eingerichtet ist, um: - Für einen ersten Energiestrahl (7.1) der Mehrzahl von Energiestrahlen (7) einen ersten Bestrahlungsbereich (19.1) auf dem Arbeitsbereich (11) zu definieren, entlang dem ein erster Bestrahlungsabschnitt (21.1) für den ersten Energiestrahl (7.1) von einer ersten Startposition zu einer ersten Endposition innerhalb des ersten Bestrahlungsbereichs (19.1) verlagert wird; - für einen zweiten Energiestrahl (7.2) der Mehrzahl von Energiestrahlen (7) einen zweiten Bestrahlungsbereich (19.2) stromaufwärts des ersten Bestrahlungsbereichs (19.1) auf dem Arbeitsbereich (11) zu definieren, entlang dem ein zweiter Bestrahlungsabschnitt (21.2) für den zweiten Energiestrahl (7.2) von einer zweiten Startposition zu einer zweiten Endposition innerhalb des zweiten Bestrahlungsbereichs (19.2) verlagert wird, und um - eine Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs (19.2) mit dem zweiten Energiestrahl (7.2) zu beginnen, wenn der erste Bestrahlungsabschnitt (21.1) und die zweite Startposition für den zweiten Bestrahlungsabschnitt (21.2) relativ zueinander nicht innerhalb einer durch die Schutzgas-Strömungsrichtung bestimmten Wechselwirkungszone angeordnet sind.
Fertigungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (17) eingerichtet ist, um - ausgehend von dem ersten Bestrahlungsabschnitt (21.1) einen ersten Sperrbereich (23.1) zu bestimmen, der mit dem ersten Bestrahlungsabschnitt (21.1) entlang des ersten Bestrahlungsbereichs (19.1) verlagert wird, und/oder um - ausgehend von dem zweiten Bestrahlungsabschnitt (21.2) einen zweiten Sperrbereich (23.2) zu bestimmen, der mit dem zweiten Bestrahlungsabschnitt (21.2) entlang des zweiten Bestrahlungsbereichs (19.2) verlagert wird.
Fertigungseinrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung (17) eingerichtet ist, um - die Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs (19.2) mit dem zweiten Energiestrahl (7.2) erst zu beginnen, wenn zumindest eine Startbedingung erfüllt ist, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Die zweite Startposition liegt nicht in dem ersten Sperrbereich (23.1); der erste Bestrahlungsabschnitt (21.1) liegt nicht innerhalb des zweiten Sperrbereichs (23.2) an der zweiten Startposition; und der erste Sperrbereich (23.1) und der zweite Sperrbereich (23.2) überlappen nicht miteinander.
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (17) eingerichtet ist, um den ersten Bestrahlungsbereich (19.1) und den zweiten Bestrahlungsbereich (19.2) einander auf dem Arbeitsbereich (11) unmittelbar benachbart zu definieren, insbesondere derart, dass der erste Bestrahlungsbereich (19.1) und der zweite Bestrahlungsbereich (19.2) aneinandergrenzen.
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (17) eingerichtet, um die Bestrahlungsbereiche (19) als Streifen zu erzeugen, insbesondere derart, dass eine in Längsrichtung eines Streifens der Streifen gemessene Streifenlänge des Streifens größer ist als eine in Längsrichtung gemessene Ausdehnung des dem Streifen zugeordneten Sperrbereichs (23).
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (17) eingerichtet ist, um die Bestrahlungsbereiche (19) so zu definieren, dass sie quer zu der Schutzgas-Strömungsrichtung ausgerichtet sind.
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (17) eingerichtet ist, um die Bestrahlung der Bestrahlungsbereiche (19) mit zueinander parallelen und/oder antiparallelen Bestrahlungsvektoren (27) vorzunehmen, die entlang der Verlagerungsrichtung nacheinander abgearbeitet werden, wobei die Steuereinrichtung (17) außerdem eingerichtet ist, um einen ersten Winkelbereich von 60° bis 120° und einen zweiten Winkelbereich von 240° bis 300° zu der Schutzgas-Strömungsrichtung für die Bestrahlungsvektoren (27) zu sperren.
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (17) eingerichtet ist, um einen Winkelbereich von 150° bis 210° zu der Schutzgas-Strömungsrichtung für eine Verlagerungsrichtung der Bestrahlungsabschnitte (21) innerhalb des jeweils zugeordneten Bestrahlungsbereichs (19) von der jeweiligen Startposition zu der jeweiligen Endposition zu sperren.
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (17) eingerichtet ist, um die Verlagerungsrichtung so vorzugeben, dass die Verlagerungsrichtung zumindest komponentenweise der Schutzgas-Strömungsrichtung entgegengerichtet ist.
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (17) eingerichtet ist, um mehr als zwei Bestrahlungsbereiche (19) für mehr als zwei Energiestrahlen (7) zu definieren.
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (17) eingerichtet ist, um zumindest einen Sperrbereich (23), ausgewählt aus den Sperrbereichen (23), so zu bestimmen, dass der zumindest eine Sperrbereich (23) in Schutzgas-Strömungsrichtung eine vorbestimmte Erstreckung aufweist oder sich bis zu einer Arbeitsbereichsgrenze (25) des Arbeitsbereichs (11) erstreckt.
Verfahren zum additiven Fertigen eines Bauteils (3) aus einem Pulvermaterial mittels einer Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Arbeitsbereich (11) lokal selektiv mit einer Mehrzahl von Energiestrahlen (7) bestrahlt wird, um mittels der Energiestrahlen (7) das Bauteil (3) aus dem in dem Arbeitsbereich (11) angeordneten Pulvermaterial herzustellen, wobei über dem Arbeitsbereich (11) eine Schutzgasströmung mit einer bestimmten Schutzgas-Strömungsrichtung (P1) erzeugt wird, wobei - für einen ersten Energiestrahl (7.1) der Mehrzahl von Energiestrahlen (7) ein erster Bestrahlungsbereich (19.1) auf dem Arbeitsbereich (11) definiert wird, entlang dem ein erster Bestrahlungsabschnitt (21.1) für den ersten Energiestrahl (7.1) von einer ersten Startposition zu einer ersten Endposition innerhalb des ersten Bestrahlungsbereichs (19.1) verlagert wird, wobei - für einen zweiten Energiestrahl (7.2) der Mehrzahl von Energiestrahlen (7) ein zweiter Bestrahlungsbereich (19.2) stromaufwärts des ersten Bestrahlungsbereichs (19.1) auf dem Arbeitsbereich (11) definiert wird, entlang dem ein zweiter Bestrahlungsabschnitt (21.2) für den zweiten Energiestrahl (7.2) von einer zweiten Startposition zu einer zweiten Endposition innerhalb des zweiten Bestrahlungsbereichs (19.2) verlagert wird, und wobei - eine Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs (19.2) mit dem zweiten Energiestrahl (7.2) begonnen wird, wenn der erste Bestrahlungsabschnitt (21.1) und die zweite Startposition für den zweiten Bestrahlungsabschnitt (21.2) relativ zueinander nicht innerhalb einer durch die Schutzgas-Strömungsrichtung bestimmten Wechselwirkungszone angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei - ausgehend von dem ersten Bestrahlungsabschnitt (21.1) ein erster Sperrbereich (23.1) bestimmt wird, der mit dem ersten Bestrahlungsabschnitt (21.1) entlang des ersten Bestrahlungsbereichs (19.1) verlagert wird, und/oder wobei - ausgehend von dem zweiten Bestrahlungsabschnitt (21.2) ein zweiter Sperrbereich (23.2) bestimmt wird, der mit dem zweiten Bestrahlungsabschnitt (21.2) entlang des zweiten Bestrahlungsbereichs (19.2) verlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei - die Bestrahlung des zweiten Bestrahlungsbereichs (19.2) mit dem zweiten Energiestrahl (7.2) erst begonnen wird, wenn zumindest eine Startbedingung erfüllt ist, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Die zweite Startposition liegt nicht in dem ersten Sperrbereich (23.1); der erste Bestrahlungsabschnitt (21.1) liegt nicht innerhalb des zweiten Sperrbereichs (23.2) an der zweiten Startposition; und der erste Sperrbereich (23.1) und der zweite Sperrbereich (23.2) überlappen nicht miteinander.
Computerprogrammprodukt, umfassend maschinenlesbare Anweisungen, aufgrund derer ein Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14 auf einer Recheneinrichtung durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Recheneinrichtung läuft.