Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere LMF-, SLS- oder EBM-Verfahren, zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen, welche zweidimensional ablenkbar sind, ein Steuerprogramm, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens angepasst sind, und eine Planungseinrichtung zur Erstellung eines Steuerprogramms zur Steuerung einer Maschine zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen, welche über einen gemeinsamen Pulverbettbereich zweidimensional ablenkbar sind.

Hintergrund der Offenbarung

Bei der additiven Fertigung, z.B. beim selektiven Lasersintern oder selektiven Laserschmelzen, wird ein pulverförmiges Material, z.B. ein Metall- oder Keramikpulver, mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt. Nacheinander werden dünne Pulverbettschichten in einer Kammer auf einer Bauplattform aufgebracht, um dreidimensionale Objekte zu formen, indem die jeweiligen Pulverbettschichten mit einem Bestrahlungsstrahl, beispielsweise einem Laserstrahl, bestrahlt werden. Entsprechende Vorrichtungen werden als additive Fertigungsvorrichtungen, 3D-Drucksysteme, selektive Lasersintermaschinen oder selektive Laserschmelzmaschinen und dergleichen bezeichnet. Zur Funktionsweise einer solchen Vorrichtung wird zum Beispiel auf EP 2 732 890 A2 verwiesen.

In den letzten Jahren hat die additive Fertigung von Bauteilen auch im industriellen Umfeld an Bedeutung gewonnen. Die additive Fertigung in einem Pulverbett (Powder Bed Fusion, PBF), bei der schrittweise dünne Pulverbettschichten, bspw. aus Metall-, Keramik- oder Thermoplastpulver, aufgetragen und mit einem oder mehreren Strahlen lokal verfestigt werden, um sukzessive das Bauteil aufzubauen, ist besonders geeignet zur Fertigung komplexer und filigraner Bauteile. Maschinen, die geeignet sind zur Durchführung eines PBF-Verfahrens, werden im Folgenden mit PBF-Maschinen bezeichnet. Als Strahlquellen werden dabei üblicherweise Laser und Elektronenstrahlsysteme verwendet. Bei Verwendung einer Laserquelle spricht man auch von Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Der Strahl kann das Pulver zum Verfestigen sintern oder schmelzen und dabei mit zuvor bereits verfestigten Bauteilschichten stoffschlüssig verbinden. Je nach Strahlquelle spricht man beim Sintern vom Selektiven Lasersintern (Selective Laser Sintering, SLS) oder Elektronenstrahlsintern, beim Schmelzen vom Selektiven Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) oder Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting, EBM). Bei der pulverbettbasierten additiven Fertigung von Metallpulver mit einem Laserstrahl ist bspw. auch die Bezeichnung des Laser Metal Fusion (LMF) bekannt.

Aus dem Stand der Technik sind Systeme bekannt, in welchen eine Pulverbettschicht in mehrere starre Segmente unterteilt werden. Diese Segmente werden von den Laserstrahlen nacheinander abgearbeitet, um ein Vorauseilen eines einzelnen Laserstrahls zu vermeiden. Dies hat unter anderem den Nachteil, dass in Randbereichen, in welchen einzelne Inseln eines Bauteils in mehreren benachbarten Segmenten existent sind, sehr kurze Vektoren entstehen können, die zu einer lokalen Überhitzung führen können. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn eine Insel knapp über ein benachbartes Segment hinausragt. Des Weiteren entstehen durch die Segmentierung viele Nahtstellen zwischen benachbarten Segmenten, was unter anderem zu einer unkontrollierten Abkühlung im Bauteil führen kann.

Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren bereitzustellen, das leicht automatisiert durchgeführt werden kann, auf einfache Weise auch in bestehenden additiven Fertigungsvorrichtungen implementiert werden kann und vorzugsweise während des gesamten Fertigungsprozesses durchgeführt werden kann.

Im Allgemeinen ist die vorliegende Offenbarung zumindest teilweise darauf gerichtet, einen oder mehrere Aspekte der bisherigen Systeme zu verbessern oder zu überwinden, und insbesondere lokale Überhitzungen zu vermeiden.

Somit ist die vorliegende Offenbarung zumindest teilweise darauf gerichtet, einen oder mehrere Aspekte früherer Systeme zu verbessern oder zu überwinden. Zusammenfassung der Offenbarung

Einige Aufgaben der vorliegenden Offenbarung können durch ein Verfahren, insbesondere LMF-, SLS- oder EBM-Verfahren, zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen, welche zweidimensional ablenkbar sind gemäß Anspruch 1, ein Steuerprogramm, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens angepasst sind gemäß Anspruch 11, und eine Planungseinrichtung zur Erstellung eines Steuerprogramms zur Steuerung einer Maschine zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen, welche über einen gemeinsamen Pulverbettbereich zweidimensional ablenkbar sind gemäß Anspruch 12 gelöst werden. Weitere Aspekte und Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Gemäß einem ersten Aspekt offenbart die vorliegende Offenbarung ein Verfahren, insbesondere LMF-, SLS- oder EBM-Verfahren, zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen, welche zweidimensional ablenkbar sind, wobei das Pulverbett mehrere Pulverbettschichten aufweist, welche mittels mehrerer annähernd senkrecht zu einer Richtung eines Gasstroms verlaufender Segmentierungslinien in mehrere Segmente unterteilt werden, wobei der Gasstrom im Wesentlichen parallel über dem Pulverbett strömt, wobei innerhalb eines Segments der Pulverbettschicht die mindestens zwei Strahlen das zumindest eine zu verfestigende Bauteil mittels einer im Wesentlichen gleichen Laserauslastung verfestigen, und wobei einzelne Segmentierungslinien einer jeweiligen Pulverbettschicht auf Basis eines Kriteriums angepasst bzw. verschoben werden. Vorzugsweise strömt der Gasstrom parallel zur der vom Pulverbett aufgespannten Ebene. Unter der Anpassung der Segmentierungslinien wird vorzugsweise eine Verschiebung der Segmentierungslinie verstanden. Dies bedeutet insbesondere, dass die Segmentierungslinie parallel verschoben wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt offenbart die vorliegende Offenbarung ein Verfahren, insbesondere LMF-, SLS- oder EBM-Verfahren, zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen, welche zweidimensional ablenkbar sind, wobei das Pulverbett mehrere Pulverbettschichten aufweist, welche mittels mehrerer annähernd senkrecht zu einer Richtung eines Gasstroms verlaufender, variabler Segmentierungslinien in mehrere Segmente unterteilt werden, wobei der Gasstrom im Wesentlichen parallel über dem Pulverbett strömt, wobei innerhalb eines Segments der Pulverbettschicht die mindestens zwei Strahlen das zumindest eine zu verfestigende Bauteil mittels einer im Wesentlichen gleichen Laserauslastung verfestigen, und wobei die variablen Segmentierungslinien einer jeweiligen Pulverbettschicht auf Basis eines Kriteriums gesetzt werden.

Vorteilhafterweise werden durch den ersten und zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung die oben genannten Nachteile des Standes der Technik überwunden. Insbesondere wird ein Verfahren bereitgestellt, das leicht automatisiert durchgeführt werden kann, auf einfache Weise auch in bestehenden additiven Fertigungsvorrichtungen implementiert werden kann und vorzugsweise während des gesamten Fertigungsprozesses durchgeführt werden kann. Des Weiteren können lokale Überhitzungen im Bauteil vermieden werden.

Eine Insel bezeichnet einen einzelnen, zusammenhängenden Flächenbereich des zu verfestigenden oder verfestigten Querschnitts eines Bauteils in einer Pulverbettschicht. Unter einer Konturfahrt wird eine Verfestigung entlang eines Abschnitts des Sollumrisses oder entlang des gesamten Sollumrisses einer Insel verstanden. Dabei kann die Konturfahrt durch einen einmaligen oder mehrmalige, überlappende Verfestigungsschritte gebildet werden, wobei der Umriss der Insel durch den äußeren Rand der Konturfahrt gebildet wird. Solche Konturfahrten sind bspw. aus DE 10 2005 027 0311 B3 bekannt. Konturfahrten ermöglichen eine erhöhte Oberflächenqualität, bspw. durch homogene Materialeigenschaften oder eine Verringerung der Oberflächenrauhigkeit. Solche Konturfahrten können bspw. durch aneinanderhängende lineare Vektoren approximiert werden, entlang denen der Strahl über das Pulverbett abgelenkt wird. Beim Verfestigen der Insel wird zumindest zwischen der Konturfahrt und den übrigen, innenliegenden Bereichen unterschieden. Diese innenliegenden Bereiche können gemäß verschiedener Scanstrategien verfestigt werden, bspw. aufgeteilt auf Streifen oder Schachbrettfelder. Bei der Streifen-Strategie wird der innenliegende Bereich der Insel streifenweise verfestigt, wobei der Strahl jeden Streifen durch Ablenken entlang von im Wesentlichen senkrecht zum Streifen ausgerichteten Vektoren verfestigt. Eine solche Strategie ist bspw. in der EP 2956262 A2 ausführlich beschrieben. Bei der Schachbrettfeld-Strategie wird üblicherweise der innenliegende Bereich der Insel in quadratische Abschnitte aufgeteilt, die entlang von parallel zu jeweils einem Seitenflächenpaar jedes quadratischen Abschnitts angeordneten Vektoren verfestigt werden. Dabei werden die Vektoren bei nebeneinanderliegenden quadratischen Abschnitten üblicherweise um 90° zueinander gedreht. Eine solche Strategie ist bspw. in der CN 105750543 A offenbart worden. Die Oberflächenrauhigkeit wird mittels der Konturfahrten verringert, da die Kontur der Insel nicht mehr zahlreiche Vektorstartpunkte und Vektorendpunkte umfasst, entlang denen die im Vergleich zur Konturfahrt innenliegenden Bereiche einer Insel verfestigt werden.

Ein Vektor repräsentiert dabei eine bei der Verfestigung des Pulverbetts auszuführende Bewegungsbahn eines Strahls, der bei der Planung der Verfestigung erstellt wird.

Eine Pulverbettschicht weist in der Regel eine Schichtstärke von 20 pm bis 120 pm, vorzugsweise 40 pm bis 80 pm, auf.

In einer weiteren Ausführungsform wird das Kriterium zum Anpassen einzelner Segmentierungslinien einer jeweiligen Pulverbettschicht ausgewählt aus: der Geometrie mindestens einer Insel des mindestens einen Bauteils, der Slice- Contour der mindestens einen Insel des mindestens einen Bauteils und/oder der Änderung des Schmelzvolumens.

Bevorzugt wird die Segmentierungslinie an eine Stelle verschoben, an welcher sich die Slice-Contour mindestens einer Insel des mindestens einen Bauteils zumindest annähernd sprunghaft ändert und/oder an welcher sich die Geometrie mindestens einer Insel des mindestens einen Bauteils zumindest annähernd sprunghaft ändert und/oder an welcher sich das Volumen mindestens einer Insel des mindestens einen Bauteils gleichmäßiger in die Segmente aufteilt.

Vorteilhafterweise werden die Segmentierungslinien so verschoben, dass sehr kurze Vektoren in Randgebieten vermieden werden. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Auslastung der Strahlen. Des Weiteren können lokale Überhitzungen vermieden werden.

In einer weiteren Variante werden die Segmente einer jeweiligen Pulverbettschicht von den mindestens zwei Strahlen gegen die Gasstromrichtung bearbeitet. Dies hat den Vorteil, dass der durch die Bearbeitung entstehende Schmauch/Schmutz oder dergleichen nicht die noch zu bearbeitende Pulverbettschicht verschmutzt bzw. den weiteren Bearbeitungsprozess beeinträchtigt.

In einer weiteren Ausführungsform werden innerhalb eines Segments der Pulverbettschicht die mindestens zwei Strahlen die zu bearbeitende mindestens eine Insel des mindestens einen Bauteils mittels einer im Wesentlichen gleichen Laserauslastung verfestigt. Dadurch kann vermieden, dass ein Strahl dem anderen Strahl vorauseilt sowie eine hohe Produktivität erzielt wird.

Bevorzugt weisen die Segmentierungslinien eine zumindest abschnittsweise im Wesentlichen gerade und/oder gekrümmte Form auf. In einer weiteren Variante des Verfahrens werden die Segmentierungslinien abschnittsweise, vorzugsweise sprunghaft, verschoben. Dies hat den Vorteil, dass die Segmentierungslinien an die Gegebenheiten optimal angepasst werden können.

In einer weiteren Ausführungsform weisen die aus den Segmentierungslinien gebildeten Segmente eine vordefinierte Breite aufweisen, wobei die Segmente vorzugsweise eine Breite von 1 bis 15 cm auf. Bevorzugt weisen die aus den Segmentierungslinien gebildeten Segmente im Wesentlichen die gleiche Breite und/oder im Wesentlichen das gleiche Volumen auf.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Laserauslastung durch eine Kombination der Scangeschwindigkeit, der Länge der Vektoren und vorbestimmten Delays/Mindestzeiten definiert. Eine alternative einfache Näherung ist die Belichtungsfläche oder die Belichtungszeit. Die Belichtungszeit hängt von den Scangeschwindigkeiten, der Länge der Vektoren in der Belichtungsfläche und den definierten Delays/Mindestzeiten ab.

Gemäß einem dritten Aspekt offenbart die vorliegende Offenbarung ein Steuerprogramm, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen angepasst sind, wenn das Steuerprogramm auf einer Maschinensteuerung einer additiven Fertigungsvorrichtung, insbesondere einer LMF-, SLS- oder EBM-Maschine, ausgeführt wird.

Vorteilhafterweise werden durch den dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung die oben genannten Nachteile des Standes der Technik überwunden. Insbesondere wird ein Steuerprogramm bereitgestellt, das leicht automatisiert durchgeführt bzw. ausgeführt werden kann, auf einfache Weise auch in bestehenden additiven Fertigungsvorrichtungen implementiert werden kann und vorzugsweise während des gesamten Fertigungsprozesses durchgeführt werden kann. Des Weiteren können lokale Überhitzungen im Bauteil vermieden werden. Ein typisches Steuerprogramm weist dabei üblicherweise eine Datenmenge im Bereich von Megabyte bis Gigabyte auf und damit eine derart große Anzahl an Anweisungen für die Maschinensteuerung, dass eine manuelle Ausführung nicht sinnvoll möglich ist. Das Steuerprogramm hat dagegen den Vorteil, dass die Anweisungen automatisiert ausgeführt werden können. Ein Steuerprogramm weist dabei üblicherweise Informationen zur Schichtdicke der aufzutragenden Pulverbettschichten, die zu verfestigenden Vektoren und insbesondere auch Bearbeitungsparameter beispielsweise in Abhängigkeit der Schichtdicke oder des zu verwendenden Pulvers auf.

Gemäß einem vierten Aspekt offenbart die vorliegende Offenbarung eine Planungseinrichtung zur Erstellung eines Steuerprogramms zur Steuerung einer Maschine zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen, welche über einen gemeinsamen Pulverbettbereich zweidimensional ablenkbar sind, die Planungseinrichtung umfassend: ein Vektormodul zum Erstellen von Vektoren für das Steuerprogramm, das zu mindestens einer zu verfestigenden Insel in jeder Pulverbettschicht Vektoren berechnet derart, dass bei Ausführung einer Verfestigung entlang der Vektoren mittels Strahlen an der Maschine die Insel ausgebildet wird, ein Zuordnungsmodul, das als Teil des Vektormoduls oder als separates Modul ausgebildet ist, das jedem Vektor des Steuerprogramms einen der mehreren verfügbaren Strahlen der Maschine derart zuordnet, dass das Steuerprogramm angepasst ist, bei Ausführung auf einer Maschinensteuerung der Maschine, insbesondere einer LMF-, SLS- oder EBM-Maschine, das Verfahren zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils in einem Pulverbett mittels mindestens zwei Strahlen durchzuführen, und eine Steuerungsschnittstelle zur Steuerung der Maschine entsprechend des Steuerprogramms oder zum Export des Steuerprogramms zur Übertragung an eine Maschinensteuerung.

Vorteilhafterweise werden durch den vierten Aspekt der vorliegenden Offenbarung die oben genannten Nachteile des Standes der Technik überwunden. Insbesondere wird eine Planungseinrichtung bereitgestellt, die leicht automatisiert durchgeführt werden kann, auf einfache Weise auch in bestehenden additiven Fertigungsvorrichtungen implementiert werden kann und vorzugsweise während des gesamten Fertigungsprozesses durchgeführt werden kann. Des Weiteren können lokale Überhitzungen im Bauteil vermieden werden. Neben den Vorteilen des Verfahrens erlaubt dies außerdem eine automatisierte Erstellung eines Steuerprogramms unter Berücksichtigung von Regeln, die nachteilige Interaktionen von Strahlen miteinander vermeiden. Bspw. könnte es nachteilig sein, wenn die Strahlen in unmittelbarer Nachbarschaft die Pulverbettschicht verfestigen, da dies zu lokalen Überhitzungen führen könnte oder die Emissionen bei der Verfestigung den jeweils anderen Strahl nachteilig beeinflussen.

Eine solche Planungseinrichtung umfasst oft ein Computerprogramm, das auf einer Maschinensteuerung oder einem separaten Computer betrieben wird. Bei der pulverbettbasierten additiven Fertigung werden solche Planungseinrichtungen oft als Build Prozessor bezeichnet. Bekannt sind aus dem Stand der Technik Build Prozessoren von denen es maschinenspezifisch angepasste Versionen bspw. für LMF- und EBM-Maschinen verschiedener Hersteller gibt. Eine solche Planungseinrichtung erstellt aus Informationen zu einem herzustellenden Bauteil insbesondere automatisiert Steuerprogramme der zuvor beschriebenen Art. Der Einsatz solcher Planungseinrichtungen ist insbesondere zur Fertigung komplexer Bauteile relevant, da die händische Programmierung der zu erzeugenden Steuerprogramme auf Grund ihrer Datenmenge im Bereich von Megabyte oder Gigabyte nicht innerhalb einer wirtschaftlich sinnvollen Zeit und Qualität erstellt werden können.

Die Planungseinrichtung umfasst ein Vektormodul zum Erstellen von Vektoren für das Steuerprogramm, das zu mindestens einer zu verfestigenden Insel in jeder Pulverbettschicht Vektoren berechnet derart, dass bei Ausführung einer Verfestigung entlang der Vektoren mittels Strahlen an der Maschine die Insel ausgebildet wird, wobei die Vektoren bei zumindest einer Auswahl der Inseln eine Konturfahrt ausbilden. Dadurch lassen sich in automatisierter Weise Steuerprogramme mit verschiedenen Scanstrategien erstellen, bspw. mit einer Streifen-Strategie oder einer Schachbrettfeld-Strategie.

Des Weiteren umfasst die Planungseinrichtung ein Zuordnungsmodul, das als Teil des Vektormoduls oder als separates Modul ausgebildet ist, das jedem Vektor des Steuerprogramms einen der mehreren verfügbaren Strahlen der Maschine derart zuordnet, dass das Steuerprogramm angepasst ist, bei Ausführung auf einer Maschinensteuerung der Maschine, insbesondere einer LMF-, SLS- oder EBM- Maschine, das zuvor genannte Verfahren durchzuführen. Neben den Vorteilen des Verfahrens erlaubt dies außerdem eine automatisierte Erstellung eines Steuerprogramms unter Berücksichtigung von Regeln, die nachteilige Interaktionen von Strahlen miteinander vermeiden. Bspw. könnte es nachteilig sein, wenn die Strahlen in unmittelbarer Nachbarschaft die Pulverbettschicht verfestigen, da dies zu lokalen Überhitzungen führen könnte oder die Emissionen bei der Verfestigung den jeweils anderen Strahl nachteilig beeinflussen.

Außerdem umfasst die Planungseinrichtung eine Steuerungsschnittstelle zur Steuerung der Maschine entsprechend des Steuerprogramms oder zum Export des Steuerprogramms zur Übertragung an eine Maschinensteuerung. Wenn die Planungseinrichtung eingerichtet ist zur Steuerung der Maschine, ist diese üblicherweise Teil der Maschinensteuerung, so dass das große Steuerprogramm bspw. nicht durch das Netzwerk des Maschinenbetreibers übertragen werden muss. Eine Planungseinrichtung, die das Steuerprogramm zur Übertragung exportiert, hat hingegen den Vorteil, dass das Steuerprogramm an beliebige, optional auch mehrere geeignete Maschinen übertragen werden kann. Die Planungseinrichtung kann bspw. einen von der Maschine unabhängigen Computer umfassen oder auf diesem ausgeführt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Planungseinrichtung weiterhin: eine Eingangsschnittstelle zum Import von Pulverbettschichtdaten eines schichtweise additiv zu fertigenden Bauteils und/oder ein Slicing-Modul zum Erstellen der Pulverbettschichtdaten des Bauteils aus einem Bauplan des Bauteils, wobei die Pulverbettschichtdaten Informationen zu den zu verfestigenden Inseln mehrerer, insbesondere aller Pulverbettschichten umfassen. Dies hat den Vorteil, dass der Bauplan des zu fertigenden Bauteils, d.h. die mit einem Konstruktionsmodul erstellte Konstruktion, auf einem weiteren, unabhängigen Computer oder mit einem weiteren, unabhängigen Computerprogramm erstellt werden kann. Ein Konstruktionsmodul wird im Stand der Technik üblicherweise als Programm für das Computer Aided Design (CAD) oder auch rechnerunterstütztes Konstruieren bezeichnet. Vorteilhaft können in dieser Variante Konstruktionsmodule beliebiger Hersteller verwendet werden. Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn an der Maschine keine Konstruktion erstellt werden muss, da die Bedienmöglichkeiten im Vergleich zu einem Büroarbeitsplatz eingeschränkt sein können, zum Beispiel durch einen kleineren Bildschirm oder durch weniger ergonomische Bediengeräte.

Bevorzugt umfasst die Planungseinrichtung eine Maschinensteuerung und/oder zumindest einen weiteren Computer. Dadurch können manche Funktionen, an einem ergonomischen Büroarbeitsplatz, beispielsweise an einem Laptop oder einer Workstation durchgeführt werden, andere wiederum an der Maschine, so dass das langwierige Übertragen großer Datenmengen, wie zum Beispiel von Steuerprogrammen zwischen Büroarbeitsplatz und Maschine, vermieden werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform der Planungseinrichtung ist jedes der Module auf einem oder mehreren der Computer implementiert. Dadurch können die o.g. Vorteile des ergonomischen Büroarbeitsplatzes und das Vermeiden langwieriger Datenübertragungen flexibel genutzt werden.

Andere Merkmale und Aspekte dieser Offenbarung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.

Kurzbeschreibuno der Zeichnungen

Die beigefügten Zeichnungen, die hierin aufgenommen werden und einen Teil der Beschreibung bilden, veranschaulichen beispielhafte Ausführungsformen der Offenbarung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Offenbarung zu erläutern. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 schematisch eine PBF-Maschine zur pulverbettbasierten additiven Fertigung von Bauteilen,

Fig. 2a schematisch eine Pulverbettschicht mit zu verfestigenden Inseln mindestens eines Bauteils gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2b schematisch eine Pulverbettschicht mit zu verfestigenden Inseln mindestens eines Bauteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Fig. 3a schematisch eine Pulverbettschicht mit zu verfestigenden Inseln mindestens eines Bauteils gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3b schematisch eine Pulverbettschicht mit zu verfestigenden Inseln mindestens eines Bauteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 schematisch eine Planungseinrichtung zur Erstellung eines

Steuerprogramms zur Steuerung einer PBF-Maschine, und

Fig. 5 schematisch eine Planungseinrichtung verteilt auf zwei Computer.

Detaillierte Beschreibung

Das Folgende ist eine detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die darin beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten beispielhaften Ausführungsformen sollen die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung lehren und es dem Durchschnittsfachmann ermöglichen, die vorliegende Offenbarung in vielen verschiedenen Umgebungen und für viele verschiedene Anwendungen zu implementieren und zu verwenden. Daher sind die beispielhaften Ausführungsformen nicht als einschränkende Beschreibung des Umfangs des Patentschutzes gedacht und sollten nicht als solche betrachtet werden. Vielmehr soll der Umfang des Patentschutzes durch die beigefügten Ansprüche definiert werden.

Fig. 1 zeigt schematisch eine PBF-Maschine 1 mit einer Prozesskammer 3 und einer Maschinensteuerung 5. Die Maschinensteuerung 5 weist dabei einen Datenträger 7 zur Speicherung von Steuerprogrammen auf. Die PBF-Maschine 1 weist außerdem mindestens zwei Scanner 9a, 9b auf, die jeweils einen Strahl 11a, 11b ablenken. Der Scanner 9a, 9b kann beispielweise für einen Laserstrahl einen in zwei Richtungen drehbaren Scannerspiegel oder zwei in eine Richtung drehbare Scannerspiegel umfassen. Der Scanner 9a, 9b kann beispielsweise einen Galvanometer-Scanner umfassen. Alternativ kann der Scanner 9a, 9b für einen Elektronenstrahl mehrere Elektrodenpaare umfassen, zwischen denen ein elektrisches Feld angelegt werden kann, um den Elektronenstrahl abzulenken.

Die PBF-Maschine 1 umfasst außerdem eine Substratplatte 13, die unterhalb der Scanner 9a, 9b angeordnet ist und auf der ein Pulverbett 15 schichtweise aufgetragen wird. Dazu wird die Substratplatte 13 um eine gewünschte Distanz in -Z-Richtung, d.h. in Richtung zunehmender Entfernung zu den Scannern 9a, 9b, verstellt und anschließend mit einem Pulverschieber 17 eine neue Pulverbettschicht aufgetragen. Als Pulverschieber 17 kommen beispielweise Wischer, Klingen oder Zylinder in Betracht. Die Scanner 9a, 9b sind in diesem Fall geeignet ihren jeweiligen Strahl 11a, 11b über das komplette Pulverbett 15 abzulenken. Somit stellt in diesem Ausführungsbeispiel die gesamte Pulverbettoberfläche einen gemeinsamen Pulverbettbereich 18 dar, in dem die Strahlen 11a, 11b das Pulver verfestigen können. Nach dem Verfestigen der jeweils obersten Pulverbettschicht kann die Substratplatte 13 erneut in -Z- Richtung verstellt und eine neue Pulverbettschicht aufgetragen werden, um so Bauteile 19 schichtweise zu fertigen. Die in einer Pulverbettschicht zu verfestigende Schicht des mindestens einen Bauteils 19 wird als Insel 20; 20a, 20b bezeichnet. Eine Insel 20; 20a, 20b ist somit eine „Scheibe" des mindestens einen Bauteils 19, wobei in einer Schicht mehrere Inseln 20; 20a, 20b vorhanden sein können, welche lediglich einem Bauteil 19 zugehörig sind.

Die Prozesskammer 3 ist gasdicht ausgebildet und umfasst einen Gaseinlass 21 und einen Gasauslass 23. Mit dem Gaseinlass 21 kann die Prozesskammer 3 mit einem inerten Gas wie bspw. Stickstoff oder Argon gefüllt werden, um eine Oxidation des Pulvers zu verhindern. Zusammen mit dem Gasauslass 23 kann außerdem ein stetiger Schutzgasstrom über dem Pulverbett 15 ausgebildet werden, um im Falle einer Verfestigung mit Laserstrahlen Kondensate, Pulverpartikel und sonstige durch den Prozess in die Atmosphäre geschleuderte Partikel abzutransportieren, um mögliche Beeinträchtigungen des Laserstrahls zu verringern. Der Gasauslass 23 kann außerdem verwendet werden, um die Prozesskammer 3 zu evakuieren, so dass als Strahlen 11a, 11b Elektronenstrahlen verwendet werden können. Dazu muss die Prozesskammer 3 vakuumfest ausgebildet sein.

Die Maschinensteuerung 5 weist außerdem eine Datenschnittstelle 25 auf, über die bspw. Steuerprogramme importiert werden können. Die Maschinensteuerung 5 kann bei Ausführung eines Steuerprogramms über eine Steuerungsschnittstelle 41 sämtliche für die schichtweise additive Fertigung notwendigen Schritte an der Maschine ausführen, wie bspw. die Strahlen 11a, 11b zu aktivieren oder deaktivieren, mit dem Scanner 9a, 9b abzulenken, die Substratplatte 13 entlang der Z-Achse zu verstellen oder einen Pulverauftrag zu initiieren.

Fig. 2a zeigt schematisch eine Pulverbettschicht mit zwei zu verfestigenden Inseln 20a, 20b des mindestens einen Bauteils 19 gemäß dem Stand der Technik. Hierbei ist die Pulverbettschicht mit Hilfe von Segmentierungslinien 14a, 14b in drei Segmente unterteilt. Die Segmentierungslinien 14a, 14b sind hierbei im gleichen Abstand zueinander angeordnet und starr, d.h. in jeder Schicht gleich zueinander beabstandet. Dabei ist es unerheblich an welchen Positionen die zu verfestigenden Inseln 20a, 20b auf der Pulverbettschicht positioniert sind.

Fig. 2b zeigt schematisch eine Pulverbettschicht mit zwei zu verfestigenden Inseln 20a, 20b des mindestens einen Bauteils 19 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Hierbei ist die Pulverbettschicht mit Hilfe von Segmentierungslinien 14a, 14b in drei Segmente unterteilt. Die Segmentierungslinien 14a, 14b sind hierbei größtenteils im gleichen Abstand zueinander angeordnet, wobei die Segmentierungslinie 14a abschnittsweise so angehoben wurde, dass die Insel 20b innerhalb eines Segments liegt. Dies hat zur Folge, dass die Insel 20b, welche sich nun innerhalb eines einzelnen Segments befindet, gleichmäßig ohne einen Segmentwechsel bzw. Übergang von einem Segment zu einem weiteren Segment bearbeitet werden kann.

Fig. 3a zeigt schematisch eine Pulverbettschicht mit einer zu verfestigenden Insel 20 des mindestens einen Bauteils 19 gemäß dem Stand der Technik. Hierbei ist die Pulverbettschicht mit Hilfe von Segmentierungslinien 14a, 14b in drei Segmente unterteilt. Die Segmentierungslinien 14a, 14b sind hierbei im gleichen Abstand zueinander angeordnet und starr, d.h. in jeder Schicht gleich zueinander beabstandet. Dabei ist es unerheblich an welchen Positionen die zu verfestigende Insel 20 auf der Pulverbettschicht positioniert ist.

Fig. 3b zeigt schematisch eine Pulverbettschicht mit einer zu verfestigenden Insel 20 des mindestens eines Bauteils 19 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Hierbei ist die Pulverbettschicht mit Hilfe von Segmentierungslinien 14a, 14b in drei Segmente unterteilt. Die Segmentierungslinien 14a, 14b sind hierbei größtenteils im gleichen Abstand zueinander angeordnet, wobei die Segmentierungslinien 14a, 14b abschnittsweise an Stellen verschoben wurden, an welchen sich die Geometrie der Insel 20 des mindestens einen Bauteils 19 zumindest annähernd sprunghaft ändert und/oder an welchen sich das Volumen der Insel 20 des mindestens einen Bauteils 19 gleichmäßiger in die Segmente aufteilt.

Wie dies aus einer Zusammenschau der Figuren 3a und 3b ersichtlich ist, sind die Zuordnungslinien 16 in Fig. 3b wesentlich mittiger in den Segmentabschnitten der Insel 20 angeordnet. Die Zuordnungslinie 16 ist eine virtuelle Linie, welcher den Bearbeitungsbereich der Strahlen 11a, 11b in Abschnitte mit gleicher Laserauslastung unterteilt. Hier wird der linke Abschnitt vom Strahl 11a verfestigt, wobei der rechte, gegenüberliegende Teil vom Strahl 11b verfestigt wird. Vorteilhafterweise können hierdurch sehr kurze Vektoren in Randbereichen vermieden werden, wie dies in Fig. 3a der Fall ist. Diese können zu lokalen Überhitzungen im Bauteil 19 führen.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Planungseinrichtung 31 zur Erstellung eines Steuerprogramms zur Steuerung einer PBF-Maschine 1 zur pulverbettbasierten additiven Fertigung mit mindestens zwei Strahlen 11a, 11b, welche über einen gemeinsamen Pulverbettbereich 18 zweidimensional ablenkbar sind. Die Planungseinrichtung 31 umfasst eine Eingangsschnittstelle 33, ein Slicing-Modul 35, ein Vektormodul 37, ein Zuordnungsmodul 39 und eine Steuerungsschnittstelle 41'.

Die Eingangsschnittstelle 33 dient zum Importieren von Pulverbettschichtdaten eines schichtweise additiv zu fertigenden Bauteils 19 aus einem Bauplan des Bauteils 19.

Das Slicing-Modul 35 erstellt hierbei die Pulverbettschichtdaten des Bauteils 19 aus einem Bauplan des Bauteils 19, wobei die Pulverbettschichtdaten Informationen zu den zu verfestigenden Inseln mehrerer, insbesondere aller Pulverbettschichten umfassen.

Das Vektormodul 37 erstellt Vektoren für das Steuerprogramm. Hierbei berechnet des Vektormodul 37 zu mindestens einer zu verfestigenden Insel in jeder Pulverbettschicht Vektoren derart, dass bei Ausführung einer Verfestigung entlang der Vektoren mittels Strahlen 11a, 11b an der Maschine 1 die Insel ausgebildet wird, wobei die Vektoren bei zumindest einer Auswahl der Inseln eine Konturfahrt ausbilden.

Das Zuordnungsmodul 39 ist als Teil des Vektormoduls 37 oder als separates Modul ausgebildet. Hierbei ordnet das Zuordnungsmodul 39 jedem Vektor des Steuerprogramms einen der mehreren verfügbaren Strahlen 11a, 11b der Maschine 1 derart zu, dass das Steuerprogramm angepasst ist, bei Ausführung auf einer Maschinensteuerung der Maschine 1, insbesondere einer LMF-, SLS- oder EBM-Maschine, das Verfahren zum schichtweisen additiven Fertigen mindestens eines Bauteils 19 in einem Pulverbett 15 mittels mindestens zwei Strahlen 11a, 11b, welche über einem gemeinsamen Pulverbettbereich 18 zweidimensional ablenkbar sind durchzuführen.

Die Steuerungsschnittstelle 41' steuert die Maschine 1 entsprechend des Steuerprogramms oder exportiert das Steuerprogramm, um dieses an eine Maschinensteuerung zu übertragen.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Möglichkeit der Übertragung der Daten der Planungseinrichtung 31 auf die Maschinensteuerung 5, welche optional über einen internen Datenträger 7 verfügt. Die Daten der Planungseinrichtung 31 werden über eine Datenschnittstelle 25 der Maschinensteuerung 5 übertragen. Dies Übertragung kann bspw. mittels eines Datenträgers, wie einem USB-Stick, oder einem Netzwerk 43 (Intranet, Internet) durchgeführt werden.

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale getrennt und unabhängig voneinander zum Zwecke der ursprünglichen Offenbarung sowie zum Zwecke der Beschränkung der beanspruchten Erfindung unabhängig von der Zusammensetzung der Merkmale in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen offenbart werden sollen. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass alle Wertebereiche oder Angaben zu Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Zwischenwert zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung sowie zum Zweck der Einschränkung der beanspruchten Erfindung, insbesondere als Grenzen von Wertebereichen, offenbaren. Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung hierin beschrieben worden sind, können Verbesserungen und Modifikationen aufgenommen werden, ohne vom Umfang der folgenden Ansprüche abzuweichen.

Bezugszeichenliste

1 PBF-Maschine

3 Prozesskammer

5 Maschinensteuerung

7 Datenträger

9a, 9b Scanner

11a, 11b Strahl

13 Substratplatte

14a, 14b Segmentierungslinie

15 Pulverbett

16 Zuordnungslinie

17 Pulverschieber (Wischer, Klinge, Zylinder)

18 gemeinsamer Pulverbettbereich

19 Bauteil

20; 20a, 20b Insel

21 Gaseinlass

23 Gasauslass

25 Datenschnittstelle

31 Planungseinrichtung

33 Eingangsschnittstelle

35 Slicing-Modul

37 Vektormodul

39 Zuordnungsmodul

41, 41' Steuerungsschnittstelle

43 Netzwerk (Intranet, Internet)

G Gasstromrichtung/Richtung des Gasstroms

Z Z-Richtung