Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung („Steuerdatenerzeugungsvorrichtung“) zur Generierung von Bestrahlungs-Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl aufgebaut wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren entsprechende Steuerdaten, ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils mit solchen Steuerdaten, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung, sowie eine Steuervorrichtung für eine solche Vorrichtung.

Bei der Herstellung von Prototypen und inzwischen auch in der Serienfertigung werden additive Fertigungsprozesse immer relevanter. Im Allgemeinen sind unter „additiven Fertigungsprozessen“ solche Fertigungsprozesse zu verstehen, bei denen in der Regel auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material (dem „Aufbaumaterial“) ein Fertigungsprodukt („Bauteil“) aufgebaut wird. Der Aufbau erfolgt dabei meist, aber nicht zwingend, schichtweise. Als ein Synonym für die additive Fertigung wird häufig auch der Begriff „3D-Druck“ verwendet, die Herstellung von Modellen, Mustern und Prototypen mit additiven Fertigungsprozessen wird oft als „Rapid Prototyping“, die Herstellung von Werkzeugen als „Rapid Tooling“ und die flexible Herstellung von Serienbauteilen wird als “Rapid Manufacturing” bezeichnet. Wie eingangs erwähnt, ist ein Kernpunkt die selektive Verfestigung des Aufbaumaterials, wobei diese Verfestigung bei vielen Fertigungsprozessen mit Hilfe einer Bestrahlung mit Strahlungsenergie, z. B. elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht- und/oder Wärmestrahlung, aber ggf. auch mit Teilchenstrahlung wie z. B. Elektronenstrahlung erfolgen kann. Beispiele für mit einer Bestrahlung arbeitende Verfahren sind das „selektive Lasersintern“ oder „selektive Laserschmelzen“. Dabei werden wiederholt dünne Schichten eines meist pulverförmigen Aufbaumaterials übereinander aufgebracht und in jeder Schicht wird das Aufbaumaterial durch räumlich begrenztes Bestrahlen der Stellen, die nach der Fertigung zum herzustellenden Bauteil gehören sollen, in einem „Schweißprozess“ selektiv verfestigt, indem die Pulverkörner des Aufbaumaterials mit Hilfe der durch die Strahlung an dieser Stelle lokal eingebrachten Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen werden. Während einer Abkühlung verfestigen diese Pulverkörner dann miteinander zu einem Festkörper. Meist wird dabei der Energiestrahl entlang von Verfestigungsbahnen über das Baufeld geführt und das Umschmelzen bzw. Verfestigen des Materials in der jeweiligen Schicht erfolgt entsprechend in Form von „Schweißbahnen“ oder „Schweißraupen“, so dass letztlich im Bauteil eine Vielzahl solcher aus Schweißbahnen gebildeter Schichten vorliegt. Auf diese Weise können inzwischen Bauteile mit sehr hoher Qualität und Bruchfestigkeit hergestellt werden.

In der praktischen Anwendung bzw. in Fertigungsvorrichtungen werden üblicherweise Energiestrahlen eingesetzt, beispielsweise Laserstrahlen, die im Wesentlichen rotationssymmetrische Intensitätsverteilungen aufweisen. Eine solche rotationssymmetrische Intensitätsverteilung entspricht häufig einem Gaußprofil. Bei einer gaußförmigen Intensitätsverteilung ist die Intensität in der Mitte des Energiestrahls am höchsten und schwächt sich in alle Richtungen radial nach außen quer zur Ausbreitungsrichtung (auch kurz „Strahlrichtung“ oder „Strahlachse“ genannt) gemäß einer Gauß-Funktion bzw. Gaußkurve ab.

Der Energiestrahl wird gemäß Bestrahlungs-Steuerdaten über das Baufeld geführt. In der Regel wird dabei sowohl die Bewegung des Energiestrahls als auch dessen Intensität durch die Bestrahlungs-Steuerdaten vorgegeben. Das Steuersignal für die Intensität kann in einem einfachen Fall nur angeben, wann der Energiestrahl eingeschaltet und wann er ausgeschaltet ist, jedoch kann auch eine Intensitätsregelung vorgenommen werden oder der Energiestrahl gepulst betrieben werden. Die Steuerdaten werden in der Regel direkt aus geometrischen Daten eines Bauteils ermittelt, bzw. dessen Bauteilschicht, insbesondere durch Triangulierung. Dabei werden Scanvektoren ermittelt, entlang derer der Energiestrahl bewegt werden soll, wobei sehr häufig eine Vielzahl von Scanvektoren eine Bahn („Sollbahn“) beschreibt. Ausgehend von der Sollbahn ist diese in der Regel ein Polygonzug, der aus einzelnen Bahnsegmenten, den Scanvektoren, zusammengesetzt ist. Dabei tritt jedoch häufig das Problem zu kurzer Bahnsegmente auf, was insbesondere bei einem Pulsbetrieb zu unerwünschten Resultaten führt.

Beispielsweise führt die Triangulierung von Bauteilen mit stark strukturierten Oberflächen zu stark geknickten Sollbahnen mit entsprechend kurzen Strecken zwischen den Knicken. Da jedoch Steuergeräte mit einem fest vorgegebenen Steuertakt arbeiten, z.B. mit 100 kHz (also Schritten zu je 10 ps), führt dies zu der Situation, dass bei Strecken, die der Energiestrahl in einer kürzeren Zeit durchläuft, entweder eine Wartezeit eingeführt werden muss, was bewirkt, dass der aktivierte Energiestrahl entsprechend lange auf einer Stelle verharrt, oder eine Reduzierung der Geschwindigkeit erfolgen muss, die zu einer längeren Belichtungszeit und damit zu einem höheren Energieeintrag führt. Dies führt zu lokalen Überhitzungen, die negative Auswirkungen auf die Bauteilqualität haben.

In der Praxis ist es häufig so, dass die real angewandte Scangeschwindigkeit innerhalb eines Steuertakts automatisch der Länge des Scanvektors angepasst wird. Dies führt dazu, dass bei kurzen Scanvektoren eine geringere Scangeschwindigkeit vorherrscht als eigentlich gewünscht ist. Da jedoch bei den Vorgaben für die Leistung des Energiestrahls von einer gewünschten Scangeschwindigkeit ausgegangen wird, wird in diesem Falle bei der Fertigung eine zu große Energie auf den kurzen Scanvektor eingetragen. Bei einem Steuertakt von 100 kHz (Periodendauer 10ps) würde bei einem Scanvektor, dessen Länge mit der gewünschten Scangeschwindigkeit in 2ps abgefahren werden könnte, fünfmal soviel Energie appliziert wie gewünscht. Bei einer Triangulation eines Kreises kann es sehr leicht passieren, dass alle Vektoren des Kreises recht kurz, z.B. 5ps „lang“, sind. In diesem Fall würde in dieser Kreis-Sollbahn das Doppelte einer gewünschten Energiemenge eingetragen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere eine Verbesserung der Qualität eines Bauteils erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 , Steuerdaten gemäß Patentanspruch 10, ein Fertigungsverfahren zur additiven Fertigung gemäß Patentanspruch 11 , eine Steuerdatenerzeugungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 12, eine Steuereinrichtung gemäß Patentanspruch 13 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 14 gelöst.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Generierung von Bestrahlungs-Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl aufgebaut wird. Das Aufbaumaterial ist dabei bevorzugt eine Flüssigkeit, ein Pulver oder ein Granulat. Bevorzugte Materialien sind Harz, Polymer, ein metallbasiertes Pulver mit einem Metallanteil von bevorzugt mindestens 50%, insbesondere mindestens 60%, 70%, 80% 90% oder gar 90% oder ein Metallpulver, eine Keramik oder Mischmaterialien (z.B. Alumide, ein Produkt der Anmelderin), Materialien zur Cold Metal Fusion (Markenname für ein kombiniertes Schmelz-/Sinterverfahren unter Verwendung polymerumhüllter Metallpartikel als Aufbaumaterial) oder allgemein polymerumhüllte Partikel.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Bereitstellen eines Bauteil-Datensatzes umfassend Geometriedaten zumindest einer Bauteilschicht des Bauteils und/oder umfassend einen Trajektorien-Datensatz mit Scan- Bahnsegmenten zur Herstellung einer Bauteilschicht des Bauteils,

- Erzeugen einer Anzahl von normierten Sollbahnen aus dem Bauteil-Datensatz, wobei eine normierte Sollbahn aus Norm-Bahnsegmenten gebildet wird, deren räumliche Länge ein ganzzahliges Vielfaches (also das N-fache mit der positiven, ganzen Zahl N größer Null) einer Normlänge ist, die aus einem vorgegebenen Scan-Steuertakt der Vorrichtung bestimmt wird,

- Generieren von Bestrahlungs-Steuerdaten derart, dass die Vorrichtung zur additiven Fertigung mit diesen Bestrahlungs-Steuerdaten eine Bauteilschicht mit einer Verfestigung von Aufbaumaterial entlang der Anzahl von normierten Sollbahnen erzeugen kann,

- Ausgeben der Bestrahlungs-Steuerdaten an eine Speichereinrichtung und/oder an eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils.

Ein Bauteil-Datensatz ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt und umfasst die geometrischen Daten („Geometriedaten“) des Bauteils oder zumindest einer Bauteilschicht des Bauteils. Dies können z.B. CAD-Daten sein oder aus CAD-Daten konvertierte Daten.

Jedoch kann ein Bauteil auch durch bereits vorgefertigte Steuerdaten definiert sein. Die hier zunächst relevanten Steuerdaten sind dabei die Daten zu Sollbahnen („Trajektorien- Datensatz“). Ein solcher Datensatz umfasst zumindest Scan-Bahnsegmente (Scanvektoren) zur Herstellung einer Bauteilschicht des Bauteils, kann aber auch weitere Belichtungsdaten umfassen, z.B. Informationen darüber, mit welcher Intensität oder welchem Pulsmuster bestrahlt wird.

Dieser Bauteil-Datensatz wird bereitgestellt, was bedeutet, dass er empfangen wird, aus einem Speicher geladen wird oder aus CAD-Daten oder anderen geometrischen Daten des Bauteils erstellt wird.

Der Bauteil-Datensatz umfasst also bereits eine vorgegebene Sollbahn oder es liegen ausreichende Informationen vor, mit denen eine Sollbahn ermittelt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren erstellt nun eine besondere Sollbahn, bzw. modifiziert eine gegebene Sollbahn. Diese besondere Sollbahn wird hier als „normierte Sollbahn“ bezeichnet, welche sich aus Bahnsegmenten zusammensetzt, von denen ein Anteil (gezielt) aus Norm-Bahnsegmenten gebildet wird. Diese Norm-Bahnsegmente sind keine beliebigen Bahnsegmente (die hier als „Scan-Bahnsegmente“ bezeichnet werden), sondern es gelten bestimmte Regeln für die Länge dieser Bahnsegmente. Wie genau eine Sollbahn aus einem Bauteil-Datensatz erstellt wird, ist Stand der Technik und wird regelmäßig bei der Konvertierung von Bauteil-Datensätzen in Steuerbefehle praktisch umgesetzt.

Norm-Bahnsegmente weisen eine räumliche Länge auf, die ein ganzzahliges Vielfaches (einfaches, zweifaches, dreifaches, ..., N-faches) einer Normlänge ist. Diese Normlänge wird dabei stets aus einem vorgegebenen Scan-Steuertakt der Vorrichtung bestimmt und ggf. auch aus anderen Parametern, insbesondere der Scangeschwindigkeit. Der Begriff „Scan-Steuertakt“ entspricht insbesondere dem Steuertakt des Standes der Technik und bestimmt zumindest die Taktung einer Ansteuerung des Energiestrahls mit mindestens einem Energiestrahlparameterwert sowie die Taktung des Betriebs eines Scanners (z.B. eines Galvanometerscanners und/oder eines Polygonscanners) mit mindestens einer Positionsvorgabe, z. B. in Form einer 2D-Koordinate. Ist z.B. die Scangeschwindigkeit v für den Bereich einer Sollbahn gegeben, so ergibt sich aus dem Scan-Steuertakt mit der Periodendauer t die Normlänge N = vt. Da sich die Erfindung auf die Erzeugung von Steuerdaten bezieht, ist die hier verwendete „Scangeschwindigkeit“ eine theoretische Geschwindigkeit, wie sie bei einer späteren Fertigung bestimmungsgemäß angewandt werden soll und keine reale Scangeschwindigkeit bei einer Fertigung. Um dies hervorzuheben, wird sie im Folgenden als „Soll-Scangeschwindigkeit“ bezeichnet. Sie kann sich durchaus von der „Fertigungs-Scangeschwindigkeit“ unterscheiden, also der Geschwindigkeit, mit der die Fertigung verläuft. Jedoch wird die Fertigungs-Scangeschwindigkeit durch die Steuerdaten beeinflusst. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann basierend auf einer Soll-Scangeschwindigkeit die Fertigungs-Scangeschwindigkeit entscheidend optimiert werden.

In der Praxis kann der Scan-Steuertakt im Grunde von mehreren Komponenten abhängig sein, wie z.B. von Steuereinheit, Strahlführung und weiteren elektronischen und mechanischen Komponenten. Schließlich muss innerhalb eines Taktes die für diesen Zeitraum vorgegebene Aktion auch durchgeführt werden. Zum besseren Verständnis kann jedoch angenommen werden, dass alleine die Steuereinheit den Takt vorgibt und davon ausgegangen werden, dass die Fertigungsvorrichtung alle Aktionen rechtzeitig erledigt. In der Praxis ist der Scan-Steuertakt oftmals ein fest vorgegebener Parameter der Steuereinheit. Der Scan-Steuertakt ist also in diesem Falle ein vorgegebener Takt, in dessen Zeitintervallen Steuerinformationen übergeben und diese abgearbeitet werden. Dies erfolgt z.B. so, dass in jedem Zeitintervall ein Punkt und eine Strahlungsleistung vorgegeben werden und der vorgegebene Punkt angefahren wird, während mit der vorgegebenen Strahlungsleistung bestrahlt wird. Bahnen zu weiter entfernten Punkten werden somit weniger stark bestrahlt als Bahnen zu näher gelegenen Punkten, da sich der Strahl schneller bewegen muss, um den vorgegebenen Endpunkt zu erreichen. Das erfindungsgemäße Verfahren löst dieses Problem, indem es die Abstände der Punkte an den vorgegebenen Scan-Steuertakt anpasst.

Es sei angemerkt, dass in dem Falle, in dem die Länge von Norm-Bahnsegmenten ein n- faches der Normlänge ist, die entsprechenden Norm-Bahnsegmente auch innerhalb von n Scan-Steuertakten abgefahren werden. Beispielsweise wird demgemäß ein Norm- Bahnsegment mit der Normlänge innerhalb eines einzigen Scan-Steuertaktes abgefahren, ein Norm-Bahnsegment mit dreifacher Normlänge innerhalb von drei Scan-Steuertakten.

Es ist nicht notwendig, dass die gesamte normierte Sollbahn aus Norm-Bahnsegmenten besteht und auch nicht unbedingt ihr überwiegender Teil. Beispielsweise kann es im Bereich scharfer Kurven oder Ecken oder zur Kompensation von Restlängen von Vorteil sein, andere (kürzere) Bahnsegmente zu wählen. Auf der anderen Seite kann eine Sollbahn, die zufälligerweise eine Anzahl von Norm-Bahnsegmenten umfasst, auch nicht als normierte Sollbahn bezeichnet werden, da diese nicht gezielt dort eingefügt worden sind. Es ist für eine normierte Sollbahn gerade notwendig, dass Norm-Bahnsegmente gezielt gesetzt worden sind. Dies erkennt man z.B. daran, dass eine Abfolge von zwei, drei oder mehr Norm-Bahnsegmenten vorliegt oder dass zumindest nach einer scharfen Kurve oder Ecke der Sollbahn direkt eine Anzahl von Norm-Bahnsegmenten folgt.

Bevorzugt enthält eine normierte Sollbahn mehr als 10% Norm-Bahnsegmente, bevorzugt mehr als 30% oder 50%, insbesondere mehr als 70% oder 80%, bzw. bevorzugt mindestens ein Viertel oder insbesondere mehr als die Hälfte. Besonders bevorzugt folgen bei einer normierten Sollbahn zwei, drei oder mehr Norm-Bahnsegmente aufeinander, wobei diese nicht unbedingt alle gleich lang sein müssen, sondern ganzzahlige Vielfache der Normlänge haben können. Die Erzeugung von Bestrahlungs-Steuerdaten ist im Stand der Technik bekannt und wird regelmäßig bei der Umsetzung von Bauteil-Datensätzen in Steuerbefehle praktisch auf eine Art durchgeführt, dass eine Vorrichtung zur additiven Fertigung mit diesen Bestrahlungs-Steuerdaten eine Bauteilschicht mit einer Verfestigung von Aufbaumaterial erzeugen kann. Die Besonderheit besteht jedoch nun darin, dass nicht (nur) herkömmliche Sollbahnen in die Bestrahlungs-Steuerdaten eingehen, sondern (auch) normierte Sollbahnen. Es können dabei ausschließlich normierte Sollbahnen in die Bestrahlungs-Steuerdaten eingehen als auch normierte Sollbahnen und (herkömmliche) Sollbahnen zusammen. Es muss jedoch stets mindestens eine normierte Sollbahn in die Bestrahlungs-Steuerdaten eingehen, bevorzugt eine Vielzahl dieser normierten Sollbahnen.

Die Ausgabe der Bestrahlungs-Steuerdaten ist im Stand der Technik bekannt. Diese können zunächst für eine spätere Verwendung an eine Speichereinrichtung ausgegeben (und dort abgespeichert werden) und/oder (direkt) an eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils übergeben werden.

Wie bereits angedeutet wurde, wird in einem Fertigungsprozess in einem Baufeld Aufbaumaterial schichtweise, d.h. nacheinander in mehreren Materialauftragsebenen bzw. Materialschichten, aufgebaut. Bei dem Aufbaumaterial handelt es sich bevorzugt um ein Metallpulver oder zumindest um ein metallbasiertes Pulver. Ein solches Pulver enthält bevorzugt mehr als 50% Metall, insbesondere mehr als 60%, 70%, 80% oder gar mehr als 90% Metall. Die Erfindung ist aber nicht hierauf beschränkt, sondern kann auch mit anderen, vorzugsweise pulverförmigen, Aufbaumaterialien eingesetzt werden, wie z.B. Kunststoffen oder Keramik oder Mischungen der verschiedenen Materialien. Dabei wird, insbesondere jeweils zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten, Aufbaumaterial (insbesondere selektiv) verfestigt, indem eine Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem von einer Bestrahlungseinheit der Fertigungsvorrichtung erzeugten Energiestrahl erfolgt (damit ist ein energetischer Strahl aus Photonen oder Partikeln, z.B. ein Lichtstrahl oder ein Elektronenstrahl gemeint). Dabei wird nicht nur das Aufbaumaterial in der obersten, frisch aufgebrachten Materialschicht von dem Energiestrahl erfasst und auf- bzw. umgeschmolzen, sondern der Energiestrahl geht üblicherweise ein Stück tiefer in das Materialbett hinein und erreicht auch darunterliegendes, bereits umgeschmolzenes Material aus zuvor aufgetragenen Materialschichten.

Mit dem vorangehend beschriebenen Verfahren lassen sich erfindungsgemäße Bestrahlungs-Steuerdaten erzeugen, die zur Steuerung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung dienen. Wie gesagt, zeichnen sich diese Bestrahlungs-Steuerdaten dadurch aus, dass sie normierte Sollbahnen umfassen bzw. zumindest teilweise auf diesen basieren. Die Bestrahlungs-Steuerdaten umfassen darüber hinaus bevorzugt weitere Konstruktionsanweisungen wie z.B. Schichtauftrag von Aufbaumaterial und insbesondere auch das Absenken der Bauplattform zwischen der Fertigung der Bauteilschichten. Dies ist bei einer Anordnung von zwei Bauteilschichten implizit gegeben, da eine neue Bauteilschicht auf einem bereits verfestigten Bereich nur durch Auftrag von neuem Aufbaumaterial erfolgen kann. Durch diesen Auftrag ist es in der Regel notwendig, die Bauplattform abzusenken.

Es sei angemerkt, dass die Erfindung für eine komplette Bauteilschicht angewandt werden kann. Ihre besonderen Vorteile liegen jedoch dort, wo (zusammenhängende) nicht-geradlinige Bahnen vorliegen. Dies ist insbesondere im Bereich von (äußeren oder inneren) Konturen einer Bauteilschicht der Fall, im Bereich von zwiebelförmigen Bahnen oder spiralförmigen Bahnen. Insbesondere bei langen, nicht-geraden Sollbahnen hat die Erfindung den Vorteil eines sehr homogenen Energieeintrags während der Fertigung.

Bei einem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils wird in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl gemäß den erfindungsgemäßen Steuerdaten aufgebaut. Zur Erstellung von Bauteilschichten des Bauteils wird der Energiestrahl dabei gemäß den Bestrahlungs-Steuerdaten zumindest teilweise über normierte Sollbahnen geführt. Dadurch, dass diese normierten Sollbahnen Norm-Bahnsegmente aufweisen, liegt zumindest dort ein korrekter Energieeintrag bei der Fertigung vor.

Eine erfindungsgemäße Steuerdatenerzeugungsvorrichtung dient zur Generierung von erfindungsgemäßen Bestrahlungs-Steuerdaten (gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren) für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl aufgebaut wird.

Die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung umfasst die folgenden Komponenten: - eine Datenschnittstelle ausgelegt zum Empfang eines Bauteil-Datensatzes umfassend Geometriedaten zumindest einer Bauteilschicht des Bauteils und/oder umfassend einen Trajektorien-Datensatz mit Scan-Bahnsegmenten zur Herstellung einer Bauteilschicht des Bauteils,

- eine Normierungs-Einheit, ausgelegt zum Erzeugen einer Anzahl von normierten Sollbahnen aus dem Bauteil-Datensatz, wobei eine normierte Sollbahn aus Norm-Bahnseg- menten gebildet wird, deren räumliche Länge ein ganzzahliges Vielfaches einer Normlänge ist, die aus einem vorgegebenen Scan-Steuertakt der Vorrichtung bestimmt wird,

- eine Steuerdaten-Erzeugungseinheit ausgelegt zum Generieren von Bestrahlungs- Steuerdaten derart, dass die Vorrichtung zur additiven Fertigung mit diesen Bestrahlungs- Steuerdaten eine Bauteilschicht mit einer Verfestigung von Aufbaumaterial entlang der Anzahl von normierten Sollbahnen erzeugen kann,

- eine Datenschnittstelle, ausgelegt zum Ausgeben der Bestrahlungs-Steuerdaten an eine Speichereinrichtung und/oder an eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils.

Eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung dient einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld das Bauteil in Form von Bauteilschichten schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial, vorzugsweise umfassend ein metallbasiertes Pulver, mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials mit zumindest einem Energiestrahl mittels einer Bestrahlungsvorrichtung aufgebaut wird. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, die Vorrichtung zur additiven Fertigung der Bauteilschichten des Bauteils gemäß erfindungsgemäßen Bestrahlungs-Steuerdaten anzusteuern. Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Steuereinrichtung eine erfindungsgemäße Steuerdatenerzeugungsvorrichtung.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung („Fertigungsvorrichtung“) dient zur additiven Fertigung zumindest eines Bauteils in einem additiven Fertigungsprozess. Sie umfasst zumindest

- eine Zuführvorrichtung zum Aufbringen von Materialschichten von Aufbaumaterial auf ein Baufeld in einem Prozessraum,

- eine Bestrahlungsvorrichtung, um, insbesondere zwischen dem Aufbringen zweier Materialschichten, Aufbaumaterial durch Bestrahlung mit zumindest einem Energiestrahl selektiv zu verfestigen, sowie

- eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mehrere Bestrahlungsvorrichtungen aufweisen kann, die dann wie oben erwähnt entsprechend koordiniert mit den Steuerdaten angesteuert werden. Auch sei noch einmal erwähnt, dass insoweit der Energiestrahl auch aus mehreren überlagerten Energiestrahlen bestehen kann bzw. dass es sich bei dem Energiestrahl sowohl um Teilchenstrahlung als auch um elektromagnetische Strahlung, wie z. B. Licht- bzw. vorzugsweise Laserstrahlung, handeln kann.

Die Erfindung kann insbesondere in Form einer Rechnereinheit, insbesondere in einer Steuereinrichtung, mit geeigneter Software realisiert sein. Damit ist insbesondere die Erstellung der Steuerdaten gemeint, da die Fertigung eines Bauteils mittels weiterer Komponenten erfolgt. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen. Insbesondere kann sie in Form von geeigneten Softwareprogrammteilen in der Rechnereinheit realisiert sein. Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Rechnereinheiten, insbesondere in Steuereinrichtungen, von Fertigungsvorrichtungen, auf einfache Weise durch ein Software- bzw. Firmware-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Rechnereinheit ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens (zumindest diejenigen, die auf die Generierung von Steuerdaten bezogen sind, aber ggf. auch solche die zur Übermittlung der Steuerdaten für einen Fertigungsprozess dienen) auszuführen, wenn das Programm in der Rechnereinheit ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z.B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z. B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen. Zum Transport zur Rechnereinheit und/oder zur Speicherung an oder in der Rechnereinheit kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind.

Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen und Ausführungsbeispielen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.

Bei einem bevorzugten Verfahren wird die Normlänge durch Berechnung eines Weges ermittelt, der innerhalb der Zeitdauer eines Intervalls eines Scan-Steuertakts mit einer vorgegebenen Soll-Scangeschwindigkeit zurückgelegt werden kann. Bevorzugt wird der Schritt des Ermittelns der Normlänge in einem dem Fertigungsprozess vorgelagerten Schritt durchgeführt. Beispielsweise kann er im Rahmen einer Entwicklung von Prozessparameterwertesätzen für bestimmte Materialien und/oder Referenz-Bauteilgeometrien durchgeführt werden. Es ist dabei bevorzugt, dass die Normlänge N diejenige Distanz ist, die während der Zeitdauer eines Intervalls des Scan-Steuertakts T (eine Frequenz in Hz) bei einer vorgegebenen Scangeschwindigkeit v eines Energiestrahls zurückgelegt werden kann, mit N = v/T. Die vorgegebene (Soll-)Scangeschwindigkeit kann eine aus einer Geschwindigkeitskurve gemittelte Geschwindigkeit sein, auf die ein Energiestrahl beschleunigt werden soll oder gemäß der ein Energiestrahl tatsächlich beschleunigt wird, wenn eine bestimmte Wegstrecke und eine Dauer für die Zurücklegung dieser Wegstrecke für einen bestimmten Scanner (Energiestrahl-Umlenkvorrichtung) vorgegeben werden.

Es ist bevorzugt, dass die Soll-Scangeschwindigkeit in Abhängigkeit von einem gewünschten Energieeintrag und/oder einer gewünschten Pulsfrequenz des Energiestrahls und/oder einer Geometrie des Bauteils und/oder einem Qualitätskriterium und/oder einer Benutzervorgabe vorgegeben wird.

Es sei angemerkt, dass sich die Soll-Scangeschwindigkeit innerhalb einer Sollbahn oder zwischen zwei Bereichen der Bauteilschicht durchaus ändern kann. Bei einer Sollbahn, z.B. in Form eines Polygonzuges, können Norm-Bahnsegmente mit unterschiedlichen Soll-Scangeschwindigkeiten ermittelt werden. Es ist jedoch stets so, dass eine Normlänge von einer Soll-Scangeschwindigkeit abgeleitet wird, so dass innerhalb eines Bereichs einer Sollbahn, der mit derselben Soll-Scangeschwindigkeit abgefahren werden soll, dieselbe Normlänge gilt.

Eine Verbesserung des Verfahrens, insbesondere für die Fertigung geometrisch komplexer Bauteile mit einer vergleichsweise hohen Scangeschwindigkeit kann auch dadurch erreicht werden, dass die Soll-Geschwindigkeit basierend auf einem Maß einer geometrischen Komplexität gewählt wird. Ein Maß für die Komplexität eines Bereichs der Bauteilschicht kann z.B. ein Wert entsprechend einer fraktalen Dimension sein, wobei jedoch ein Minimalwert für die Skalierung größer als Null angenommen wird. Es kann zusätzlich durch eine Benutzervorgabe oder eine Voreinstellung eine Devianz vorgegeben sein, die angibt, wie groß Fertigungstoleranzen sein dürfen. Da die Normlänge bevorzugt von der Soll-Scangeschwindigkeit abhängt, kann eine normierte Sollbahn so gestaltet werden, dass in Bereichen hoher geometrischer Komplexität eine kürzere Normlänge (geringere Soll-Geschwindigkeit) verwendet wird als in regelmäßigen Bereichen. Durch die Vorgabe der Devianz kann die Soll-Geschwindigkeit jedoch insgesamt höher gewählt werden, da z.B. Feinheiten des Bauteils auch per Nachbearbeitung herausgearbeitet werden können. Es ist daher besonders bevorzugt, eine maximale geometrische Devianz der Fertigungsgenauigkeit zumindest für Bereiche eines Bauteils und/oder einer Bauteilschicht vorzugeben und im Rahmen dieser Devianz eine maximal mögliche Soll- Scangeschwindigkeit auszuwählen.

Was eine Leistung betrifft, ist im Rahmen der Erfindung bevorzugt, dass im Endergebnis eine möglichst homogene Bestrahlung der Bauteilschicht erreicht wird. Hierzu können auch die Frequenz des Energiestrahls und/oder das Absorptionsvermögen des Aufbaumaterials sowie die Soll-Scangeschwindigkeit oder der Auftreffwinkel bzw. die Intensitätsverteilung des Energiestrahls berücksichtigt werden. Mit dem Begriff „Intensitätsverteilung“ ist dabei die geometrische Form bzw. Ausdehnung des Energiestrahls in einer Schnittebene (Querschnittsfläche) senkrecht zur Strahlrichtung bzw. Strahlachse und auch die räumliche Verteilung der Intensität über der Querschnittsfläche umfasst, also insbesondere die Positionen von Maxima und Minima.

Im Hinblick auf das Qualitätskriterium ist zu beachten, dass unterschiedliche Materialien bei gleicher Bestrahlung Bauteile unterschiedlicher Qualität liefern können. Hier stellt die gewünschte Festigkeit des Bauteils oder eine Genauigkeit von Maßen ein bevorzugtes Qualitätskriterium dar.

Was eine Benutzervorgabe betrifft, können alle vorgenannten Parameter nicht unbedingt durch Voreinstellungen, sondern durch Benutzervorgaben gegeben werden. Bevorzugt umfasst jedoch die Benutzervorgabe eine Vorgabe, welche der vorangehend genannten Parameter bei der Berechnung der Normlänge berücksichtigt werden sollen. Bei einem bevorzugten Verfahren umfasst der Bauteil-Datensatz einen Trajektorien- Datensatz, welcher (wiederum) eine Anzahl von ursprünglichen Sollbahnen umfasst, wobei eine ursprüngliche Sollbahn (genau eine oder mindestens eine) aus Scan-Bahnseg- menten gebildet wird, und die normierte Sollbahn mittels Modifizieren der ursprünglichen Sollbahn durch Ersetzen einer Mehrzahl ihrer Scan-Bahnsegmente durch Norm-Bahnseg- mente erstellt wird. Es bestehen also bereits Sollbahnen (mit nicht-normierten Bahnsegmenten) und die Bahnsegmente dieser Sollbahnen werden bei der Modifizierung durch Norm-Bahnsegmente ersetzt. Dabei kann es zu Bahnabweichungen kommen, die jedoch toleriert werden. Es sollte jedoch stets dasjenige Norm-Bahnsegment verwendet werden (mit einem ganzzahligen Vielfachen der Normlänge), welches an der jeweiligen Stelle zur geringsten Abweichung von der ursprünglichen Sollbahn führt. Liegt beispielsweise eine Sollbahn mit Kurven vor, und wird mit der Modifizierung am Anfang der ursprünglichen Sollbahn begonnen, werden die Scan-Bahnsegmente der ursprünglichen Sollbahn durch eine Kette von Norm-Bahnsegmenten ersetzt. Gelangt man nun zur ersten Kurve der ursprünglichen Sollbahn, so wird geschaut, welches Norm-Bahnsegment (mit einem ganzzahligen Vielfachen der Normlänge) zur geringsten Abweichung von der ursprünglichen Sollbahn führen würde und dieses Norm-Bahnsegment eingesetzt. Das nächste Norm-Bahnsegment wird dann bevorzugt so gewählt und orientiert, dass wiederum die geringste Abweichung von der ursprünglichen Sollbahn erfolgt. Es können insbesondere lange gerade Abschnitte der ursprünglichen Sollbahn durchaus mit einem Wellenmuster aus Norm-Bahnsegmenten approximiert werden, wenn die Länge dieses geraden Abschnitts keinem ganzzahligen Vielfachen der Normlänge entspricht.

Es ist bevorzugt, dass untersucht wird, ob in der ursprünglichen Sollbahn Scan-Bahnseg- mente vorliegen, deren Länge einen vorbestimmten Grenzwert (z.B. die Normlänge oder ein ganzzahliges Vielfaches der Normlänge) unterschreitet. Diese Scan-Bahnsegmente werden dann durch Norm-Bahnsegmente ersetzt. Alternativ oder ergänzend wird von einem vorbestimmten Punkt der ursprünglichen Sollbahn startend (z.B. vom Anfang oder von einer Kurve oder Ecke aus) Scan-Bahnsegmente der ursprünglichen Sollbahn, insbesondere eine Kette von Scan-Bahnsegmenten, durch eine Kette von Norm- Bahnsegmenten ersetzt.

Generell ist bevorzugt, dass Norm-Bahnsegmente zumindest am Anfang der normierten Sollbahn vorliegen und/oder nach Ecken oder Kurven. Ketten aus mehreren Norm- Bahnsegmenten sind besonders bevorzugt. Bei einem bevorzugten Verfahren umfasst der Bauteil-Datensatz Geometriedaten zumindest einer Bauteilschicht des Bauteils. Es wird dann eine Anzahl von normierten Sollbahnen aus den Geometriedaten bestimmt, so dass die Bauteilschicht zumindest teilweise aus Norm-Bahnsegmenten aufgebaut werden kann. Dies stellt eine Alternative zur vorgenannten Modifizierung einer ursprünglichen Sollbahn dar, bei der direkt (normierte) Sollbahnen aus Geometriedaten des Bauteils bestimmt werden. Die allgemeine Vorgehensweise ist im Grunde im Stand der Technik bekannt und wird dazu eingesetzt, die vorgenannten ursprünglichen Sollbahnen zu generieren. Die Besonderheit liegt jedoch im Sinne der Erfindung darin, dass nicht mehr (nur) beliebige Bahnsegmente verwendet werden dürfen, sondern zwingend zumindest ein Teil der Bahnsegmente Norm-Bahnsegmente sein müssen.

Es kann auch der Fall auftreten, dass der Bauteil-Datensatz teilweise (ursprüngliche) Sollbahnen aufweist. Diese können dann modifiziert werden und in den anderen Bereichen direkt normierte Sollbahnen erstellt werden. Die vorangehenden Alternativen können also beide in unterschiedlichen Bereichen einer Bauteilschicht angewandt werden.

Bei einem bevorzugten Verfahren ist eine Sollbahn durch Bahnpunkte bestimmt. Die Bahnsegmente (Norm- und Scan-Bahnsegmente) entsprechen dann bevorzugt geradlinigen Wegen zwischen aufeinanderfolgenden Bahnpunkten, könnten aber auch krummlinigen Bahnsegmenten wie z.B. Kreisbogenabschnitten oder Splines entsprechen. Dabei wird im Rahmen einer (vorangehend erläuterten) Modifizierung einer ursprünglichen Sollbahn diese durch eine normierte Sollbahn (umfassend Norm-Bahnsegmente) approximiert. Alternativ oder zusätzlich (in anderen Bereichen der Bauteilschicht) wird im Rahmen einer Erstellung einer normierten Sollbahn aus Geometriedaten ein Aufbau der betreffenden Bauteilschicht zumindest teilweise aus Norm-Bahnsegmenten approximiert.

Es ist dabei bevorzugt, dass eine Sollbahn (die ursprüngliche und/oder die normierte) ein Polygonzug ist. Diese Sollbahn wurde dabei insbesondere mittels einer Triangulierung einer computergenerierten Geometrie des Bauteils und einem nachfolgenden Slicen erzeugt.

Die allgemeine Generierung von Sollbahnen ist im Stand der Technik bekannt. Dabei wird die Oberfläche eines Bauteils durch ein oder mehrere Oberflächensegmente (Patches) dargestellt, die mathematisch beschrieben sind. Im einfachsten Fall kann ein Oberflächensegment ein Dreieck oder Polygon sein, es kann sich aber auch um eine Freiformfläche oder implizite Fläche (eine mathematische Fläche im euklidischen Raum, die durch eine Gleichung der Form F(x,y,z) = 0 beschrieben wird) handeln. Für die Oberflächensegmente werden die Schnittkurven mit der Belichtungsebene bestimmt. Falls dies analytisch nur schwer oder nicht möglich ist, kann aber auch eine Approximation (z.B. als Polygonzug) dieser Schnittkurven bestimmt werden. Nicht im Stand der Technik bekannt ist, dass diese Approximation mittels Norm-Bahnsegmenten erfolgt. Schließt die Bauteiloberfläche ein Volumen ein (was nicht immer der Fall sein muss), dann werden die Schnittkurven einer zusammengesetzten geschlossenen Bauteiloberfläche in ihrer Reihenfolge so sortiert und aneinandergehängt, dass eine geschlossene Kurve entsteht, d.h. Schnittkurven aus benachbarten Oberflächensegmenten werden wieder aneinandergehängt. Zur Berücksichtigung der Breite einer Schmelzbahn kann die Sollbahn in der Belichtungsebene im Rahmen eines „Beam-Offsets“ in Richtung der Normalen der Sollbahn (die senkrecht zur Sollbahn in der Belichtungsebene liegt) versetzt werden. Dieser Schritt kann mit den Schnittkurven vor der Approximation durchgeführt werden, wodurch bei der Approximation die Normlänge berücksichtigt werden kann. Alternativ kann dieser Schritt mit den bereits approximierten Bahnsegmenten durchgeführt werden, wobei dann die Normierung erst nach der Berechnung des Versatzes erfolgt, da sich durch den Versatz die Länge der Bahnsegmente ändert.

Es können selbstverständlich Zusatzschritte erfolgen. Bei Modifizierung einer ursprünglichen Sollbahn liegt diese in einer Weise vor, dass sie vom Energiestrahl zur Herstellung des Bauteils abgescannt werden kann. Wenn mit Geometriedaten gearbeitet wird, könnten fertige Slices geladen werden oder die normierten Sollbahnen können direkt aus CAD-Daten erzeugt werden. Die Bahn wird dann oftmals noch „geoffsettet“, da sie aufgrund der Breite des Energiestrahls z.B. nicht direkt an einem Rand verlaufen sollte.

Bei einem bevorzugten Verfahren ist eine Anzahl von Bahnpunkten einer ursprünglichen Sollbahn oder eine Anzahl von Punkten in Geometriedaten als eine entsprechende Anzahl von Bahn-Fixpunkten vorbestimmt. Diese Bahn-Fixpunkte sind Punkte, an denen die normierte Sollbahn verlaufen soll. Es soll also dort keine Abweichung von der ursprünglichen Sollbahn geben bzw. soll die normierte Sollbahn zumindest an einem Bahn- Fixpunkt auf der ursprünglichen Sollbahn liegen. Dabei werden die Norm-Bahnsegmente auf eine Weise in der normierten Sollbahn angeordnet, dass sie die Anzahl von Bahn- Fixpunkten berühren und insbesondere dort entspringen und/oder dort enden. Bei einem bevorzugten Verfahren liegt in einem Bahnabschnitt einer Sollbahn ein eingeschlossener Winkel vor, welcher einen vorbestimmten Grenzwinkel unterschreitet oder es liegt eine Kurve vor, deren Kurvenradius einen bestimmten Grenzradius unterschreitet. In diesem Fall ist bevorzugt, dass der Verlauf der normierten Sollbahn mit Scan- Bahnsegmenten gebildet wird, deren Länge sich von einem ganzzahligen Vielfachen der Normlänge unterscheidet und insbesondere kürzer als die Normlänge ist. Dort werden also keine Norm-Bahnsegmente verwendet.

Bei einem bevorzugten Verfahren wird der Verlauf einer normierten Sollbahn in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Bahnbreite einer bei der Fertigung der betreffenden Bauteilschicht entlang dieser normierten Sollbahn verfestigten Verfestigungsbahn bestimmt. Es wird also im Vorfeld die Bahnbreite einer Verfestigungsbahn ermittelt, die auf einer solchen Sollbahn entstehen würde. Dazu wird im Grunde nur Fachwissen (oder ein Versuch) benötigt, wie eine Verfestigungsbahn aussieht, die mit der vorgegebenen Soll-Scangeschwindigkeit und Strahlintensität (ggf. auch Pulsmodus) entstehen würde. Mit diesem Wissen kann dann z.B. sehr einfach ermittelt werden, welche Lage die (normierten) Sollbahnen haben sollen. Der Abstand zweier benachbarter normierter Sollbahnen ist dabei bevorzugt im Wesentlichen kleiner als die Bahnbreite und der Abstand einer normierten Sollbahn zum Rand der Bauteilschicht ist bevorzugt kleiner oder gleich der halben Bahnbreite. Der Ausdruck „im Wesentlichen“ bedeutet dabei, dass die zumindest für 60% des jeweiligen Bahnverlaufs gelten soll, insbesondere für mindestens 80%.

Es ist dabei bevorzugt, dass bei einer Modifizierung einer ursprünglichen Sollbahn (s.o.), wenn diese am Rand der Bauteilschicht verläuft, Norm-Bahnsegmente, welche Scan- Bahnsegmente dieser ursprünglichen Sollbahn ersetzen, zwischen der ursprünglichen Sollbahn und dem Rand oder auf der ursprünglichen Sollbahn verlaufen. Es soll also kein Material am Rand fehlen, sondern höchstens zu viel Material dort vorliegen, da eine nachträgliche Abtragung von Material einfacher ist als eine nachträgliche Hinzufügung von Material.

Bei einem bevorzugten Verfahren werden zusätzlich zum Bauteil-Datensatz weitere Bestrahlungs-Steuerdaten bereitgestellt, welche Daten dazu umfassen, an welchen Bereichen der Bahnsegmente der Energiestrahl der Vorrichtung eingeschaltet und ausgeschaltet ist oder gepulst eingesetzt wird und/oder welche Leistung der Energiestrahl haben soll. Bei einer bevorzugten Modifizierung von Scan-Bahnsegmenten werden dann bevorzugt die weiteren Bestrahlungs-Steuerdaten zusätzlich (passend) modifiziert. Dies bedeutet insbesondere, dass die Passagen, an denen der Energiestrahl angeschaltet ist, an die entsprechenden Norm-Bahnsegmente angepasst werden.

Diese Ausführungsform erlaubt eine Optimierung der Fertigung des Bauteils, da insbesondere bei Kenntnis der gewünschten Leistung des Energiestrahls auch bekannt ist, welche Bereiche der Bauteilschicht möglichst homogen bestrahlt werden sollen. Zwar sorgt das erfindungsgemäße Verfahren durch die Anwendung der Norm-Bahnsegmente grundsätzlich für eine homogene Bestrahlung, jedoch kann es durchaus vorkommen, dass sich die Normlänge von Norm-Bahnsegmenten ändert, z.B. in Bereichen, in denen fertigungsbedingt eine andere Soll-Scangeschwindigkeit angewandt wird. Insbesondere ist zu beachten, dass es bekannte, von der Fertigungsvorrichtung abhängige Änderungen der Soll- Scangeschwindigkeit geben kann, wie z.B. ein Abbremsen vor scharfen Kurven oder Ecken zur Kompensation des Scanner-Schleppverzugs. Im Folgenden wird eine vorteilhafte Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, welches eine besonders homogene Fertigung ermöglicht.

Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird die Leistung des Energiestrahls in Abhängigkeit zu der jeweiligen Länge von Bahnsegmenten gesteuert, so dass die Leistung des Energiestrahls für längere Bahnsegmente größer ist als für kürzere Bahnsegmente. Da die längeren Bahnsegmente bei der Fertigung häufig mit einer größeren real angewandten Fertigungs-Scangeschwindigkeit durchfahren werden als die kürzeren und somit pro Zeiteinheit bei einer identischen Leistung unterschiedlich viel Energie pro Fläche eingetragen würde, erlaubt dieser Schritt einen homogeneren Energieeintrag auf die Bauteilfläche. Die genaue Art der Steuerung der Leistung kann durch Berechnungen oder durch Tests festgelegt werden. Bevorzugt wird die Leistung des Energiestrahls so gesteuert, dass bei einer Fertigung auf allen relevanten Bahnsegmenten gleichviel Energie in das Aufbaumaterial eingetragen wird. Selbstverständlich können in einer Bauteilschicht unterschiedliche Bereiche mit einem unterschiedlichen gewünschten Energieeintrag gewählt werden. Die vorangehenden Überlegungen gelten dann innerhalb eines solchen Bereichs.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur additiven Fertigung, Figur 2 ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Figur 3 ein Beispiel für eine ursprüngliche Sollbahn gemäß dem Stand der Technik,

Figur 4 ein Beispiel für eine normierte Sollbahn, welche mittels des Verfahrens gemäß der Erfindung generiert wurde,

Figur 5 ein Beispiel für eine normierte Sollbahn am Rand einer Bauteilschicht,

Figur 6 ein Beispiel für eine normierte Sollbahn mit einem Fix-Bahnpunkt,

Figur 7 Beispiele für normierte Sollbahnen, die durch Modifizierung einer ursprünglichen Sollbahn erstellt wurden.

Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung von Bauteilen in Form einer selektiven Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung beschrieben, wobei explizit noch einmal darauf hingewiesen ist, dass die Erfindung nicht auf selektive Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtungen beschränkt ist. Die Vorrichtung wird im Folgenden - ohne eine Beschränkung der Allgemeinheit - daher kurz als „Fertigungsvorrichtung“ 1 bezeichnet.

Eine solche Fertigungsvorrichtung 1 ist schematisch in Figur 1 gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Prozesskammer 3 bzw. einen Prozessraum 3 mit einer Kammerwandung 4 auf, in der im Wesentlichen der Fertigungsprozess abläuft. In der Prozesskammer 3 befindet sich ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6. Die obere Öffnung des Behälters 5 bildet die jeweils aktuelle Arbeitsebene 7. Der innerhalb der Öffnung des Behälters 5 liegende Bereich dieser Arbeitsebene 7 kann zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden und wird daher als Baufeld 8 bezeichnet.

Der Behälter 5 weist eine in einer vertikalen Richtung V bewegliche Grundplatte 11 auf, die auf einem Träger 10 angeordnet ist. Diese Grundplatte 11 schließt den Behälter 5 nach unten ab und bildet damit dessen Boden. Die Grundplatte 11 kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein, sie kann aber auch eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein und an dem Träger 10 befestigt oder auf diesem einfach gelagert sein. Je nach Art des konkreten Aufbaumaterials, also beispielsweise des verwendeten Pulvers, und des Fertigungsprozesses kann auf der Grundplatte 11 eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Grundsätzlich kann das Objekt 2 aber auch auf der Grundplatte 11 selber aufgebaut werden, die dann die Bauunterlage bildet.

Der grundsätzliche Aufbau des Objekts 2 erfolgt, indem eine Schicht Aufbaumaterial 13 zunächst auf die Bauplattform 12 aufgebracht wird, dann - wie später erläutert - mit einem Laserstrahl 22 als Energiestrahl an den Punkten, welche Teile des zu fertigenden Objekts 2 bilden sollen, das Aufbaumaterial 13 selektiv verfestigt wird, dann mit Hilfe des Trägers 10 die Grundplatte 11, somit die Bauplattform 12 abgesenkt wird und eine neue Schicht des Aufbaumaterials 13 aufgetragen und selektiv verfestigt wird usw. In Figur 1 ist das in dem Behälter auf der Bauplattform 12 aufgebaute Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt. Es weist bereits mehrere verfestigte Schichten auf, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13. Als Aufbaumaterial 13 können verschiedene Materialien verwendet werden, vorzugsweise Pulver, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver oder auch pastöse Materialien sowie optional eine Mischung mehrerer Materialien.

Frisches Aufbaumaterial 15 befindet sich in einem Vorratsbehälter 14 der Fertigungsvorrichtung 1. Mit Hilfe eines in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichters 16 kann das Aufbaumaterial in der Arbeitsebene 7 bzw. innerhalb des Baufelds 8 in Form einer dünnen Schicht aufgebracht werden.

Optional befindet sich in der Prozesskammer 3 eine zusätzliche Strahlungsheizung 17. Diese kann zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 13 dienen, so dass die für die selektive Verfestigung genutzte Bestrahlungseinrichtung nicht zu viel Energie einbringen muss. Das heißt, es kann beispielsweise mit Hilfe der Strahlungsheizung 17 schon eine Menge an Grundenergie in das Aufbaumaterial 13 eingebracht werden, welche natürlich noch unterhalb der notwendigen Energie ist, bei der das Aufbaumaterial 13 verschmilzt oder sintert. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler oder VCSEL-Strahler genutzt werden.

Zum selektiven Verfestigen weist die Fertigungsvorrichtung 1 eine Bestrahlungsvorrichtung 20 bzw. konkret Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21 auf. Dieser Laser 21 erzeugt einen Laserstrahl 22, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt wird, um so die gemäß der Belichtungsstrategie vorgesehenen Belichtungspfade oder Spuren (Hatchlinien / Scanvektoren) in der jeweils selektiv zu verfestigenden Schicht abzufahren und selektiv die Energie einzubringen. Weiter wird dieser Laserstrahl 22 durch eine Fokussiereinrichtung 24 auf die Arbeitsebene 7 in geeigneter Weise fokussiert. Die Bestrahlungsvorrichtung 20 befindet sich hier vorzugsweise außerhalb der Prozesskammer 3 und der Laserstrahl 22 wird über ein an der Oberseite der Prozesskammer 3 in der Kammerwandung 4 angebrachtes Einkoppelfenster 25 in die Prozesskammer 3 geleitet.

Die Bestrahlungsvorrichtung 20 kann beispielsweise nicht nur einen, sondern mehrere Laser umfassen. Vorzugsweise kann es sich hierbei um Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z. B. Laserdioden handeln, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) oder eine Zeile dieser Laser. Ganz besonders bevorzugt können im Rahmen der Erfindung ein oder mehrere unpolarisierte Single-Mode-Laser, z. B. ein 3 kW-Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1070 nm, eingesetzt werden.

Zur Steuerung der Einheiten der Fertigungsvorrichtung 1 dient eine Steuereinrichtung 30 umfassend eine Steuereinheit 29, welche die Komponenten der Bestrahlungsvorrichtung 20, nämlich hier den Laser 21, die Umlenkvorrichtung 23 und die Fokussiervorrichtung 24, ansteuert und hierzu an diese entsprechend Prozesssteuerdaten PS übergibt.

Die Steuereinheit 29 steuert auch mittels geeigneter Heizungssteuerdaten HS die Strahlungsheizung 17 an, mittels Beschichtungssteuerdaten ST den Beschichter 16 und mittels Trägersteuerdaten TS die Bewegung des Trägers 10 und steuert somit die Schichtdicke.

Die Steuereinrichtung 30 ist, hier z.B. über einen Bus 60 oder eine andere Datenverbindung, mit einem Terminal 40 mit einem Display oder dergleichen gekoppelt. Über dieses Terminal 40 kann ein Bediener die Steuereinrichtung 30 und somit die gesamte Lasersintervorrichtung 1 steuern, z. B. durch Übermittlung von Prozesssteuerdaten PS.

Um den Produktionsprozess zu optimieren, werden mittels einer Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 in der erfindungsgemäßen Weise die Steuerdaten PS so generiert bzw. so modifiziert, dass die Ansteuerung der Vorrichtung 1 zumindest zeitweise in einem erfindungsgemäßen Modus erfolgt. Die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 umfasst hier eine Datenschnittstelle 35 ausgelegt zum Empfang eines Bauteil-Datensatzes TD. Dieser Bauteil-Datensatz TD umfasst hier Geometriedaten der Bauteilschichten des Bauteils 2 oder einen Trajektorien- Datensatz TD, wie in den folgenden Figuren gezeigt, mit Scan-Bahnsegmenten B zur Herstellung einer Bauteilschicht des Bauteils 2.

Neben der Datenschnittstelle 35 umfasst die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 eine Normierungs-Einheit 36, ausgelegt zum Erzeugen einer Anzahl von normierten Sollbahnen T2 aus dem Bauteil-Datensatz TD, z.B. durch Modifizierung von Trajektorien- Datensätzen TD wie in den folgenden Figuren gezeigt wird. Dabei wird eine normierte Sollbahn T2 aus Norm-Bahnsegmenten nB gebildet, deren räumliche Länge ein ganzzahliges Vielfaches einer Normlänge N ist, die wiederum aus einem vorgegebenen Scan-Steuertakt der Vorrichtung 1 bestimmt wird.

Des Weiteren umfasst die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 eine Steuerdaten- Erzeugungseinheit 37, welche zum Generieren von Bestrahlungs-Steuerdaten BS ausgelegt ist, die Teil der Prozesssteuerdaten PS sind.

Die vorgenannte Datenschnittstelle 35 ist hier zusätzlich dazu ausgelegt, dass über sie die Bestrahlungs-Steuerdaten BS an die Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines Bauteils 2 ausgegeben werden können. Es kann dazu aber auch eine separate Datenschnittstelle verwendet werden.

Es ist auch möglich, dass die Steuerdatenerzeugungsvorrichtung 34 auf einer externen Rechnereinheit, beispielsweise dem Terminal 40, realisiert ist und vorab bereits Prozesssteuerdaten PS mit entsprechend passenden Bestrahlungs-Steuerdaten BS erzeugt, mit denen die Vorrichtung 1 dann angesteuert wird. Diese Prozesssteuerdaten PS, bzw. Bestrahlungs-Steuerdaten BS, können dann bis zu ihrem Einsatz auf einem Speicher der Rechnereinheit abgespeichert werden.

Es wird an dieser Stelle auch noch einmal darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Fertigungsvorrichtung 1 beschränkt ist. Sie kann auf andere Verfahren zum generativen bzw. additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials angewendet werden, wobei ein Energiestrahl zum Verfestigen auf das zu verfestigende Aufbaumaterial abgegeben wird. Dementsprechend kann auch die Bestrahlungsvorrich- tung nicht nur, wie hier beschrieben, ein Laser sein, sondern es könnte jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie als Wellen- oder Teilchenstrahlung selektiv auf bzw. in das Aufbaumaterial gebracht werden kann. Beispielsweise könnte anstelle eines Lasers eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl etc. verwendet werden.

Auch wenn in Figur 1 nur ein einzelnes Objekt 2 bzw. Bauteil 2 dargestellt wird, ist es möglich und in der Regel auch üblich, mehrere Objekte in der Prozesskammer 3 bzw. im Behälter 5 parallel herzustellen. Dazu wird das Aufbaumaterial schichtweise an Stellen, die den Querschnitten der Objekte in der jeweiligen Schicht entsprechen, durch den Energiestrahl 22 abgetastet.

Figur 2 zeigt ein Blockdiagramm eines möglichen Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Generierung von Bestrahlungs- Steuerdaten BS für eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines Bauteils 2 in einem Fertigungsprozess, in welchem in einem Baufeld 8 das Bauteil 2 schichtweise durch selektive Verfestigung von Aufbaumaterial 13 mittels Bestrahlung des Aufbaumaterials 13 mit zumindest einem Energiestrahl 22 aufgebaut wird.

In Schritt I wird ein Bauteil-Datensatz TD bereitgestellt, der Geometriedaten zumindest einer Bauteilschicht des Bauteils 2 und/oder umfassend einen Trajektorien-Datensatz TD mit Scan-Bahnsegmenten B zur Herstellung einer Bauteilschicht des Bauteils 2 umfasst. Dies wird hier mit einem Trajektorien-Datensatz TD mit einer ursprünglichen Sollbahn T1 symbolisiert.

In Schritt II werden normierte Sollbahnen T2 aus dem Bauteil-Datensatz TD erzeugt, hier durch Modifizierung von ursprünglichen Sollbahnen T1. Eine normierte Sollbahn T2 wird dabei aus Norm-Bahnsegmenten nB gebildet, deren räumliche Länge ein ganzzahliges Vielfaches einer Normlänge N ist, die aus einem vorgegebenen Scan-Steuertakt der Vorrichtung 1 bestimmt wird.

Die Normlänge N kann z.B. so festgelegt werden, dass zunächst eine Soll-Scangeschwindigkeit v1, v2 (s. z.B. Figur 7) ermittelt wird, z. B. in Abhängigkeit eines Prozessfensters zur Verarbeitung eines bestimmten Aufbaumaterials und/oder einer maximalen Scannerdynamik und/oder eines Produktivitätskriteriums und/oder eines Fertigungsqualitätskriteriums, und die Strecke berechnet wird, die ein Energiestrahl zurücklegen würde, der über die Zeitdauer eines Scan-Steuertaktes (oder einem ganzzahligen Vielfachen von Scan- Steuertakten) mit dieser Scangeschwindigkeit v1 , v2 über ein Baufeld 8 geführt würde.

In Schritt III werden Bestrahlungs-Steuerdaten BS generiert und zwar derart, dass eine Fertigungsvorrichtung 1 , wie z.B. in Figur 1 gezeigt, mit diesen Bestrahlungs-Steuerdaten BS Bauteilschichten mit einer Verfestigung von Aufbaumaterial 13 entlang der Anzahl von normierten Sollbahnen T2 erzeugen kann. Nun kann z.B. untersucht werden, ob in der ursprünglichen Sollbahn T1 Scan-Bahnsegmente B vorliegen, deren Länge die Normlänge oder ein ganzzahliges Vielfaches dieser Normlänge unterschreitet. Diese Scan- Bahnsegmente B werden dann durch Norm-Bahnsegmente nB ersetzt. Besser ist es aber, wenn von einem vorbestimmten Punkt der ursprünglichen Sollbahn T1 startend eine Kette von Scan-Bahnsegmenten B der ursprünglichen Sollbahn T1 durch eine Kette von Norm- Bahnsegmenten nB ersetzt wird, wie in den nachfolgenden Figuren gezeigt wird.

In Schritt IV werden diese Bestrahlungs-Steuerdaten BS dann an eine Speichereinrichtung und/oder an eine Fertigungsvorrichtung 1 ausgegeben.

Figur 3 zeigt ein Beispiel für eine ursprüngliche Sollbahn T1 gemäß dem Stand der Technik, welche durch Bahnpunkte bestimmt ist und deren Scan-Bahnsegmente B geradlinigen Wegen zwischen aufeinanderfolgenden Bahnpunkten entsprechen. Das Abfahren dieser Scan-Bahnsegmente B, die unterschiedliche Längen haben, dauert für jedes Scan-Bahnsegment B eine individuelle Zeit, die hier angezeigt wird.

Figur 4 zeigt ein Beispiel für eine normierte Sollbahn T2, welche im Rahmen einer Modifizierung der ursprünglichen Sollbahn T1 aus Figur 3 entstand, die hier noch punktiert angedeutet ist. Diese normierte Sollbahn T2 weist Norm-Bahnsegmente nB auf, die alle eine Normlänge N aufweisen und deren Abfahren eine festgelegte Zeit erfordert, die durch den Scan-Steuertakt vorgegeben ist. Wie man sehen kann, approximiert die normierte Sollbahn T2 die ursprüngliche Sollbahn T1 lediglich und liegt nicht an allen Stellen genau auf der ursprünglichen Sollbahn T1 (Pfeile).

Figur 5 zeigt ein Beispiel für eine normierte Sollbahn T2 am Rand R einer Bauteilschicht. Im Unterschied zu Figur 4, bei der Norm-Bahnsegmente nB über und unter der ursprünglichen Sollbahn T1 liegen, sind nun Norm-Bahnsegmente nB immer zum Rand hin angeordnet, wenn die normierte Sollbahn T1 von der ursprünglichen Sollbahn T1 abweicht. Der Grund dafür ist, dass der Rand des Bauteils zwar leicht durch Abnehmen von Material nachbearbeitet werden kann, jedoch eine Hinzufügung von Material schwieriger ist.

Figur 6 zeigt ein Beispiel für eine normierte Sollbahn T2 mit einem Fix-Bahnpunkt F. Dieser Fix-Bahnpunkt F wurde bereits auf der ursprünglichen Sollbahn T1 festgelegt und stellt einen Punkt dar, an dem ein Bahnsegment B, nB enden soll. Bei der normierten Sollbahn T2 wird dazu kein Norm-Bahnsegment nB verwendet, sondern ein kürzeres Scan-Bahnsegment B, um diesen Fix-Bahnpunkt zu F erreichen. Danach wird von diesem Fix-Bahnpunkt F aus mit Norm-Bahnsegmenten nB fortgefahren.

Figur 7 zeigt Beispiele für normierte Sollbahnen T2, die durch Modifizierung einer ursprünglichen Sollbahn T1 erstellt wurden. Rechts oben und unten sind zwei Möglichkeiten für normierte Sollbahnen T2 dargestellt, die sich bei unterschiedlichen Scangeschwindigkeiten V1, V2 ergeben können. Oben ist die Scangeschwindigkeit v1 größer und unten ist die Scangeschwindigkeit v2 kleiner, was oben zu größeren Normlängen N führt. Entsprechend der unterschiedlichen Normlängen N wird der Verlauf der ursprünglichen Sollbahn T1 auch unterschiedlich approximiert.

Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel könnte eine Verfestigung anstatt mit Laserlicht auch mit anderen Energiestrahlen erfolgen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können. Der Ausdruck "eine Anzahl" ist als "mindestens ein(e)" zu verstehen. Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung zur additiven Fertigung / Lasersintervorrichtung

2 Bauteil / Objekt

3 Prozessraum / Prozesskammer

4 Kammerwandung

5 Behälter

6 Behälterwandung

7 Arbeitsebene

8 Baufeld

10 Träger

11 Grundplatte

12 Bauplattform

13 Aufbaumaterial (im Behälter 5)

14 Vorratsbehälter

15 Aufbaumaterial (im Vorratsbehälter 14)

16 Beschichter

17 Strahlungsheizung

20 Bestrahlungsvorrichtung / Belichtungsvorrichtung

21 Laser

22 Laserstrahl / Energiestrahl

23 Umlenkvorrichtung / Scanner

24 Fokussiereinrichtung

25 Einkoppelfenster

29 Steuereinheit

30 Steuereinrichtung

31 Bestrahlungssteuerschnittstelle

34 Steuerdatenerzeugungsvorrichtung

35 Datenschnittstelle

36 Normierungs-Einheit

37 Steuerdaten-Erzeugungseinheit

40 Terminal

60 Bus

B Scan-Bahnsegment nB Norm-Bahnsegment

BS Bestrahlungs-Steuerdaten F Bahn-Fixpunkt

H horizontale Richtung

HS Heizungssteuerdaten

N Normlänge PS Prozesssteuerdaten / Steuerdaten

R Rand

SB Prozessraum-Sensordatensatz

ST Beschichtungssteuerdaten

T1 ursprüngliche Sollbahn T2 normierte Sollbahn

TD Trajektorien-Datensatz / Bauteildatensatz

TS T rägersteuerdaten

V vertikale Richtung v1 , v2 Soll-Parameter / Scangeschwindigkeit