[go: up one dir, main page]

WO2018184725A1 - Verfahren zur additiven fertigung eines dreidimensonalen bauteils und verfahren zur berechnung einer scanstrategie zwecks entsprechender ansteuerung einer anlage zur additiven fertigung eines dreidimensionalen bauteils - Google Patents

Verfahren zur additiven fertigung eines dreidimensonalen bauteils und verfahren zur berechnung einer scanstrategie zwecks entsprechender ansteuerung einer anlage zur additiven fertigung eines dreidimensionalen bauteils Download PDF

Info

Publication number
WO2018184725A1
WO2018184725A1 PCT/EP2018/000157 EP2018000157W WO2018184725A1 WO 2018184725 A1 WO2018184725 A1 WO 2018184725A1 EP 2018000157 W EP2018000157 W EP 2018000157W WO 2018184725 A1 WO2018184725 A1 WO 2018184725A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat dissipation
trajectories
dissipation capability
component
isolines
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/000157
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2018184725A8 (de
Inventor
Vasily Ploshikhin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AMSIS GMBH
Original Assignee
AMSIS GMBH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by AMSIS GMBH filed Critical AMSIS GMBH
Publication of WO2018184725A1 publication Critical patent/WO2018184725A1/de
Publication of WO2018184725A8 publication Critical patent/WO2018184725A8/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264—Arrangements for irradiation
    • B29C64/277—Arrangements for irradiation using multiple radiation means, e.g. micromirrors or multiple light-emitting diodes [LED]
    • B29C64/282—Arrangements for irradiation using multiple radiation means, e.g. micromirrors or multiple light-emitting diodes [LED] of the same type, e.g. using different energy levels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B29C64/393—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/40—Structures for supporting workpieces or articles during manufacture and removed afterwards
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/41—Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for the additive production of a three-dimensional component from a plurality of component layers by multiple incremental, in particular layer by layer, adding powder, wire or tape, in particular metallic, component starting material and, in particular incremental, shaping solidification by each selective melting and / or Sintering of the component starting material by means of a heat quantity introduced by at least one energy source, in particular locally, in accordance with a scanning strategy, and a method for calculating a scanning strategy for the purpose of corresponding activation of a system for the additive production of a three-dimensional component.
  • component is also intended to mean a component including a building board (base plate) and a support structure (s).
  • base plate building board
  • s support structure
  • B. a manufactured in a construction job in a space construct, the e.g. of several, e.g. identical, individual components may consist.
  • the energy source for example, an arc, a plasma jet, a laser beam, electron beam or the like may be used.
  • CONFIRMATION COPY Additive manufacturing processes may be, in particular, a jet-based additive manufacturing process, such as selective laser melting or selective electron beam melting.
  • the component starting material can be made of metal, plastic or ceramic. It can also be, for example, a powder, a powder cored wire or filler band.
  • the additive manufacturing process which is also referred to as a generative manufacturing process, may be, for example, arc, plasma, laser and electron beam deposition welding and general build-up welding, in particular powder coating, laser and electron beam melting, laser sintering and all other processes in which material is selectively applied in the melt to generate a component.
  • the trajectories of the energy input in particular the heat input, designed mainly purely geometrically.
  • a subdivision of the layer geometry to be generated into individual, usually rectangular segments takes place.
  • equidistant rectilinear trajectories (called exposure vectors or scan vectors) are laid out parallel to the segment boundaries.
  • the actual energy or heat input takes place, for example, by a laser along an exposure vector.
  • several exposure vectors within a segment are generated one after the other. In other words, the amount of energy or heat is introduced by means of a scanning strategy.
  • scan strategy is intended here primarily to describe the consolidation of a defined area in a layer of a component starting material with the already generieten (consolidated) part of the component by fusion, welding, sintering or solidification by means of at least one moving (in particular punctiform) Energy source under consideration of deflection paths or exposure paths (scan pattern) and beam parameters and the time dependence of Deflection paths and directional dependence of the deflection to produce desired component and structural properties to be meant.
  • the scan strategy includes a scan pattern. This is the geometric description of the deflection paths or connecting lines of successive energy inputs, for example when pulsing, for solidifying the component contour and / or the component cross section by means of at least one beam or another heat source.
  • thermal build-up and, in particular, local overheating can occur due to the layered structure and the local energy input, in particular close to component edges, which can impair the component quality and in particular the surface of the component due to sintering effects lead to undesirable local deformations (delay).
  • the present invention is therefore based on the object to provide a method for the additive production of a three-dimensional component with which components can be manufactured in a better quality.
  • this object is achieved in the generic method in that the design of the trajectories and / or the order and / or direction of the trajectories of heat input on the basis of, in particular simulation-based, local heat dissipation capability or based on a function thereof in a respective component layer ,
  • the determination of the local heat dissipation capability is described in DE 102016120998.8 Ai, the disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety.
  • the local heat dissipation capability characterizes the ability of a device area to carry heat to the interior of the device.
  • At least a portion of the trajectories of the heat input along isolines or quasi-isolines of the determined local heat dissipation capability is designed. Quasi-isolines are intended to mean lines that are quite close to isolines. The resulting traces of consolidation will be cooled more evenly, which will lead to a reduction in local residual stress and local distortion. The expected same thermal conditions along the entire trajectory ensure better local process stability (e.g., maintenance of the constant melt pool in selective laser melting).
  • a trajectory represents a consolidation trace such as a fuse track / weld path in selective laser melting of metallic materials or a solidified wire trace in the fused deposition modeling of thermoplastics.
  • This track has a certain width, which depends on the process parameters (eg power of the beam and its speed).
  • the individual traces of consolidation are advantageously designed so that they touch or overlap, so that the entire consolidated component layer is completely sealed. Therefore, advantageously, the trajectories representing a center line of these tracks should be designed with a distance such that the corresponding tracks intersect at a predetermined degree. In particular, it may be provided that the trajectories are self-contained lines. The trajectories are advantageously designed along the isolines.
  • the isolines when they are completely inside the component, are always self-contained.
  • the trajectories along these isolines may be self-contained, but need not.
  • the isolines that come to a component boundary are not self-contained. Accordingly, the trajectories along these isolines are not self-contained.
  • the trajectories are designed such that at least a portion of the heat input trajectory begins at one isoline having a particular value of local heat sink capability and ends at another isoline with a different local heat sink capability value.
  • the trajectories of the heat input are scanned from isolines having a low value of local heat dissipation capability to isolines having a higher value of local heat dissipation capability.
  • the time interval between successive trajectories is reduced.
  • the heat input is increased in the transition to the next consecutive trajectory by increasing the power of the power source and / or reducing the speed of the power source.
  • the trajectories of heat input are scanned from isolines having a higher value of local heat dissipation capability to isolines having a lower value of local heat dissipation capability.
  • the time interval between successive trajectories is increased.
  • the heat input is reduced in the transition to the next successive trajectory by reducing the power of the power source and / or increasing the speed of the power source.
  • the direction of scanning of individual trajectories of the heat input is determined based on the values of the local gradient of the heat dissipation capability.
  • the trajectories of the heat input are generated in the direction of a higher value of the gradient of the local heat dissipation capability.
  • the component layer is produced by means of a plurality of energy sources acting simultaneously in different locations of the component layer, in particular with a plurality of lasers or with a locally split light source.
  • At least one pair of consecutively following trajectories is generated simultaneously from the sequence for generating the trajectories with the aid of two different energy sources.
  • the present invention also provides a method for the calculation of a scanning strategy for the corresponding control of a system for additive manufacturing of a three-dimensional component, wherein the design and / or the order and / or the direction of the trajectories (TT 2 ; T c ) of the heat input based on a , in particular simulation-based, determined local heat dissipation capability or based on a function of the same takes place in a respective component layer.
  • the trajectories of the heat input along isolines or quasi-isolines of the determined local heat dissipation capability is designed.
  • the trajectories are designed such that at least a portion of the heat input trajectory begins at one isoline having a particular value of local heat sink capability and ends at another isoline with a different local heat sink capability value.
  • a component layer is segmented on the basis of a local heat dissipation capability and a trajectory is applied within the boundaries of one of the segments of this component layer.
  • isolines or quasi-isolines or points are selected at an isoline of local heat dissipation capability to confine a segment.
  • At least part of the segment boundaries is aligned in the direction of the gradient of the heat dissipation capability or substantially perpendicular to the isolines or quasi isolines of the local heat dissipation capability.
  • a trajectory of the heat input is assigned an area around this trajectory as a consolidation area.
  • the consolidation range is defined based on a calculation of the thermal field from a moving energy source along the trajectory of the heat input.
  • the consolidation range of a trajectory is defined as an area in which the temperatures have reached a certain predetermined value, in particular the value of the melting temperature of the consolidated material.
  • the consolidation areas of the adjacent trajectories overlap.
  • the consolidation areas of all trajectories in the respective component layer cover the area of these component layers without gaps.
  • the trajectories of the heat input are designed starting from isolines with a low value of the local heat dissipation capability to isolines with a higher value of the local heat dissipation capability.
  • the trajectories of heat input are laid out from isolines having a higher value of local heat dissipation capability to isolines having a lower value of local heat dissipation capability.
  • the direction of scanning of individual trajectories of the heat input is determined based on the values of the local gradient of the heat dissipation capability.
  • the trajectories of the heat input are designed in the direction of a higher value of the gradient of the local heat dissipation capability.
  • the present invention provides a system for additive production of a three-dimensional component of several component layers by multiple incremental, especially layer by layer, adding powdered, wire or strip, in particular metallic, component starting material and, in particular incremental, shaping consolidating the component starting material by each selective melting and / or sintering by means of an amount of heat introduced by at least one energy source, in particular locally, in accordance with a scanning strategy a construction space housing with a construction platform for supporting one or more powder-bed-based additive to be manufactured component / components,
  • a layer preparation device for preparing respective powder layers on the build platform
  • an irradiation device for irradiating the respectively last-prepared powder layer on the building platform
  • control device for controlling the irradiation device according to a method according to one of claims 1 to 28.
  • the present invention also provides one or more computer-readable media that includes computer-executable instructions that, when executed by a computer, cause the computer to perform the method of any one of claims 1 to 28 to perform.
  • the present invention is based on the surprising finding that, by designing the trajectories and / or the chronological sequence of the heat input of the scanning strategy on the basis of a local, in particular simulation-based, localized heat dissipation capability in a respective component layer, the component quality is better compensated by the temperature field within the component can be improved, overheated areas and / or component distortion can be avoided and the total time can be reduced for the construction process and the productivity of additive plants can be increased.
  • the invention focuses on a rapid dissipation of the introduced energy within the component, which at the same time can lead to at least one of the following advantages:
  • Fig. L is a schematic representation for explaining the definition of the local
  • Fig. 2 is a schematic representation for explaining the term "trajectory"
  • Fig. 3 is a schematic representation for explaining a method for additive
  • Fig. 5 is a plan view of the component of Fig. 4;
  • Fig. 6 is an exemplary local distribution Di of the heat dissipation capability D loc in a device layer Li of the device of Fig. 4; Isolines Ii, I 2 and I 3 of the local distribution D, the heat dissipation capability in a device layer Li of FIG. 6;
  • Fig. Ii an example of a segment S of a component layer
  • FIG. 12 shows a segment S q resulting from modification of the segment S of FIG.
  • Fig. 17 is a plan view of a device layer L;
  • Fig. 19 shows a layout of trajectories according to a particular one
  • the heat dissipation capability D (dissipation) of the component layer is defined as the integral of the heat flow q [W / m 2 ] over the surface s [m 2 ] (see FIG.
  • the local heat dissipation capability can be calculated from the heat equation:
  • the local heat dissipation capability depends not only on the material properties (heat conduction, heat capacity, density) and heat input. It is also affected by the boundary conditions, such. As the local component geometry, strongly influenced.
  • the local component geometry is also taken into account.
  • This representation of local heat dissipation capability allows for easy determination of the ability of a particular point to dissipate the heat in a given one Time. The higher the cooling rate at the point under consideration at a certain time, the higher the local heat dissipation capability.
  • AH is the change in enthalpy, J, in the time interval from & to t 2 .
  • the local heat dissipation capability can be characterized by the change in temperature:
  • the heat in an additive manufacturing process is normally transported primarily downwardly from a generated device layer to the interior of the device.
  • the value of a local heat dissipation capability is indirectly indicative of the amount of mass of the "cold" consolidated material below the particular point of the device layer, the more "cold" material mass is below a particular point of a device layer, the higher the value of a local one heat dissipation capability.
  • the determination of the local heat dissipation capabilities can be made much faster.
  • the entire component is calculated without thermal activation of individual component layers / segments.
  • Such a simplified simulation will drastically reduce the computation time required (the larger the component, the greater the savings in computation time).
  • an "artificial" temperature distribution with ascending temperature in the direction of construction is used as an initial condition.
  • the initial temperature gradients T in the x and y directions are used as zero:
  • Such a temperature distribution as an initial condition mimics the temperature distribution in the real building process. For each component layer, this distribution ensures that the heat flow at the beginning of the calculation takes place exclusively downwards.
  • the constant initial temperature gradient in the assembly direction predefined for each point of the component and thus also for each component layer, has the same zero value of the local heat dissipation capability:
  • the initial temperature distribution is simply assumed.
  • simplified solutions such as a fast one- or two-dimensional calculation of the temperature field in the build process, as well as experimental measurements can be used.
  • boundary conditions can also be defined. Some particularly advantageous boundary conditions should be mentioned separately:
  • the heat flow at the upper edge is qcoben; English: top) and at the lower edge C [(bottom: English: bottom) constant and corresponds to the given initial constant temperature gradients (T (x, y, z, o)) in the component:
  • the other edges of the component are thermally insulated, which means that the temporal heat flow always has a zero value.
  • the initial local heat dissipation capability has a zero value at each point in the calculation area (justification given above). For the same upper and lower surface of the calculation area, this constraint ensures a flow of the same amount of energy through the entire computation area. After a certain time for these boundary conditions to reach a stationary state of the temperature field, that is, after a redistribution of the temperature, the "new" temperature remains stable at each point, thus stabilizing also the values of local heat dissipation ability to calculate for this stationary or almost stationary condition.
  • This variant of the boundary conditions is particularly suitable for determining the local heat dissipation capability in local areas of the component.
  • Such local calculations for example, examine the heat build-up in the vicinity of a channel or defect, such as a pore or other undesirable void.
  • the local calculations of this kind can find an application in the context of a monitoring system (see below).
  • a full thermal isolation of the entire calculation area represents a variant of the boundary conditions, which is very well suited for the determination of the local heat dissipation capability in the components (in the context of the so-called global calculations (thermal calculation of the whole component)). It may then be sufficient to calculate up to a first maximum of the temperature change (and not up to a stationary or almost stationary state).
  • the field of local heat dissipation capability can be determined numerically by a thermal computation for a given component (in advance).
  • the component is layered by means of one or more energy sources (as part of a Irradiation device), in the present example by means of a laser (not shown), constructed (see Figure 2).
  • the laser provides a laser beam 50, which in this example is directed by a scanner 60.
  • the consolidation of a component layer Li is carried out with the aid of the laser beam 50 by generating a plurality of trajectories, of which only one is shown and provided with the reference number 30.
  • the point on the trajectory should designate the starting point, while the arrowhead indicates the end point.
  • FIG. 3 shows a system with two energy sources, in each case a laser (not shown), in this example.
  • Each of the two lasers supplies a respective laser beam 51 or 52.
  • two different trajectories 31 and 32 are generated simultaneously with the laser beams 51 and 52, respectively.
  • FIG. 4 shows a side view of an axisymmetric component 1 with an outer surface 2.
  • it is a frusto-conical component.
  • the component 1 has an upper diameter di and a lower diameter d 2 .
  • the construction direction is marked by z.
  • FIG. 5 shows a top view of component 1 of FIG. 4.
  • FIG. 6 shows a local distribution Di of the heat dissipation capability D loc in a component layer Li of the component 1 of FIG.
  • the component layer Li is at a height H ,. Since the component 1 is symmetrical, the field of heat dissipation capability is also symmetrical.
  • Reference numeral 3 denotes the outer edge of the component layer Li which lies on the outer surface 2.
  • the surface 2 forms a barrier to the free flow of heat downwards (against the direction of construction z). The closer to the edge 3 in the device layer Li, the more the heat accumulates and the lower the heat dissipation capability. In the middle area (within the diameter d 2 ) the heat flow downwards is not prevented.
  • FIG. 7 shows associated isolines I 15 5 2 and I 3 of the local heat dissipation capability D, in the component layer Li of FIG. 6 with the edge 3.
  • the values Ci, C 2 and C 3 are constants. Due to the symmetry of the component 1, the isolines are also symmetrical. The isolines I 3 and the outer edge 3 of the device layer Li are identical due to the symmetry.
  • Figure 8 relates to an example showing two trajectories Ti and T 2 which are produced along the contour lines II and I 2nd
  • FIG. 9 shows an example in which the trajectories Ti and T 2 are produced along quasi-isolines, that is, based on the isolines Ii and I 2 .
  • FIG. 10 shows an example of a trajectory Ti with a starting point at an isoline L and an end point on another isoline I 2 of the heat dissipation capability.
  • Figure 11 shows an example of a design of the boundaries of a segment S after the isolines.
  • I a and Ib are the isolines of local heat dissipation ability
  • Pi and P 2 are two points on isoline I a .
  • Gi and G 2 are gradients of heat dissipation capability at these points.
  • the points P 3 and P 4 are obtained by crossing the isoline I e with the directions of the gradients Gi and G 2 .
  • the resulting segment S is also shown in FIG.
  • segment S has been modified into a segment S q .
  • the boundaries of the segment S q are formed on the basis of the points on the isolines I a and Ib.
  • an isoline I c extends in a segment S (see FIG. 13 (a)).
  • a trajectory T c is designed within the segment S (see FIG. 13 (b)).
  • the trajectory does not necessarily have to run along an isoline.
  • it could be a straight line between the start and end points of the isoline, or another line that is substantially parallel to segment boundaries.
  • FIG. 14 now shows a trajectory Ti with a consolidation region Bi with a width bi.
  • FIG. 15 shows two trajectories Ti and T 2 with a respective consolidation region Bi or B 2 , which touch, but do not overlap.
  • FIG. 16 shows a case in which the trajectories Ti and T 2 have consolidation regions Bi and B 2 , respectively, which overlap.
  • the trajectories Tj and T 2 are arranged such that the component layer Li with a surface 3 is completely covered by their respective consolidation regions Bi or B 2 .
  • FIG. 18 shows an example of a distribution of a temperature gradient: the closer the isolines Ii, I 2 and I 3 are, the greater are the temperature gradients. Therefore, the temperature gradient increases with the transition from P 2 to P 3 (or P 4 ) to Pi.
  • BHG is a region with the highest temperature gradients (HG - high gradient) and BLG is a region with the lowest temperature gradients (LG - low gradient) ,
  • FIG. 19 shows an example of the design or alignment of
  • trajectories may look like this: first, the trajectories are generated in areas of lowest values of heat dissipation capability (between isolines I 3 and I 2 ).
  • the trajectories are generated with the help of, for example, two lasers. Then, for example, the trajectories Ti and T 2 are generated simultaneously. This allows a more uniform and particularly symmetrical distribution of the temperature field.
  • the sequence described above may be altered, reduced or supplemented.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils (1) aus mehreren Bauteilschichten durch mehrfaches inkrementelles, insbesondere schichtweises, Hinzufügen von pulver-, draht- oder bandförmigem, insbesondere metallischem, Bauteilausgangsmaterial und, insbesondere inkrementelles, formgebendes Konsolidieren durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern des Bauteilausgangsmaterials mittels einer durch mindestens eine Energiequelle, insbesondere lokal, gemäß einer Scanstrategie eingebrachten Wärmemenge, wobei die Auslegung der Trajektorien (30, 31, 32) des Warmeeintrags auf Basis einer, insbesondere simulationsbasiert, ermittelten lokalen Wärmeableitungsfähigkeit erfolgt, ein Verfahren zur Berechnung einer Scanstrategie zwecks entsprechender Anschauung einer Anlage zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils sowie eine diesbezügliche Anlage.

Description

Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils und Verfahren zur Berechnung einer Scanstrategie zwecks entsprechender Ansteuerung einer Anlage zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils aus mehreren Bauteilschichten durch mehrfaches inkrementelles, insbesondere schichtweises, Hinzufügen von pulver-, draht- oder bandförmigem, insbesondere metallischem, Bauteilausgangsmaterial und, insbesondere inkrementelles, formgebendes Verfestigen durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern des Bauteilausgangsmaterials mittels einer durch mindestens eine Energiequelle, insbesondere lokal, gemäß einer Scanstrategie eingebrachten Wärmemenge und ein Verfahren zur Berechnung einer Scanstrategie zwecks entsprechender Ansteuerung einer Anlage zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils.
Insbesondere geht es um additive Fertigungsverfahren, bei denen der Energieeintrag, insbesondere Wärmeeintrag, lokal erfolgt.
Mit„Bauteil" soll auch ein Bauteil inklusive Bauplatte (Basisplatte) und Stützstruktur(en) gemeint sein. Zudem soll der Begriff„Bauteil" auch einen Bauteil-Satz, wie z. B. ein in einem Baujob in einem Bauraum gefertigtes Konstrukt, das z.B. aus mehreren, z.B. identischen, Einzelbauteilen bestehen kann, umfassen.
Als Energiequelle(n) kann/können zum Beispiel ein Lichtbogen, ein Plasma bzw. Plasmastrahl, ein Laser- oder Elektronenstrahl oder ähnliches verwendet werden. Das
BESTÄTIGUNGSKOPIE additive Herstellungsverfahren kann insbesondere ein strahlbasiertes additives Herstellungsverfahren, wie z.B. selektives Laserschmelzen oder selektives Elektronenstrahlschmelzen, sein. Das Bauteilausgangsmaterial kann aus Metall, Kunststoff oder Keramik hergestellt werden. Es kann auch z.B. ein Pulver, ein Pulver-Fülldraht oder - Füllband sein.
Bei dem additiven Herstellungsverfahren, das auch als generatives Herstellungsverfahren bezeichnet wird, kann es sich beispielsweise um Lichtbogen-, Plasma-, Laser- und Elektronenstrahlauftragsschweißen und allgemeiner Auftragsschweißen, insbesondere Pulverauftragsschweißen, Laser- und Elektronenstrahlschmelzen, Lasersintern und alle weiteren Verfahren handeln, bei denen Material in der Schmelze zur Generierung eines Bauteils selektiv aufgetragen wird.
Als Materialauftragsverfahren sind z.B. Pulver- oder Drahtauftragsschweißen bei additiver Fertigung metallischer Werkstoffe oder z.B. Fused Deposition Modelling-Technologien zur additiven Generierung von Kunststoffbauteilen denkbar.
In den heutigen Anlagen zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen werden die Trajektorien des Energieeintrags, insbesondere des Wärmeeintrags, hauptsächlich rein geometrisch ausgelegt. Dabei erfolgt eine Unterteilung der zu generierenden Schichtgeometrie in einzelne, normalerweise rechteckige Segmente (oft als„Insel" oder „Streifen" benannt). Innerhalb eines Segments werden äquidistant geradlinige Trajektorien (als Belichtungsvektoren oder Scanvektoren genannt) parallel zu den Segmentgrenzen ausgelegt. Der eigentliche Energie- bzw. Wärmeeintrag erfolgt z.B. durch einen Laser entlang eines Belichtungsvektors. Mit Hilfe einer Scanvorrichtung werden mehrere Belichtungsvektoren innerhalb eines Segments nacheinander erzeugt. Mit anderen Worten wird die Energie- bzw. Wärmemenge mittels einer Scanstrategie eingebracht. Mit dem Begriff„Scanstrategie" soll hier in erster Linie die Beschreibung der Konsolidierung eines definierten Bereichs in einer Schicht aus einem Bauteilausgangsmaterial mit dem bereits generieten (konsolidierten) Teil des Bauteils durch Verschmelzung, Verschweißung, Versinterung oder Verfestigung mittels mindestens einer bewegten (insbesondere punktförmigen) Energiequelle unter Berücksichtigung von Ablenkwegen bzw. Belichtungswegen (Scanmuster) und Strahlparametern sowie der Zeitabhängigkeit der Ablenkwege und Richtungsabhängigkeit der Ablenkwege zur Erzeugung gewünschter Bauteil- und Gefügeeigenschaften gemeint sein. Die Scanstrategie umfasst ein Scanmuster (englisch: scaning pattern). Dabei handelt es sich um die geometrische Beschreibung der Ablenkwege oder Verbindungslinien von aufeinander folgenden Energieeinträgen, wenn zum Beispiel gepulst wird, zur Verfestigung der Bauteilkontur und/oder des Bauteilquerschnitts mittels mindestens eines Strahls oder einer anderen Wärmequelle.
Gemäß der DE 100 42 134 C2 wird eine bessere Gleichmäßigkeit des Energie- bzw. Wärmeeintrags dadurch erreicht, dass bei der Generierung einer Bauteilschicht die Position der einzelnen Segmente nach dem Zufallsprinzip ausgewählt wird.
Während eines additiven Herstellungsverfahrens können durch den schichtweisen Aufbau und die lokale Energieeinbringung, insbesondere in der Nähe von Bauteilrändern, Wärmestaus und insbesondere lokale Überhitzungen („Hotspots") entstehen. Dies kann zu einer Beeinträchtigung der Bauteilqualität und insbesondere der Oberfläche des Bauteils aufgrund von Ansinterungseffekten oder unerwünschten lokalen Deformationen (Verzug) führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils bereitzustellen, mit dem Bauteile in einer besseren Qualität gefertigt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass die Auslegung der Trajektorien und/oder die Reihenfolge und/oder die Richtung der Trajektorien des Wärmeeintrags auf Basis einer, insbesondere simulationsbasiert, ermittelten lokalen Wärmeableitungsfähigkeit oder anhand einer Funktion derselben in einer jeweiligen Bauteilschicht erfolgt. Die Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit ist in der DE 102016120998.8 Ai beschrieben, deren diesbezügliche Offenbarung durch Bezugnahme hierin vollumfänglich aufgenommen wird.
Insbesondere handelt es sich um ein computer-implementiertes Verfahren. Die lokale Wärmeableitungsfähigkeit charakterisiert die Fähigkeit eines Bauteilbereichs, Wärme in das Innere des Bauteils abzutransportieren.
Vorteilhafterweise wird mindestens ein Teil der Trajektorien des Wärmeeintrags entlang Isolinien oder Quasi-Isolinien der ermittelten lokalen Wärmableitungsfähigkeit ausgelegt. Mit Quasi-Isolinien sollen Linien gemeint sein, die Isolinien recht nahe kommen. Die erzeugten Konsolidierungsspuren werden dabei gleichmäßiger abgekühlt, was zur Verringerung der lokalen Eigenspannungen und des lokalen Verzugs führen wird. Durch die zu erwartenden gleichen thermischen Bedingungen entlang der gesamten Trajektorie wird eine bessere lokale Prozessstabilität (z.B. Aufrechterhaltung des konstanten Schmelzbades beim selektiven Laserschmelzen) gewährleistet.
Es werden sich üblicherweise gekrümmte und lange Trajektorien des Energie- bzw. Wärmeintrags ergeben. Dies birgt weitere Vorteile. Nach dem aktuellen Stand der Technik beim selektiven Laserschmelzen wird der Laser bei der Erzeugung eines Belichtungsvektors (Trajektorie) innerhalb eines rechteckigen Segments an den Grenzen dieses Segments immer wieder ein- und ausgeschaltet. Dies führt zu lokalen Instationäritäten im Temperaturfeld und zur Ausbildung von Mikrodefekten gerade im Grenzbereich zwischen benachbarten Segmenten. Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Trajektorien viel länger und müssen die Energie- bzw. Wärmequellen nicht so oft ein- und ausgeschaltet werden. Dadurch wird gleichzeitig die gesamte Aufbaurate erhöht und eine höhere Materialqualität mit weniger Mikrodefekten ermöglicht.
Physisch stellt eine Trajektorie eine Konsolidierungsspur das, wie z.B. eine Schmelzspur/Schweißpfad beim selektiven Laserschmelzen von metallischen Werkstoffen oder eine verfestigte Drahtspur bei dem Verfahren der Fused Deposition Modelling von thermoplastischen Kunststoffen. Diese Spur hat eine bestimmte Breite, welche von den Prozessparametern (z.B. Leistung des Strahls und seine Geschwindigkeit) abhängig ist. Die einzelnen Konsolidierungsspuren werden vorteilhafterweise so ausgelegt, dass sie sich berühren oder überschneiden, so dass die gesamte konsolidierte Bauteilschicht komplett dicht ist. Daher sollten vorteilhafterweise die Trajektorien, welche eine Mittellinie dieser Spuren darstellen, mit einem solchen Abstand ausgelegt werden, dass sich die entsprechenden Spuren in einem vorgegebenen Grad überschneiden. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Trajektorien in sich geschlossene Linien sind. Die Trajektorien werden vorteilhafterweise entlang der Isolinien ausgelegt. Die Isolinien, wenn sie sich komplett im Bauteilinneren befinden, sind immer in sich geschlossen. Die Trajektorien entlang dieser Isolinien können in sich geschlossen sein, müssen aber nicht. Die Isolinien, welche an eine Bauteilgrenze kommen, sind nicht in sich geschlossen. Dementsprechend sind dann die Trajektorien entlang dieser Isolinien nicht in sich geschlossen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform werden die Trajektorien so ausgelegt, dass mindestens ein Teil der Trajektorie des Wärmeeintrags an einer Isolinie mit einem bestimmten Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit beginnt und an einer anderen Isolinie mit einem anderen Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit endet.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Trajektorien des Wärmeeintrags ausgehend von Isolinien mit einem niedrigen Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit zu Isolinien mit einem höheren Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit hin gescannt werden.
Vorteilhafterweise wird der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Trajektorien verringert.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform wird der Wärmeeintrag beim Übergang zur nächsten aufeinanderfolgenden Trajektorie durch eine Erhöhung der Leistung der Energiequelle und/oder Verringerung der Geschwindigkeit der Energiequelle erhöht.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Trajektorien des Wärmeeintrags ausgehend von Isolinien mit einem höheren Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit zu Isolinien mit einem niedrigeren Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit hin gescannt werden.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Trajektorien erhöht wird. Außerdem kann vorgesehen sein, dass der Wärmeeintrag beim Übergang zur nächsten aufeinanderfolgenden Trajektorie durch eine Verringerung der Leistung der Energiequelle und/oder Erhöhung der Geschwindigkeit der Energiequelle verringert wird.
Vorteilhafterweise wird die Richtung des Scannens einzelner Trajektorien des Wärmeeintrags auf Basis der Werte des lokalen Gradienten der Wärmeableitungsfähigkeit bestimmt.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Trajektorien des Wärmeeintrags in Richtung eines höheren Wertes des Gradienten der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung wird die Bauteilschicht mit Hilfe von mehreren, in unterschiedlichen Orten der Bauteilschicht zeitgleich wirkenden Energiequellen, insbesondere mit mehreren Lasern oder mit einer örtlich aufgeteilten Lichtquelle, erzeugt.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass mindestens ein Paar nacheinander folgender Trajektorien aus der Reihenfolge zur Erzeugung der Trajektorien mit Hilfe von zwei unterschiedlichen Energiequellen zeitgleich erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung liefert auch ein Verfahren zur Berechnung einer Scanstrategie zwecks entsprechender Ansteuerung einer Anlage zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils, wobei die Auslegung und/oder die Reihenfolge und/oder die Richtung der Trajektorien (T T2; Tc) des Wärmeeintrags auf Basis einer, insbesondere simulationsbasiert, ermittelten lokalen Wärmeableitungsfähigkeit oder anhand einer Funktion derselben in einer jeweiligen Bauteilschicht erfolgt.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass mindestens ein Teil der Trajektorien des Wärmeeintrags entlang Isolinien oder Quasi-Isolinien der ermittelten lokalen Wärmeableitungsfähigkeit ausgelegt wird. Gemäß einer besonderen Ausführungsform werden die Trajektorien so ausgelegt, dass mindestens ein Teil der Trajektorie des Wärmeeintrags an einer Isolinie mit einem bestimmten Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit beginnt und an einer anderen Isolinie mit einem anderen Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit endet.
Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Bauteilschicht auf Basis einer lokalen Wärmableitungsfähigkeit segmentiert wird und eine Trajektorie innerhalb der Grenzen eines der Segmente dieser Bauteilschicht angebracht wird.
Günstigerweise werden Isolinien oder Quasi-Isolinien oder Punkte an einer Isolinie der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit zur Begrenzung eines Segmentes ausgewählt.
Insbesondere kann aber vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der Segmentgrenzen in Richtung des Gradienten der Wärmeableitungsfähigkeit oder im Wesentlichen senkrecht zu den Isolinien bzw. Quasi-Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit ausgerichtet wird.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird einer Trajektorie des Wärmeeintrags ein Bereich um diese Trajektorie als ein Konsolidierungsbereich zugeordnet.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform wird der Konsolidierungsbereich aufgrund einer Berechnung des thermischen Feldes von einer bewegten Energiequelle entlang der Trajektorie des Wärmeeintrags definiert.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der Konsolidierungsbereich einer Trajektorie als ein Gebiet definiert wird, in dem die Temperaturen einen bestimmten vorgegebenen Wert, insbesondere den Wert der Schmelztemperatur des konsolidierten Materials, erreicht haben. Vorteilhafterweise überschneiden sich die Konsolidierungsbereiche der benachbarten Trajektorien.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Konsolidierungsbereiche aller Trajektorien in der jeweiligen Bauteilschicht die Fläche dieser Bauteilschichten lückenlos abdecken.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Trajektorien des Wärmeeintrags ausgehend von Isolinien mit einem niedrigen Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit zu Isolinien mit einem höheren Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit hin ausgelegt werden.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Trajektorien des Wärmeeintrags ausgehend von Isolinien mit einem höheren Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit zu Isolinien mit einem niedrigeren Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit hin ausgelegt werden.
Vorteilhafterweise wird die Richtung des Scannens einzelner Trajektorien des Wärmeeintrags auf Basis der Werte des lokalen Gradienten der Wärmeableitungsfähigkeit bestimmt.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Trajektorien des Wärmeeintrags in Richtung eines höheren Wertes des Gradienten der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit ausgelegt werden.
Weiterhin liefert die vorliegende Erfindung eine Anlage zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils aus mehreren Bauteilschichten durch mehrfaches inkrementelles, insbesondere schichtweises, Hinzufügen von pulver-, draht- oder bandförmigem, insbesondere metallischem, Bauteilausgangsmaterial und, insbesondere inkrementelles, formgebendes Konsolidieren des Bauteilausgangsmaterial durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern mittels einer durch mindestens eine Energiequelle, insbesondere lokal, gemäß einer Scanstrategie eingebrachten Wärmemenge, umfassend ein Bauraumgehäuse mit einer Bauplattform zur Abstützung eines oder mehrerer pulverbett-basiert additiv zu fertigenden Bauteils/Bauteile,
eine Schichtenpräparierungseinrichtung zur Präparierung jeweiliger Pulverschichten auf der Bauplattform,
eine Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung der jeweils zuletzt präparierten Pulverschicht auf der Bauplattform und
eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Bestrahlungseinrichtung gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28.
Schließlich liefert die vorliegende Erfindung auch ein oder mehrere computerlesbare(s) Medium/Medien, das/die durch Computer ausführbare Befehle umfasst/umfassen, die, wenn sie durch einen Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28 durchzuführen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch die Auslegung der Trajektorien und/oder der zeitlichen Reihenfolge des Wärmeeintrags der Scanstrategie auf Basis einer, insbesondere simulationsbasiert, ermittelten lokalen Wärmeableitungsfähigkeit in einer jeweiligen Bauteilschicht die Bauteilqualität durch einen besseren Ausgleich des Temperaturfeldes innerhalb des Bauteils verbessert werden kann, überhitzte Bereiche und/oder Bauteilverzug vermieden werden können sowie die gesamte Zeit für den Aufbauprozess reduziert werden kann und die Produktivität von additiven Anlagen erhöht werden kann.
Im Fokus der Erfindung steht eine schnelle Dissipation der eingebrachten Energie innerhalb des Bauteils, welche gleichzeitig zu mindestens einem der folgenden Vorteilen führen kann:
- besserer Temperaturausgleich innerhalb des generierten Bauteils, - verringerte Gefahr lokaler Überhitzungen,
- Verringerung der Eigenspannungen und Verzugs,
Erhöhung des gesamten Prozessstabilität,
- gleichmäßigere Verteilung von Bauteileigenschaften.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im Einzelnen erläutert werden. Dabei zeigt:
Fig. l eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Definition der lokalen
Wärmeableitungsfähigkeit;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Begriffes„Trajektorie";
Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zur additiven
Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils aus mehreren Bauteilschichten unter Verwendung von mehreren Energiequellen gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Seitenansicht eines achsensymmetrischen Bauteils;
Fig. 5 eine Draufsicht auf das Bauteil von Fig. 4;
Fig. 6 eine beispielhafte lokale Verteilung Di der Wärmeableitungsfähigkeit Dloc in einer Bauteilschicht Li des Bauteils von Fig. 4; Isolinien Ii, I2 und I3 der lokalen Verteilung D, der Wärmeableitungsfahigkeit in einer Bauteilschicht Li aus der Fig. 6;
eine Auslegung von Trajektorien gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
eine Auslegung von Trajektorien gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
eine Trajektorie gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. Ii ein Beispiel eines Segments S einer Bauteilschicht;
Fig. 12 ein Segment Sq, das sich durch Modifikation des Segments S der Fig. n ergibt;
eine Auslegung von Trajektorien gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 14 ein Beispiel einer Trajektorie mit einem Konsolidierungsbereich Bi mit einer
Breite b.;
ein Beispiel zweier Trajektorien mit einem jeweiligen Konsolidierungsbereich
Figure imgf000013_0001
ein Beispiel zweier Trajektorien mit einem jeweiligen Konsolidierungsbereich Bj bzw. B2; Fig. 17 eine Draufsicht auf eine Bauteilschicht L,;
Fig. 18 eine beispielhafte Verteilung eines Temperaturgradienten in einer
Bauteilschicht; und
Fig. 19 eine Auslegung bzw. Ausrichtung von Trajektorien gemäß einer besonderen
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Generell wird die Wärmeableitungsfähigkeit D („Dissipation") der Bauteilschicht als Integral des Wärmeflusses q [W/m2] über die Oberfläche s [m2] definiert (s. Fig. 1):
D = Φ qnds = div(q)dV = \ div(- grad(T))dV
Js Jv Jv
n ist der Normalvektor zur Oberfläche s; V ist das betrachtete Volumen, m3; T ist die Temperatur, K; λ ist die Wärmeleitfähigkeit, W/(mK).
Die lokale Wärmeableitungsfähigkeit kann aufgrund der Wärmeleitungsgleichung berechnet werden:
Figure imgf000014_0001
Q ist die Leistung der Wärmequelle im Volumen V, [W/m3]; c ist die spezifische Wärmekapazität, [J/(kgK)] p ist die Dichte, [kg/m3]; t ist die Zeit, [s].
In einem bestimmten Punkt P des Bauteils (V— >o) wird dann die lokale Wärmeableitungsfähigkeit D,oc wie folgt definiert: Dloc = div(q = Q - cp—
Die lokale Wärmeableitungsfähigkeit hängt nicht nur von den Werkstoffeigenschaften (Wärmeleitung, Wärmekapazität, Dichte) und vom Wärmeeintrag ab. Sie wird auch von den Randbedingungen, wie z. B. die lokale Bauteilgeometrie, stark beeinflusst.
Wie die obigen Ausführungen zeigen, bestehen somit zumindest zwei mögliche unabhängige Wege zur Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsf higkeit eines Punktes einer Bauteilschicht darin,
div(q) = div{—Xgrad(T ) oder
(2) Dloc = Q - cp ^
zur Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit zu verwenden, wobei in beiden Fällen auch noch die lokale Bauteilgeometrie zu berücksichtigen ist.
Für die Zeiten einer reiner Abkühlung eines Punktes des Bauteilschicht, d.h. für die Zeiten, in denen die Wärmequelle in dem betrachteten Punkt nicht mehr wirkt (Leistung der Wärmequelle Q - o) ergibt der zweite aus den oben genannten Berechnungswegen eine noch einfachere Form der Darstellung:
Figure imgf000015_0001
Diese Darstellung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit ermöglicht eine einfache Ermittlung der Fähigkeit eines bestimmten Punktes zur Dissipation der Wärme in einem bestimmten Zeitpunkt. Je höher ist die Abkühlgeschwindigkeit in dem betrachteten Punkt in einem bestimmten Zeitpunkt, desto höher ist die lokale Wärmeableitungsfähigkeit.
Generell ändert sich die Temperaturverteilung und die Abkühl- oder Aufheizgeschwindigkeit im Bauteil und dementsprechend die lokale Wärmeableitungsfähigkeit mit der Zeit. Daher ist es sinnvoll, die lokale Wärmeableitungsfähigkeit über eine bestimmte Zeit zu integrieren und den resultierenden Wert für die Charakterisierung der Wärmedissipation in einem bestimmten Punkt zu verwenden. Für die Zeiten einer reinen Abkühlung eines Punktes einer Bauteilschicht, d.h. Wärmeeintrag = Null, ergibt sich ein folgender Wert:
Figure imgf000016_0001
AH ist die Änderung der Enthalpie, J, im Zeitintervall vom & bis t2.
Unter Annahme der temperaturunabhängigen Materialeigenschaften kann die lokale Wärmeableitungsfähigkeit durch die Änderung der Temperatur charakterisiert werden:
Figure imgf000016_0002
Als ein nützlicher Wert zur Charakterisierung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit hat sich eine relative lokale Wärmeableitungsfähigkeit gezeigt, welche eine Relation zwischen
Figure imgf000016_0003
zum anfänglichen Temperaturgradienten darstellt:
loc _
'rel = dT(x, y, z, Q)
dz Alle oben beschriebenen Darstellungen der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit (als Enthalpieoder Temperaturänderung) können im Rahmen einer Berechnung des Temperaturfeldes (thermische Berechnung) leicht ermittelt werden.
Indirekte physikalische Interpretation des Wertes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit: Die Wärme in einem additiven Herstellungsverfahren wird normalerweise hauptsächlich nach unten, von einer generierten Bauteilschicht in das Innere des Bauteils transportiert. Dabei deutet der Wert einer lokalen Wärmeableitungsfähigkeit indirekt auf die Menge der unter den dem bestimmten Punkt der Bauteilschicht befindlichen Masse des „kalten" konsolidierten Materials. Je mehr„kalte" Materialmasse sich unter einem bestimmten Punkt einer Bauteilschicht befindet, desto höher ist der Wert einer lokalen Wärmeableitungsfähigkeit.
Für eine direkte thermische Berechnung des Aufbauprozesses wäre eine sequentielle thermische Aktivierung aller Bauteilschichten/Segmente notwendig. Eine derartige Prozedur würde entsprechend zahlreiche Zeitschritte fordern und wäre mit einem hohen Berechnungsaufwand verbunden.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann durch eine vereinfachte Ausführung der numerischen Simulation die Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeiten wesentlich schneller erfolgen. Dabei wird das ganze Bauteil ohne thermische Aktivierung einzelner Bauteilschichten/Segmente berechnet. Eine solche vereinfachte Simulation wird zur drastischen Reduzierung der erforderlichen Rechenzeiten führen (je größer das Bauteil ist, desto größer wird die Ersparnis der Rechenzeit).
Als Anfangsbedingung wird in dieser oder einer anderen Ausführungsform ein„künstliche" Temperaturverteilung mit in Aufbaurichtung (z-Richtung) aufsteigender Temperatur verwendet. Die anfänglichen Temperaturgradienten T in x- und y-Richtung werden als Null eingesetzt:
Figure imgf000018_0001
Eine solche Temperaturverteilung als Anfangsbedingung imitiert die Temperaturverteilung im realen Aufbauprozess. Für jede Bauteilschicht gewährleistet diese Verteilung, dass der Wärmefluss am Anfang der Berechnung ausschließlich nach unten erfolgt.
Eine besonders effektive Variante der oben genannten Anfangsbedingung repräsentiert einen konstanten Temperaturgradienten in Aufbaurichtung:
dT{x,y,z,Q)
= const > 0
dz
dT(x,y,z,0) ^dT(x,y,z,0)
= 0
dx dy
Der konstante anfängliche Temperaturgradient in Aufbaurichtung, vordefiniert für jeden Punkt des Bauteils und damit auch für jede Bauteilschicht, weist den gleichen Nullwert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit auf:
Dloc(x,y,z,&) = div(q{x,y,z,0)) = div{- grad< (x,y,z,<i)) =
Figure imgf000018_0002
= div{-X{const + 0 + 0)) = o Der Nullwert der lokalen Wärmeableitungsfahigkeit für jeden Punkt des Bauteils stellt eine bequeme Ausgangsbasis dar, um die nachfolgenden Änderungen der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit in jedem Bauteilpunkt darzustellen.
Im allgemeinen wird - wie vorangehend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben - die anfängliche Temperaturverteilung einfach angenommen. Für eine genauere Bestimmung der anfänglichen Temperaturverteilung können sowohl vereinfachte Lösungen, wie zum Beispiel eine schnelle 1- oder 2-dimensionale Berechnung des Temperaturfeldes beim Aufbauprozess als auch experimentelle Messungen verwendet werden.
Neben den Anfangsbedingungen können auch noch Randbedingungen definiert werden. Einige besonders vorteilhafte Randbedingungen sollen extra erwähnt werden:
1) Konstanter Wärmefluss über das gesamte Berechnungsgebiet
Bei dieser Variante der Randbedingungen ist der Wärmefluss am oberen Rand qcoben; Englisch: top) und am unteren Rand C[(unten; Englisch: bottom) konstant und entspricht dem vorgegeben anfänglichen konstanten Temperaturgradienten grad (T(x, y, z, o)) im Bauteil:
<ltop = bottom = ~λ grad{T(x, y, z, 0)) = const
Die anderen Ränder des Bauteils werden thermisch isoliert, das heißt, dass der zeitlich Wärmefluss immer einen Nullwert hat.
Bei einem konstanten Temperaturgradienten hat die anfängliche lokale Wärmeableitungsfähigkeit einen Nullwert in jedem Punkt des Berechnungsgebiets (die Begründung ist oben angegeben). Bei der gleichen oberen und unteren Fläche des Berechnungsgebiets gewährleistet diese Randbedingung einen Fluss der gleichen Energiemengen durch das gesamte Berechnungsgebiet. Nach einer bestimmten Zeit für diese Randbedingungen zum Erreichen eines stationären Zustandes des Temperaturfeldes, das heißt nach einer Umverteilung der Temperatur bleibt die„neue" Temperatur in jedem Punkt stabil. So stabilisieren sich auch die Werte der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit. Es ist im allgemeinen sinnvoll, bis zu diesem stationären oder nahezu stationären Zustand rechnen zu lassen.
Diese Variante der Randbedingungen ist für die Bestimmung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit in lokalen Bereichen des Bauteils besonders geeignet. Durch solche lokale Berechnungen werden zum Beispiel die Wärmestaus in der Umgebung eines Kanals oder eines Defekts, wie zum Beispiel eine Pore oder ein anderer unerwünschter Hohlraum, untersucht. Die lokalen Berechnungen dieser Art können eine Anwendung im Rahmen eines Überwachungssystems finden (siehe unten).
2) Volle thermische Isolation des gesamten Berechnungsgebiets
Eine volle thermische Isolation des gesamten Berechnungsgebiets stellt eine Variante der Randbedingungen dar, welche für die Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit in den Bauteilen (im Rahmen der sogenannten globalen Berechnungen (thermische Berechnung des ganzen Bauteils)) sehr gut geeignet ist. Es kann dann eine Berechnung bis zu einem ersten Maximum der Temperaturänderung (und nicht bis zu einem stationären bzw. nahezu stationären Zustand) ausreichen.
Das Feld der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit kann durch eine thermische Berechnung für ein bestimmtes Bauteil (vorab) numerisch ermittelt werden.
Bei einem Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils 1 wird das Bauteil schichtweise mit Hilfe einer oder mehrerer Energiequellen (als Teil einer Bestrahlungseinrichtung), im vorliegenden Beispiel mittels eines Lasers (nicht gezeigt), aufgebaut(s. Figur 2). Der Laser liefert einen Laserstrahl 50, der in diesem Beispiel von einem Scanner 60 gelenkt wird. Die Konsolidierung einer Bauteilschicht Li erfolgt mit Hilfe des Laserstrahls 50 durch Erzeugung von mehreren Trajektorien, von denen nur eine dargestellt und mit der Bezugszahl 30 versehen ist. Der Punkt auf der Trajektorie soll den Startpunkt bezeichnen, während die Pfeilspitze den Endpunkt bezeichnet.
In der Figur 3 ist eine Anlage mit zwei Energiequellen, in diesem Beispiel jeweils ein Laser (nicht gezeigt), gezeigt. Jeder der beiden Laser liefert einen jeweiligen Laserstrahl 51 bzw. 52. In diesem Beispiel werden zwei unterschiedliche Trajektorien 31 und 32 mit den Laserstrahlen 51 bzw. 52 zeitgleich erzeugt.
Die Figur 4 zeigt eine Seitenansicht eines achsensymmetrischen Bauteils 1 mit einer äußeren Oberfläche 2. Es handelt sich in diesem Beispiel um ein kegelstumpfförmiges Bauteil. Das Bauteil 1 weist einen oberen Durchmesser di und einen unteren Durchmesser d2 auf. Die Aufbaurichtung ist durch z gekennzeichnet.
Die Figur 5 zeigt eine Draufsicht vom Bauteil 1 von Figur 4.
In der Figur 6 ist eine lokale Verteilung Di der Wärmeableitungsfähigkeit Dloc in einer Bauteilschicht Li des Bauteils 1 der Figur 4 gezeigt. Die Bauteilschicht Li befindet sich auf einer Höhe H,. Da das Bauteil 1 symmetrisch ist, ist auch das Feld der Wärmeableitungsfähigkeit symmetrisch. Mit der Bezugszahl 3 ist der äußere Rand der Bauteilschicht Li, der auf der äußeren Oberfläche 2 liegt, gekennzeichnet. Die Oberfläche 2 bildet eine Barriere zum freien Fluss der Wärme nach unten (gegen die Aufbaurichtung z). Je näher zum Rand 3 in der Bauteilschicht Li, desto mehr staut sich die Wärme und desto niedriger ist die Wärmeableitungsfähigkeit. Im mittleren Bereich (innerhalb des Durchmessers d2) ist der Wärmefluss nach unten nicht verhindert. Daher bleiben die Werte der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit unverändert gleich Null (Alle Anfangswerte der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit im Bauteil haben einen Nullwert aufgrund der oben beschriebenen Anfangsbedingung mit dem konstanten Temperaturgradienten in Aufbaurichtung) . Figur 7 zeigt zugehörige Isolinien Il5 12 und I3 der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit D, in der Bauteilschicht Li von Figur 6 mit dem Rand 3. Die Werte Ci, C2 und C3 sind Konstanten. Aufgrund der Symmetrie des Bauteils 1 sind die Isolinien auch symmetrisch. Die Isolinien I3 und der äußere Rand 3 der Bauteilschicht Li sind aufgrund der Symmetrie identisch.
Figur 8 betrifft ein Beispiel, das zwei Trajektorien Ti und T2 zeigt, die entlang der Isolinien Ii und I2 erzeugt werden.
Figur 9 zeigt ein Beispiel, bei dem die Trajektorien Ti und T2 entlang Quasi-Isolinien, also in Anlehnung an die Isolinien Ii und I2, erzeugt werden.
Figur 10 zeigt ein Beispiel einer Trajektorie Ti mit einem Startpunkt an einer Isolinie L und einem Endpunkt auf einer anderen Isolinie I2 der Wärmeableitungsfähigkeit.
Figur 11 zeigt ein Beispiel für eine Auslegung der Grenzen eines Segments S nach den Isolinien. Ia und Ib sind die Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, Pi und P2 sind zwei Punkte auf der Isolinie Ia. Gi und G2 sind Gradienten der Wärmeableitungsfähigkeit in diesen Punkten. Die Punkte P3 und P4 ergeben sich durch Kreuzen der Isolinie Ie mit den Richtungen der Gradienten Gi und G2. Das resultierende Segment S ist in der Figur 11 ebenfalls gezeigt.
In der Figur 12 ist das Segment S zu einem Segment Sq modifiziert worden. Die Grenzen des Segments Sq sind auf Basis der Punkte auf den Isolinien Ia und Ib gebildet.
In der Figur 13 verläuft eine Isolinie Ic in einem Segment S (siehe Figur 13 (a)). In Anlehnung an diese Isolinie Ic wird innerhalb des Segments S eine Trajektorie Tc ausgelegt (siehe Figur 13 (b)). Im allgemeinen Fall muss die Trajektorie nicht unbedingt entlang einer Isolinie verlaufen. Es könnte zum Beispiel eine gerade Linie zwischen dem Start- und dem Endpunkt der Isolinie sein oder eine andere Linie, welche im Wesentlichen parallel zu Segmentgrenzen verläuft. In der Figur 14 ist nun eine Trajektorie Ti mit einem Konsolidierungsbereich Bi mit einer Breite bi dargestellt.
Die Figur 15 zeigt zwei Trajektorien Ti und T2 mit einem jeweiligen Konsolidierungsbereich Bi bzw. B2, die sich berühren, aber nicht überschneiden.
In der Figur 16 ist nun ein Fall gezeigt, in dem die Trajektorien Ti und T2 Konsolidierungsbereiche Bi bzw. B2 aufweisen, die sich überschneiden.
In der Figur 17 sind die Trajektorien Tj und T2 so angeordnet, dass durch deren jeweilige Konsolidierungsbereiche Bi bzw. B2 die Bauteilschicht Li mit einer Oberfläche 3 komplett abgedeckt wird.
Aus der Figur 18 ergibt sich ein Beispiel für eine Verteilung eines Temperaturgradienten: je dichter die Isolinien Ii, I2 und I3 sind, desto größer sind die Temperaturgradienten. Daher erhöht sich der Temperaturgradient beim Übergang von P2 über P3 (oder P4) zu Pi. BHG ist ein Bereich mit den höchsten Temperaturgradienten (HG - high gradient) und BLG ist ein Bereich mit den niedrigsten Temperaturgradienten (LG - low gradient).
Schließlich zeigt die Figur 19 ein Beispiel für die Auslegung bzw. Ausrichtung von
Trajektorien gemäß der Höhe bzw. der Größe des Temperaturgradienten. Alle Trajektorien Ti, T2, 12 beginnen in dem Bereich der niedrigsten Temperaturgradienten und verlaufen in Richtung der Erhöhung des Temperaturgradienten. Die Reihenfolge der einzelnen
Trajektorien kann beispielhaft wie folgt aussehen: als erstes werden die Trajektorien in Bereichen mit niedrigsten Werten der Wärmeableitungsfähigkeit erzeugt (zwischen den Isolinien I3 und I2).
Zum möglichen Einsatz von mehreren Energiequellen: Angenommen, die Trajektorien werden mit Hilfe von beispielsweise zwei Lasern generiert. Dann werden zum Beispiel die Trajektorien Ti und T2 zeitgleich generiert. Dies ermöglicht eine gleichmäßigere und besonders symmetrische Verteilung des Temperaturfeldes. Die vorangehend beschriebene Abfolge kann selbstverständlich abgeändert, reduziert oder ergänzt werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in den beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste
1 Bauteil
2 Oberfläche
3 äußerer Rand
30, 31, 32 Trajektorien
50, 51, 52 Laserstrahlen
60 Scanner
b!,b2 Breiten
Bi, B2 Konsolidierungsbereiche
BHG, BLG Konsolidierungsbereiche
Ci, C2, C3 Konstanten
Di lokale Verteilung der Wärmeableitungsfähigkeit di oberer Durchmesser
d2 unterer Durchmesser
Gi, G2 Gradienten
Hi Höhe
Ii, I2> I3 Isolinien der Wärmeableitungsfähigkeit
Ia, Ib, Ic Isolinien
Li, Bauteilschicht
Pi, P2, ... P4 Punkte
S Segment
Ti, T2, Trajektorien
Tc Trajektorien
z Aufbaurichtung

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils (l) aus mehreren Bauteilschichten durch mehrfaches inkrementelles, insbesondere schichtweises, Hinzufügen von pulver-, draht- oder bandförmigem, insbesondere metallischem, Bauteilausgangsmaterial und, insbesondere inkrementelles, formgebendes Konsolidieren durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern des Bauteilausgangsmaterials mittels einer durch mindestens eine Energiequelle, insbesondere lokal, gemäß einer Scanstrategie eingebrachten Wärmemenge,
dadurch gekennzeichnet, dass die Auslegung und/oder die Reihenfolge und/oder die Richtung der Trajektorien (Ti, T2; Tc) des Wärmeeintrags auf Basis einer, insbesondere simulationsbasiert, ermittelten lokalen Wärmeableitungsfähigkeit oder anhand einer Funktion derselben in einer jeweiligen Bauteilschicht erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch l, wobei mindestens ein Teil der Trajektorien (Ti, T2; Tc) des Wärmeeintrags entlang Isolinien (Ia, Ib, Ic) oder Quasi-Isolinien der ermittelten lokalen Wärmeableitungsfähigkeit ausgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch i, wobei die Trajektorien (J T2; Tc) so ausgelegt werden, dass mindestens ein Teil der Trajektorie des Wärmeeintrags an einer Isolinie mit einem bestimmten Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit beginnt und an einer anderen Isolinie mit einem anderen Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit endet.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trajektorien des Wärmeeintrags ausgehend von Isolinien mit einem niedrigen Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit zu Isolinien mit einem höheren Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit hin gescannt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Trajektorien verringert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Wärmeeintrag beim Übergang zur nächsten aufeinanderfolgenden Trajektorie durch eine Erhöhung der Leistung der Energiequelle und/oder Verringerung der Geschwindigkeit der Energiequelle erhöht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Trajektorien des Wärmeeintrags ausgehend von Isolinien mit einem höheren Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit zu Isolinien mit einem niedrigeren Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit hin gescannt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Trajektorien erhöht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Wärmeeintrag beim Übergang zur nächsten aufeinanderfolgenden Trajektorie durch eine Verringerung der Leistung der Energiequelle und/oder Erhöhung der Geschwindigkeit der Energiequelle verringert wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Richtung des Scannens einzelner Trajektorien des Wärmeeintrags auf Basis der Werte des lokalen Gradienten der Wärmeableitungsfähigkeit bestimmt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Trajektorien des Wärmeeintrags in Richtung eines höheren Wertes des Gradienten der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit erzeugt werden.
12. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Bauteilschicht mit Hilfe von mehreren, in unterschiedlichen Orten der Bauteilschicht zeitgleich wirkenden Energiequellen, insbesondere mit mehreren Lasern oder mit einer örtlich aufgeteilten Lichtquelle, erzeugt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei mindestens ein Paar nacheinander folgender Trajektorien aus der Reihenfolge zur Erzeugung der Trajektorien mit Hilfe von zwei unterschiedlichen Energiequellen zeitgleich erzeugt wird.
14. Verfahren zur Berechnung einer Scanstrategie zwecks entsprechender Ansteuerung einer Anlage zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils, wobei die Auslegung und/oder die Reihenfolge und/oder die Richtung der Trajektorien (Ti, T2; Tc) des Wärmeeintrags auf Basis einer, insbesondere simulationsbasiert, ermittelten lokalen Wärmeableitungsfähigkeit oder anhand einer Funktion derselben in einer jeweiligen Bauteilschicht erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei mindestens ein Teil der Trajektorien (Ti, T2; Tc) des Wärmeeintrags entlang Isolinien (Ia, Ib, Ic) oder Quasi-Isolinien der ermittelten lokalen Wärmeableitungsfähigkeit ausgelegt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Trajektorien (Ti, T2; Tc) so ausgelegt werden, dass mindestens ein Teil der Trajektorie des Wärmeeintrags an einer Isolinie mit einem bestimmten Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit beginnt und an einer anderen Isolinie mit einem anderen Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit endet.
17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei eine Bauteilschicht auf Basis einer lokalen Wärmeableitungsfähigkeit segmentiert wird und eine Trajektorie innerhalb der Grenzen eines der Segmente dieser Bauteilschicht angebracht wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei Isolinien oder Quasi-Isolinien oder Punkte an einer Isolinie der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit zur Begrenzung eines Segmentes ausgewählt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei zumindest ein Teil der Segmentgrenzen in Richtung des Gradienten der Wärmeableitungsfähigkeit oder im Wesentlichen senkrecht zu den Isolinien bzw. Quasi-Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit ausgerichtet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei einer Trajektorie des Wärmeeintrags ein Bereich um diese Trajektorie als ein Konsolidierungsbereich zugeordnet wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Konsolidierungsbereich aufgrund einer Berechnung des thermischen Feldes von einer bewegten Energiequelle entlang der Trajektorie des Wärmeeintrags definiert wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Konsolidierungsbereich einer Trajektorie als ein Gebiet definiert wird, in dem die Temperaturen einen bestimmten vorgegebenen Wert, insbesondere den Wert der Schmelztemperatur des konsolidierten Materials, erreicht haben.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei sich die Konsolidierungsbereiche der benachbarten Trajektorien überschneiden.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die Konsolidierungsbereiche aller Trajektorien in der jeweiligen Bauteilschicht die Fläche dieser Bauteilschicht lückenlos abdecken.
25. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Trajektorien des Wärmeeintrags ausgehend von Isolinien mit einem niedrigen Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit zu Isolinien mit einem höheren Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit hin ausgelegt werden.
26. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Trajektorien des Wärmeeintrags ausgehend von Isolinien mit einem höheren Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit zu Isolinien mit einem niedrigeren Wert der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit hin ausgelegt werden.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 26, wobei die Richtung des Scannens einzelner Trajektorien des Wärmeeintrags auf Basis der Werte des lokalen Gradienten der Wärmeableitungsfähigkeit bestimmt wird.
28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Trajektorien des Wärmeeintrags in Richtung eines höheren Wertes des Gradienten der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit ausgelegt werden.
29. Anlage zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils aus mehreren Bauteilschichten durch mehrfaches inkrementelles, insbesondere schichtweises, Hinzufügen von pulver-, draht- oder bandförmigem, insbesondere metallischem, Bauteilausgangsmaterial und, insbesondere inkrementelles, formgebendes Konsolidieren des Bauteilausgangsmaterials durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern mittels einer durch mindestens eine Energiequelle, insbesondere lokal, gemäß einer Scanstrategie eingebrachten Wärmemenge, umfassend
- ein Bauraumgehäuse mit einer Bauplattform zur Abstützung eines oder mehrerer pulverbett-basiert additiv zu fertigenden Bauteils/Bauteile,
eine Schichtenpräparierungseinrichtung zur Präparierung jeweiliger Pulverschichten auf der Bauplattform, - eine Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung der jeweils zuletzt präparierten Pulverschicht auf der Bauplattform und
- eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Bestrahlungseinrichtung gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche l bis 28.
30. Ein oder mehrere computerlesbare(s) Medium/Medien, das/die durch Computer ausführbare Befehle umfasst/umfassen, die, wenn sie durch einen Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder das Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 28 durchzuführen.
PCT/EP2018/000157 2017-04-06 2018-04-05 Verfahren zur additiven fertigung eines dreidimensonalen bauteils und verfahren zur berechnung einer scanstrategie zwecks entsprechender ansteuerung einer anlage zur additiven fertigung eines dreidimensionalen bauteils Ceased WO2018184725A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017107362.0 2017-04-06
DE102017107362.0A DE102017107362A1 (de) 2017-04-06 2017-04-06 Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils und Verfahren zur Berechnung einer Scanstrategie zwecks entsprechender Ansteuerung einer Anlage zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2018184725A1 true WO2018184725A1 (de) 2018-10-11
WO2018184725A8 WO2018184725A8 (de) 2018-12-27

Family

ID=61965899

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2018/000157 Ceased WO2018184725A1 (de) 2017-04-06 2018-04-05 Verfahren zur additiven fertigung eines dreidimensonalen bauteils und verfahren zur berechnung einer scanstrategie zwecks entsprechender ansteuerung einer anlage zur additiven fertigung eines dreidimensionalen bauteils

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102017107362A1 (de)
WO (1) WO2018184725A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019219276A1 (de) * 2019-12-10 2021-06-10 Eos Gmbh Electro Optical Systems Hatchumkehr mit Keyhole-Übergabe
CN119407202A (zh) * 2024-11-08 2025-02-11 沈阳飞机工业（集团）有限公司 一种减缓激光熔化沉积层边缘效应的扫描方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020003536A1 (de) 2020-06-13 2021-12-16 Laempe Mössner Sinto Gmbh Verfahren zum Erzeugen einer 3D-Struktur
DE102021134379A1 (de) 2021-12-22 2023-06-22 Arburg Gmbh + Co Kg Thermische Prozessführung

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001091924A1 (en) * 2000-06-01 2001-12-06 Board Of Regents, The University Of Texas System Direct selective laser sintering of metals
US20150174827A1 (en) * 2013-11-21 2015-06-25 SLM Solutions Group AG Method and device for controlling an irradiation system
CN104190930B (zh) * 2014-08-29 2016-03-02 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种同质功能梯度材料及结构的激光增材制造方法
US20160059493A1 (en) * 2014-09-02 2016-03-03 Product Innovation and Engineering L.L.C. Additive layering method using improved build description
US20170001243A1 (en) * 2015-07-03 2017-01-05 Aspect Inc. Powder bed fusion apparatus
DE102016120998A1 (de) 2016-11-03 2018-05-03 Universität Bremen Verfahren zur simulationsbasierten Erkennung thermisch kritischer Bauteilbereiche und Verfahren zur bauteilspezifischen Anpassung einer lokalen Wärmegenerierung bei der additiven Herstellung

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10042134C2 (de) 2000-08-28 2003-06-12 Concept Laser Gmbh Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Sinter-Werkstücken
GB2378150A (en) * 2001-07-31 2003-02-05 Dtm Corp Fabricating a three-dimensional article from powder
US9767224B2 (en) * 2013-05-13 2017-09-19 The Board Of Trustees Of The University Of Alabama Systems and methods for designing and fabricating contact-free support structures for overhang geometries of parts in powder-bed metal additive manufacturing

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001091924A1 (en) * 2000-06-01 2001-12-06 Board Of Regents, The University Of Texas System Direct selective laser sintering of metals
US20150174827A1 (en) * 2013-11-21 2015-06-25 SLM Solutions Group AG Method and device for controlling an irradiation system
CN104190930B (zh) * 2014-08-29 2016-03-02 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种同质功能梯度材料及结构的激光增材制造方法
US20160059493A1 (en) * 2014-09-02 2016-03-03 Product Innovation and Engineering L.L.C. Additive layering method using improved build description
US20170001243A1 (en) * 2015-07-03 2017-01-05 Aspect Inc. Powder bed fusion apparatus
DE102016120998A1 (de) 2016-11-03 2018-05-03 Universität Bremen Verfahren zur simulationsbasierten Erkennung thermisch kritischer Bauteilbereiche und Verfahren zur bauteilspezifischen Anpassung einer lokalen Wärmegenerierung bei der additiven Herstellung

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019219276A1 (de) * 2019-12-10 2021-06-10 Eos Gmbh Electro Optical Systems Hatchumkehr mit Keyhole-Übergabe
CN119407202A (zh) * 2024-11-08 2025-02-11 沈阳飞机工业（集团）有限公司 一种减缓激光熔化沉积层边缘效应的扫描方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018184725A8 (de) 2018-12-27
DE102017107362A1 (de) 2018-10-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3606756B1 (de) Verfahren zur additiven fertigung eines dreidimensonalen bauteils
DE102016120998A1 (de) Verfahren zur simulationsbasierten Erkennung thermisch kritischer Bauteilbereiche und Verfahren zur bauteilspezifischen Anpassung einer lokalen Wärmegenerierung bei der additiven Herstellung
EP3074161B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum generativen herstellen zumindest eines bauteilbereichs eines bauteils
EP3059076B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum herstellen eines dreidimensionalen objekts
DE19516972C1 (de) Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes mittels Lasersintern
EP2913124A2 (de) Erzeugung von Druckeigenspannungen bei generativer Fertigung
DE102012206122A1 (de) Mehrfach-Spulenanordnung für eine Vorrichtung zur generativen Herstellung von Bauteilen und entsprechendes Herstellverfahren
WO2018233866A1 (de) Verfahren zur additiven fertigung von mindestens einem bauteil, stützstruktur oder element einer stützstruktur, bauteil mit derselben/demselben und anlage zur durchführung eines derartigen verfahrens
DE19606128A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes
EP1419836A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, insbesondere Pulverstereolithografie- oder Sinterverfahren
DE102017213720A1 (de) Optimiertes Segmentierungsverfahren
WO2018184725A1 (de) Verfahren zur additiven fertigung eines dreidimensonalen bauteils und verfahren zur berechnung einer scanstrategie zwecks entsprechender ansteuerung einer anlage zur additiven fertigung eines dreidimensionalen bauteils
EP3349928B1 (de) Verfahren und einrichtung zur additiven herstellung
DE102016203955B4 (de) Verfahren zur Bereitstellung eines Steuerbefehlssatzes, generative Schichtbauvorrichtung, Steuereinrichtung und Computerprogramm
EP3520929A1 (de) Verfahren zum selektiven bestrahlen einer materialschicht, herstellungsverfahren und computerprogrammprodukt
EP3235580A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum herstellen zumindest eines bauteilbereichs eines bauteils
DE102007057450A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren Material
WO2018188757A1 (de) Verfahren zum pulverbettbasierten additiven herstellen eines werkstücks, verfahren zum erstellen von korrekturparametern für das erstgenannte verfahren und computerprogrammprodukt für das zweitgenannte verfahren
EP3222372A1 (de) Verfahren zum additiven herstellen eines bauteils mit mehreren baumaterialien und bauteil
WO2018206581A1 (de) Positionsspezifischer energieeintrag
DE102018132441A1 (de) Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche mit energetischer Strahlung
DE102020109032B4 (de) Verfahren zur Erwärmung des Bauteils bei der Herstellung von pulvergeschmolzenen Bauteilen aus Metall
DE102017219977A1 (de) Verfahren zum generativen aufbauen eines bauteils
WO2018233867A1 (de) Verfahren zur simulationsbasierten optimierung der gestalt eines zu entwickelnden und später, insbesondere additiv, herzustellenden dreidimensionalen bauteils
DE102024109300A1 (de) Verfahren zur schichtweisen Fertigung von Bauteilen, Fertigungsvorrichtung sowie Computerprogrammprodukt

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18717214

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18717214

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1