DE102006059851B4

DE102006059851B4 - Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils

Info

Publication number: DE102006059851B4
Application number: DE102006059851A
Authority: DE
Inventors: Frank Carsten Herzog
Original assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Current assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2026-12-16
Also published as: WO2008074287A1; DE102006059851A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils, insbesondere Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren zur Anwendung in einem Lasersinterautomaten, bei dem das Bauteil durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten aus verfestigbarem Baumaterial durch Einwirkung einer Strahlung, insbesondere einer Laserstrahlung, erzeugt wird, wobei der punkt- und/oder linienförmige Energieeintrag in mindestens einer Schicht in flächigen Einzelabschnitten erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Bauprozesses die Bestrahlungsreihenfolge zumindest bereichsweise derart abläuft, daß nach einem ersten punkt- oder linienförmigen Energieeintrag innerhalb eines ersten Einzelabschnitts der folgende Energieeintrag in einem weiteren zweiten Einzelabschnitt erfolgt und der darauffolgende Energieeintrag entweder in einem dritten oder einem bereits bereichsweise bestrahlten (ersten) Einzelabschnitt erfolgt, wobei die nacheinander bestrahlten Einzelabschnitte und/oder erfolgten Energieeinträge nicht unmittelbar nebeneinander liegen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils, insbesondere ein Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren zur Anwendung in einem Lasersinterautomaten, bei dem das Bauteil durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten aus verfestigbarem Baumaterial durch Einwirkung einer Strahlung, insbesondere einer Laserstrahlung, erzeugt wird, wobei der Punkt- und/oder vorzugsweise linienförmige Energieeintrag in mindestens einer Schicht in flächigen Einzelabschnitten erfolgt.
Aus den Patentanmeldungen DE 100 42 134 A1 und DE 100 42 132 A1 sind Verfahren bekannt, bei welchen ein Bauteil durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten hergestellt wird, wobei der Energieeintrag in flächigen, beispielsweise quadratischen Einzelabschnitten erfolgt. Durch ein derartiges Verfahren wird es erreicht, die Spannungen bei der Verfestigung der einzelnen Schichten zu reduzieren.
Aus der DE 100 53 742 A1 geht ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten eines unter Einwirkung von Laserstrahlung verfestigbaren Baumaterials hervor. Dabei erfolgt ein Energieeintrag in flächige Einzelabschnitte, wobei nach einem ersten Energieeintrag auf eine erste Zone in einem ersten Einzelabschnitt der folgende Energieeintrag in einer zweiten Zone in einem zweiten Einzelabschnitt und der darauffolgende Energieeintrag in einer dritten Zone in einem dritten Einzelabschnitt stattfindet.
DE 90 18 057 U1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils, bei dem ein Abstand zweier nacheinanderfolgender linienförmiger Energieeinträge mindestens den kleinsten Querschnitt eines Energieeintrags entspricht. Die Zeichenrichtung der Vektoren wechselt sich ab und es wird angestrebt, bei der vollständigen Füllung ein minimales Springen zwischen dem Kopf eines Vektors und dem Schwanz des nächsten Vektors zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 derart auszubilden, daß bei der Verfestigung der einzelnen Schichten möglichst geringe Spannungen innerhalb einer Bauteilschicht auftreten. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, die Einzelabschnitte und die Bestrahlungsabfolge derart zu definieren, daß sie abhängig von der Bauteilgeometrie bei der Herstellung nur geringe Spannungen erzeugen. Des weiteren soll ein einfacher und schneller Bauprozeß ermöglicht werden. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–12.
Als Kern der Erfindung wird es angesehen, daß innerhalb eines Bauprozesses die Bestrahlungsreihenfolge zumindest bereichsweise derart abläuft, daß nach einem punkt- oder linienförmigen Energieeintrag innerhalb eines ersten Einzelabschnittes der folgende Energieeintrag in einem weiteren zweiten Einzelabschnitt erfolgt und der darauf folgende Energieeintrag entweder in einem dritten oder einem bereits bereichsweise bestrahlten Einzelabschnitt erfolgt, wobei die nacheinander bestrahlten Einzelabschnitte und/oder erfolgten Energieeinträge nicht unmittelbar nebeneinander liegen. Die Verwendung flächiger Einzelabschnitte, also Einzelabschnitte, die sowohl in X- als auch in Y-Richtung eine definierte Länge aufweisen, ermöglichen einen gezielteren und zugleich spannungsärmeren Energieeintrag in eine Bauteilschicht. Da der Energieeintrag nicht zwangsläufig als eine stetige Scanlinie einen Querschnitt des Bauteils überfährt, kann über die Anordnung der Einzelabschnitte eine gezielte, auf die Bauteilgeometrie oder Bauteileigenschaften abgestimmte Verfestigung des Baumaterials erreicht werden. Insbesondere durch die Bestrahlungsreihenfolge gemäß Anspruch 1 und der Prämisse, daß nacheinander bestrahlten Einzelabschnitte und/oder Energieeinträge nicht unmittelbar nebeneinander liegen, wird erreicht, daß die erzeugten Spannungen auf den einzelnen Bauteilschichten auf einen geringen Bereich begrenzt sind.
In vorteilhafter Weise entspricht der Abstand wenigstens zweier nacheinander bestrahlter Einzelabschnitte mindestens dem kleinsten Querschnitt eines Einzelabschnitts bzw. der Abstand wenigstens zwei Energieeinträge mindestens dem kleinsten Querschnitt eines Energieeintrages. Mittels eines solchen Mindestabstandes zweier Einzelabschnitte und/oder Energieeinträge wird gewährleistet, daß sich die eingebrachte Wärmeenergie nicht auf weitere benachbarte verfestigte, sowie nicht verfestigte Bereiche auswirkt.
Eine weitere vorteilhafte Maßnahme ist es, die Bestrahlungsreihenfolge der Einzelabschnitte und/oder der Energieeinträge nach einem stochastischen Auswahlverfahren erfolgen zu lassen. Gleichzeitig ist jedoch die stochastische Auswahl der Bestrahlungsreihenfolge dahingehend beschränkt, daß keine zwei nacheinander erfolgten Energieeinträge unmittelbar nebeneinander liegen. Insbesondere die stochastische Verteilung gewährleistet einen gleichmäßigen Energieeintrag auf die einzelnen Schichten des Bauteils.
Zur Steigerung der Stabilität des Bauteils kann es vorteilhafter Weise vorgesehen sein, die linienförmigen Energieeinträge in mindestens zwei Einzelabschnitten unterschiedlich auszurichten. Beispielsweise läßt sich die Stabilität, insbesondere die Biegesteifigkeit eines Bauteils, das aus quadratischen Einzelabschnitten, die in Art eines Schachbretts auf den einzelnen Schichten des Bauteils angeordnet sind, dadurch erhöhen, daß die Bestrahlungslinien abwechselnd im ersten Einzelabschnitt in einer ersten Richtung und in einem anschließenden Einzelabschnitt in einer zur ersten senkrechten Ausrichtung bestrahlt werden. Darüber hinaus können auch von 90° abweichende Ausrichtungswinkel bezogen auf einen ersten Energieeintrag vorteilhaft sein, beispielsweise eine 60°-Abweichung der Ausrichtung der Bestrahlungslinien bei einer hexagonalen Einzelabschnittsstruktur.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Form mindestens eines Einzelabschnittes quadratisch, ferner können die Einzelabschnittsformen auch rechteckig oder sechseckig ausgebildet sein. Dabei muß die Form und/oder Dimensionierung mindestens zweier Einzelabschnitte nicht zwangsläufig identisch sein, so ist es beispielsweise vorteilhaft, quadratische und rechteckige Einzelabschnitte innerhalb einer Bauteilschicht anzuordnen und damit durch die Erzeugung mittels eines Versatzes eine höhere Bauteilstabilität zu erreichen.
Im weiteren wird vorgeschlagen, daß sich mindestens zwei Einzelabschnitte überschneiden, an derartigen Schnittpunkten, -linien oder -bereichen kann durch einen nochmaligen oder mehrfachen Energieeintrag eine höhere Dichte des Bauteils erreicht werden und damit die Gesamtstabilität des Bauteils bereichsabhängig positiv beeinflußt werden. Insbesondere ist es in diesem Zusammenhang von Vorteil, wenn die Randbereiche der Einzelabschnitte als Gitterstruktur separat und/oder durch Überschneidung mehrerer Einzelabschnitte bestrahlt werden. Eine derartige Gitterstruktur kann sowohl parallel zu den Schichten des Bauteils ausgerichtet sein, aber auch sich senkrecht oder in anderen Winkeln zu diesen über mehrere Bauteilschichten erstrecken. Dabei kann die Verfestigung der Gitterlinien als abschließende Bestrahlungsmaßnahme innerhalb einer Schicht erfolgen, beispielsweise mit einer Gruppierung definierter Einzelabschnitte.
In Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, zumindest ein Teil der Einzelabschnitte zu mindestens zwei Einzelabschnittsgruppierungen zusammenzufassen, die sich in ihrer Bestrahlungsabfolge, Bestrahlungszeit, Einzelabschnittsform, Bestrahlungsintensität und/oder Grad der Überschneidung unterscheiden. Solch eine Gruppierung der Einzelabschnitte birgt eine Vielzahl von Vorteilen in sich. So stellt dies eine einfache ökonomische und zugleich zeitsparende Variante dar, um beispielsweise spezifische Dichteerhöhungen innerhalb einer Bauteilschicht einzubringen. So können beispielsweise zwei Einzelabschnittsgruppierungen, wie im obigen Beispiel kurz angerissen, nach Art eines Schachbretts (schwarze und weiße Felder) in einer Bauteilschicht verteilt sein und. diese „gewöhnlich" bestrahlen. Eine dritte Einzelabschnittsgruppierung dient nun dazu, gezielt bestimmte Bereiche innerhalb einer Bauteilschicht mit beispielsweise sechseckigen Einzelabschnitten und einer höheren Bestrahlungszeit, die dortigen Bereiche zu verdichten. Ein weiteres Beispiel ist es, einen ersten, im Betriebszustand des Bauteils gering belasteten Bereich eines Bauteils mit zwei Einzelabschnittsgruppierungen zu bestrahlen, deren Einzelabschnittsform einerseits quadratisch ist und deren Ränder sich nicht überschneiden und innerhalb derselben Bauteilschicht in einem zweiten, im Betriebszustand des Bauteils hoch belasteten Bereich des Bauteils diesen mit sechseckigen Einzelabschnittsformen zu bestrahlen und diese sich randseitig überschneiden zu lassen, so daß eine stabile hexagonale Gitterstruktur in dem zweiten Bereich der Bauteilschicht erzeugt wird. Diese beiden Beispiele zeigen, wie durch das erfindungsgemäße Verfahren eine höhere Stabilität und insbesondere eine bauteilbereichsspezifische Stabilität erreicht werden kann. Ferner kann es vorteilhaft sein, das Bauteil in einen Hüll- und in einen Kernbereich zu unterteilen und diese beiden Bereiche mit unterschiedlichen Einzelabschnittsgruppierungen zu versehen und zu bestrahlen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen
1 eine schematische Darstellung einer in Einzelabschnitten unterteilte Bauteilschicht nach dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung gemäß 1 mit einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsreihenfolge;
3 eine schematische Darstellung gemäß 1 mit einer alternativen erfindungsgemäßen Bestrahlungsabfolge;
4 eine schematische Darstellung einer Bauteilschicht, welche durch Einzelabschnitte unterschiedlicher Geometrien bestrahlt wird;
5 eine schematische Darstellung einer Bauteilschicht mit unterschiedlichen Einzelabschnittsgruppierungen.
In Zeichnungsfigur 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils 1 in der Draufsicht dargestellt.
Insbesondere handelt es sich um ein Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren zur Anwendung in einem Lasersinterautomaten, bei dem das Bauteil 1 durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten 2 aus verfestigbarem Baumaterial durch Einwirkung einer Strahlung, insbesondere einer Laserstrahlung erzeugt wird. Dabei erfolgt der Energieeintrag 3 in Linienform und erstreckt sich nicht stetig über die gesamte Bauteillänge, sondern ist in flächige Einzelabschnitte 4 über das Bauteil 1 verteilt.
Die Einzelabschnitte 4 sind mit den Großbuchstaben A, B, C, ... versehen, innerhalb der Einzelabschnitte 4 sind die linienförmigen Energieeinträge 3 mit einem kleinen Pfeil 5, der die Verfahrrichtung des Laserstrahls zeigt, dargestellt. Sämtliche Energieeinträge 3 sind mit Kleinbuchstaben a, b, c, ... versehen, die die Reihenfolge der Bestrahlung angeben. So ist aus Zeichnungsfigur 1 entnehmbar, daß als erstes im Einzelabschnitt 4A dieser vollständig mit den Energieeinträgen 3a–3e bestrahlt wird. Anschließend wird der Einzelabschnitt 4F mit den Energieeinträgen 3f–3j bestrahlt und nachfolgend wird mit dem Einzelabschnitt 4G begonnen. Dabei sind die einzelnen nacheinander erfolgenden Energieeinträge 3, sowie die einzelnen nacheinander vollständig bestrahlten Einzelabschnitte 4 voneinander beabstandet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Bestrahlungsreihenfolge innerhalb eines Bauprozesses zumindest bereichsweise derart, daß nach einem ersten punkt- oder linienförmigen Energieeintrag 3 innerhalb eines ersten Einzelabschnittes 4 der folgende Energieeintrag 3 in einem weiteren zweiten Einzelabschnitt 4 erfolgt und der darauf folgende Energieeintrag 3 entweder in einem dritten oder einem bereits bereichsweise bestrahlten Einzelabschnitt 4 erfolgt, wobei die nacheinander bestrahlten Einzelabschnitte 4 und/oder erfolgten Energieeinträge 3 nicht unmittelbar nebeneinander liegen. Dies geht beispielsweise aus Zeichnungsfigur 2 hervor, so findet der erste Energieeintrag 3a im Einzelabschnitt 4A statt, der darauffolgende zweite Energieeintrag 3b im Einzelabschnitt 4C, der dritte 3c in Einzelabschnitt 4E usw.. In dem in Zeichnungsfigur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel findet der zweite im Einzelabschnitt 4A plazierte Energieeintrag j erst dann statt, wenn sämtliche Einzelabschnitte 4 einen Energieeintrag 3 erfahren haben. Weiter geht aus dem Ausführungsbeispiel hervor, daß der Abstand 6 wenigstens zweier nacheinander bestrahlter Einzelabschnitte 4A, 4F mindestens dem kleinsten Querschnitt 7 eines Einzelabschnitts 4F entspricht. Ferner ist erkennbar, daß der Abstand 8 wenigstens zweier aufeinander folgender Energieeinträge 3g, 3h mindestens dem kleinsten Querschnitt 9 eines Energieeintrages 3g entspricht.
In einem weiterführenden Ausführungsbeispiels gemäß Zeichnungsfigur 3 ist die Bestrahlungsreihenfolge der Einzelabschnitte 4 und der Energieeinträge 3 nach einem stochastischen Auswahlverfahren bestimmt. Der erste Energieeintrag 3a findet im Einzelabschnitt 4A, der zweite 3b im Einzelabschnitt 4H, der dritte 3c im Einzelabschnitt 4C, der vierte 3d im Einzelabschnitt 4G, usw. statt. Trotz des stochastischen Auswahlverfahrens sind die nacheinander bestrahlten Energieeinträge 3 und Einzelabschnitte 4 voneinander beabstandet (vgl. Abstände 6, 8). Neben dem stochastischen Auswahlverfahren geht aus dem Ausführungsbeispiel hervor, daß sich die Ausrichtung des linienförmigen Energieeintrages 3 in mindestens zwei Einzelabschnitten 4 unterscheidet. So sind die linienförmigen Energieeinträge 3 der Einzelabschnitte 4B, 4D, 4F, 4H, zueinander parallel, jedoch in auf die weiteren Einzelabschnitte 4A, 4C, 4E, 4G, 4I senkrecht stehend ausgerichtet.
Daß die Form der Einzelabschnitte 4 nicht zwangsläufig quadratisch definiert sein muß, geht aus Zeichnungsfigur 4 hervor, wonach innerhalb einer Schicht 2 eines Bauteils 1 die Einzelabschnitte 3 sowohl quadratische, rechteckige wie auch sechseckige Formen umfassen können. Zur Steigerung der Stabilität des Bauteils 1 kann es vorgesehen sein, die Bestrahlung derart zu gestalten, daß sich mindestens zwei Einzelabschnitte 4 überschneiden (nicht dargestellt). Ferner kann durch die Bestrahlung der Randbereiche der Einzelabschnitte 4 eine bauteilinterne Gitterstruktur geschaffen werden, die durch separate und/oder durch Überschneidung mehrerer Einzelabschnitte 4 erzeugt werden kann. Beispielsweise kann die Verfestigung der Gitterlinien als abschließende Bestrahlungsmaßnahme innerhalb einer Schicht 2 erfolgen.
Das Ausführungsbeispiel in Zeichnungsfigur 5 stellt ein Bauteil 1 dar, das in der dargestellten Schicht 2 einen u-förmigen Querschnitt aufweist. Die Einzelabschnitte 4 sind in vier Einzelabschnittsgruppierungen 10 zusammengefaßt. Die erste Einzelabschnittsgruppierung 10 wird aus den Einzelabschnitten 4A–4F gebildet; die zweite Einzelabschnittsgruppierung 10 aus den Einzelabschnittsgruppen 4G–4J; die dritte aus den Einzelabschnitten K und L und die vierte aus den Einzelabschnitten 4M–4P. Diese Einzelabschnittsgruppierungen 10 sind entsprechend der Bauteilanforderungen mit einer unterschiedlichen Bestrahlungsabfolge, Bestrahlungszeit, Einzelabschnittsform, Bestrahlungsintensität und/oder unterschiedlichem Grad der Überschneidung bestrahlt. Eine derartige Aufteilung der Querschnittsschicht 2 des Bauteils 1 ist nicht nur bei kritischen Bauteilquerschnitten sinnvoll, sondern auch grundsätzlich bei massiven Bauteilen 1, die in einen Hüllbereich und einen Kernbereich unterteilbar sind, sinnvoll. Durch die Variation der Bestrahlungsabfolge, Bestrahlungszeit, Einzelabschnittsform, Bestrahlungsintensität und/oder dem Maß der Überschneidung von Einzelabschnitt 4 lassen sich beispielsweise unterschiedliche Bauteildichten und/oder Stabilitäten innerhalb einer Schicht 2 realisieren.

1: Bauteil
2: Schicht
3: Energieeintrag
4: Einzelabschnitt
5: Pfeil
6: Abstand von 4
7: kleinster Querschnitt von 4
8: Abstand von 3
9: kleinster Querschnitt von 3
10: Einzelabschnittsgruppierung
A, B, ...: Einzelabschnitte
a, b, ...: Bestrahlungsfolge der Energieeinträge

Claims

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils, insbesondere Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren zur Anwendung in einem Lasersinterautomaten, bei dem das Bauteil durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten aus verfestigbarem Baumaterial durch Einwirkung einer Strahlung, insbesondere einer Laserstrahlung, erzeugt wird, wobei der punkt- und/oder linienförmige Energieeintrag in mindestens einer Schicht in flächigen Einzelabschnitten erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Bauprozesses die Bestrahlungsreihenfolge zumindest bereichsweise derart abläuft, daß nach einem ersten punkt- oder linienförmigen Energieeintrag innerhalb eines ersten Einzelabschnitts der folgende Energieeintrag in einem weiteren zweiten Einzelabschnitt erfolgt und der darauffolgende Energieeintrag entweder in einem dritten oder einem bereits bereichsweise bestrahlten (ersten) Einzelabschnitt erfolgt, wobei die nacheinander bestrahlten Einzelabschnitte und/oder erfolgten Energieeinträge nicht unmittelbar nebeneinander liegen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand wenigstens zweier nacheinander bestrahlter Einzelabschnitte mindestens dem kleinsten Querschnitt eines Einzelabschnitts entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand wenigstens zweier nacheinander erfolgender Energieeinträge mindestens dem kleinsten Querschnitt eines Energieeintrages entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsreihenfolge der Einzelabschnitte und/oder der Energieeinträge nach einem stochastischen Auswahlverfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausrichtung des linienförmigen Energieeintrags in mindestens zwei Einzelabschnitten unterscheidet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Form mindestens eines Einzelabschnitts quadratisch, rechteckig oder sechseckig ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Form und/oder Dimensionierung mindestens zweier Einzelabschnitte unterschiedlich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens zwei Einzelabschnitte überschneiden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Randbereiche der Einzelabschnitte als Gitterstruktur separat und/oder durch Überschneidung mehrerer Einzelabschnitte bestrahlt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigung der Gitterlinien als abschließende Bestrahlungsmaßnahme innerhalb einer Schicht erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Einzelabschnitte zu mindestens zwei Einzelabschnittsgruppierungen zusammengefaßt ist, die sich in ihrer Bestrahlungsabfolge, Bestrahlungszeit, Einzelabschnittsform, Bestrahlungsintensität und/oder Grad der Überschneidung unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Einzelabschnittsgruppierung im wesentlichen im Hüllbereich und eine weitere Einzelabschnittsgruppierung im wesentlichen im Kernbereich eines Bauteils angeordnet ist.