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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung einer Anbindung einer dünnen Struktur, Steuerdaten und eine Fertigungsvorrichtung.
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Bei einer additiven Fertigung durch schichtweise Verfestigung eines Pulvers (bzw. eines pulverförmigen Aufbaumaterials) zu einem Objekt kann der Anschluss von dünnen Strukturen an einer ausgedehnten Struktur („Bulk“) problematisch sein.
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Mit heutigen Technologien stellt es kein Problem dar, dünne Strukturen im Bereich von 100 bis 200 Mikrometern zu verfestigen. Beispielsweise kann ein Laserstrahl mit einem Fokuspunkt von 50 Mikrometern ein Schmelzbad erzeugen, welches eine Breite im Bereich von 100 Mikrometern aufweist. Damit können sehr dünne Wandungen geschaffen werden, z.B. für einen dünnen, aber stabilen Infill oder für Wärmetauscherstrukturen.
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Bei der Fertigung von ausgedehnten Strukturen kann dabei der Effekt auftreten, dass Material in ihrem Umfeld ausgedünnt wird. Beispielsweise kann bei ihrer Fertigung aus einem strahlinduzierten Schmelzbad Pulver aus dem Umfeld durch Ausdehnen und anschließendes Zusammenziehen der Schmelze in die Struktur hinein gezogen oder durch Drücke, die durch spontane Verdampfung von Material entstehen, von der Struktur weggedrückt werden.
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Beispielsweise können bei einem direkten Metall-Lasersintern (einem DMLS-Prozess) mehrere Effekte auftreten: Wenn der Laserstrahl auf das Pulver trifft, entsteht eine Schmelzbad-Dynamik. Zuerst wird das Pulver aufgeschmolzen und es erfolgt eine Volumenausdehnung. Bewegt sich der Laser (mit seiner hohen Geschwindigkeit) weiter erstarrt die Schmelze sehr schnell aufgrund der hohen Abkühlrate. Dadurch entstehen Spannungen und zudem eine Volumenreduktion. An der Oberfläche wirkt in der Regel der Marangoni Effekt. Durch das Ausdehnen kann Pulver im Umfeld der heißen Schmelze an dieser ankleben. Je höher der Energieeintrag umso gravierender kann dieser Effekt ausfallen. Zieht sich beim Erstarren die Schmelze zusammen, so fehlt das angeklebte Pulver im Umfeld der ehemaligen Schmelze.
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Zudem können aufgrund des Eindringens von Wärme in die Tiefe lokal hohe Verdampfungsdrücke herrschen, welches Pulver lokal wegschleudern. Folglich vermindert eine ausgedehnte Schmelze nicht nur die Menge des umgebenden Pulvers durch Mitnahme nach innen, sondern auch durch Extraktion nach außen.
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Durch das Zusammenziehen der Schmelze kann auch der Effekt auftreten, dass die Wandung der ausgedehnten Struktur (des „Bulk“) leicht konkav ist, so dass eine dünne Wand an ihrem bestimmungsgemäßen Endpunkt die Struktur gar nicht mehr berührt.
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All diese Effekte wirken zwar in der Regel in einem sehr kleinen Bereich in der Größenordnung von einigen zehn bis hundert Mikrometern, jedoch kann dies gravierende Auswirkungen auf eine Anbindung von sehr dünnen Wänden haben.
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Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet und eine verbesserte Anbindung einer Wand an ein ausgedehntes Volumen erlaubt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung einer Anbindung einer dünnen Struktur an ein ausgedehntes Volumen anzugeben, sowie entsprechende Steuerdaten und eine Fertigungsvorrichtung, mit denen die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, Steuerdaten gemäß Patentanspruch 8, eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 9 und eine Fertigungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 10 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Verbesserung einer Anbindung einer dünnen Struktur (z.B. einer Wand oder einer Strebe), an ein ausgedehntes Volumen bei einem schichtweise gefertigten Objekt basierend auf einem virtuellen dreidimensionalen Objektmodell durch Verfestigung eines pulverförmigen Aufbaumaterials mittels Strahlung. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- - Ermitteln einer Anzahl von Anbindungsstellen im Objektmodell, an denen eine Struktur mit einer Dicke unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts an eine Volumenbegrenzung anbindet, deren Dicke einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt,
- - Vorgeben eines Fertigungsmodus für eine Anzahl von ermittelten Anbindungsstellen dermaßen, dass für eine Anbindungsstelle einer Struktur an eine Volumenbegrenzung die Berührungsfläche zwischen Struktur und Volumenbegrenzung vergrößert wird und/oder ein Profil von Strahlparametern zur Fertigung der Struktur vorgegeben wird und/oder eine Fertigungsreihenfolge vorgegeben wird, gemäß der die Struktur, zeitlich vor oder zusammen mit der entsprechenden Volumenbegrenzung gefertigt wird,
- - Ändern des Objektmodells und/oder Generieren von Steuerdaten zur Fertigung eines Objekts aus dem Objektmodell gemäß dem vorgegebenen Fertigungsmodus.
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Das schichtweise Fertigen von Objekten basierend auf einem virtuellen dreidimensionalen Objektmodell durch Verfestigung eines pulverförmigen Aufbaumaterials mittels Strahlung ist hinlänglich bekannt und muss hier nicht beschrieben werden. Bei den gängigen Verfahren liegt das Objektmodell üblicherweise als CAD-Objekt oder als Oberflächenobjekt in Form von geometrischen Daten vor, z.B. in einer Datei. Das Objektmodell kann z.B. als reines Volumenmodell vorliegen, bei dem die dünnen Strukturen mit einer geringen Ausdehnung bzw. Wandstärke ausgeformt sind. Es kann aber auch aus zwei oder mehr Teil-Modellen gebildet werden, wobei mindestens eines der Teil-Modelle ein Surface-Modell ist, welches die dünnen Wände beschreibt. Die dünnen Strukturen können in dem Objektmodell insbesondere Streben als Flächen oder Linien (bzw. Kurven) gegeben sein. Mittels eines Lasers (oder einer anderen Strahlungsquelle) wird das Objekt dann entsprechend generierter Steuerdaten so gefertigt, dass eine Vielzahl von Pulverschichten nacheinander aufgetragen und entsprechend der Daten des Objektmodells sukzessive verfestigt werden.
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Hierbei kann es geschehen, dass dünne Wände in dem Objektmodell, die an ein ausgedehntes Volumen stoßen, im gefertigten Objekt nicht dicht abschließen, da z.B. Pulver an der Anbindungsstelle fehlt. Das Verfahren löst dieses Problem. Es sollte beachtet werden, dass das Problem in der X-/Y-Ebene (Struktur und Volumenbegrenzung stehen z.B. beide senkrecht) recht einfach bildlich vorstellbar ist. Das Verfahren löst aber auch Probleme in der Z-Ebene, z.B. wenn die Struktur auf einer ausgedehnten Bodenfläche steht oder eine ausgedehnte Decke auf eine dünne Struktur aufgesetzt wird. Hier wirkt zwar nicht der Effekt der Pulvermitnahme durch eine Schmelze, da das Pulver schichtweise aufgetragen wird, jedoch kann auch dort eine Anbindung der dünnen Struktur an eine ausgedehnte Schicht aus anderen Gründen problematisch sein.
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Bei dem Verfahren wird zunächst die Anbindungsstellen im Objektmodell ermittelt, an denen eine dünne Struktur an ein ausgedehntes Volumen anbindet.
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Eine dünne Struktur ist hier eine Struktur mit einer Dicke unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts. Dieser Grenzwert kann in Form einer Größenangabe, z.B. in mm, vorliegen, kann aber auch in Form einer Anzahl von Verfestigungslinien vorliegen. Beispielsweise kann jede wandartige Struktur oder Strebe, die dünner ist als 0,5 mm, als dünne Struktur angesehen werden, es könnte aber auch jede Struktur, die aus weniger als 5 nebeneinanderliegenden Verfestigungslinien gebildet wird, als dünn angesehen werden. Bevorzugt ist der Grenzwert kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm, insbesondere kleiner als 0,2 mm. Bezogen auf eine Anzahl von Verfestigungslinien ist der Grenzwert bevorzugt kleiner als 10, vorzugsweise kleiner als 5, insbesondere kleiner als 3.
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Im Grunde ist eine dünne Struktur eine Struktur, bei der mindestens eine Raumdimension nach den vorangehenden Definitionen dünn ist. Es kann sich dabei um eine Wand handeln (dann kann an Stelle des Wortes „Struktur“ auch das Wort „Wand“ verwendet werden) oder es kann sich um eine stangenähnliche Struktur handeln (dann kann an Stelle des Wortes „Struktur“ auch das Wort „Stange“ oder „Strebe“ verwendet werden). Unter einer Wand kann man hier auch eine zwei- oder dreidimensionale gekrümmte Fläche verstehen. In dieser Anmeldung wird das Wort „Struktur“ auch als Abkürzung für die „dünne Struktur“ verwendet. Hiervon ist jedoch die „ausgedehnte Struktur“ abzugrenzen, welche im Grunde diejenige Struktur ist, zu der die Volumenbegrenzung gehört.
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Das ausgedehnte Volumen kann eine ausgedehnte Struktur („Bulk“) sein aber auch einfach eine dicke Wand oder Strebe. Die ausgedehnte Struktur kann hier wieder zwei- oder dreidimensional gekrümmt werden. Sie wird hier allgemein als eine „Volumenbegrenzung“ bezeichnet, weil für die Anbindung der dünnen Struktur im Grunde nur die Oberfläche des Volumens relevant ist. Für diese Oberfläche muss aber ein gewisses Schmelzbad erzeugt werden, weshalb deren Dicke einen vorgegebenen Grenzwert übersteigen muss. Dieser Grenzwert kann wieder in Längenangaben oder in Zahlen von Verfestigungslinien angegeben werden (da durch jede neue Linie ja zusätzliche Energie an die betreffende Stelle abgegeben wird). Bevorzugt ist dieser Grenzwert größer als 2 mm, vorzugsweise größer als 5 mm, insbesondere größer als 7 mm. Bezogen auf Verfestigungslinien ist der Grenzwert bevorzugt größer als 10, vorzugsweise größer als 15, insbesondere größer als 20. Ab einem bestimmten Punkt ist der Energieeintrag irrelevant, da sich die Energie nicht mehr an der Anbindungsstelle äußert. Dies hängt jedoch von der Wärmeleitung des Aufbaumaterials ab.
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Die Ermittlung kann in einem Programm durchgeführt werden, mit dem ein Objektmodell erstellt oder betrachtet werden kann oder mit einem Programm, welches Steuerdaten zur Fertigung eines Objekts gemäß dem Objektmodell generieren soll.
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Für eine Anzahl von ermittelten Anbindungsstellen, also nicht zwingend für alle ermittelten Anbindungsstellen, wird nun ein Fertigungsmodus ermittelt. Ein solcher Fertigungsmodus für eine Anbindungsstelle gibt vor, wie die jeweilige Anbindungsstelle gefertigt werden soll. Dieser Fertigungsmodus kann dabei mehrere Aspekte umfassen bzw. berücksichtigen.
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Für eine bessere Anbindung der dünnen Struktur an die Volumenbegrenzung kann im Bereich der Anbindungsstelle die Berührungsfläche zwischen Struktur und Volumenbegrenzung vergrößert werden, z.B. indem die Struktur dort dicker gestaltet wird bzw. mehr Verfestigungslinien gewählt werden oder die Struktur etwas mit der Volumenbegrenzung überlappt. Alternativ oder zusätzlich kann ein Profil von Strahlparametern zur Fertigung der Struktur vorgegeben werden, z.B. dass im Bereich der Anbindungsstelle lokal eine größere Leistung eingebracht wird als zur Verfestigung der restlichen Struktur. Alternativ oder zusätzlich kann eine Fertigungsreihenfolge vorgegeben werden, z.B. bestimmt werden, dass die Struktur zeitlich vor oder zusammen mit der Volumenbegrenzung gefertigt wird.
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Eine zeitliche Vorgabe hat den Vorteil, dass man vor der Fertigung der Volumenbegrenzung bereits in ihrem Bereich eine verfestigte Oberfläche hat. Dort kann weder Pulver von einer Schmelze weggenommen noch weggeweht werden, welches später zur Struktur würde, da die Struktur dort bereits verfestigt worden ist.
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Eine Vergrößerung der Berührungsfläche hat den Vorteil, dass die Anbindung eine zusätzliche Stabilität erfährt. Die Struktur kann z.B. bis in die Volumenbegrenzung hinein verlaufen (ggf. bis in deren Infill) oder an der Anbindungsstelle verdickt sein, z.B. mit zusätzlichen Verfestigungslinien bzw. mit einem konischen Übergang. Diese Vergrößerung kann mit einer vorgezogenen Fertigung der Struktur einhergehen, die Verdickung kann jedoch auch zusammen mit der Volumenbegrenzung gefertigt werden, z.B. indem ein trompetenförmiger Übergang als Teil der Volumenbegrenzung gefertigt wird und die Struktur bis in diesen Übergang hineinragt.
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Das Profil von Strahlparametern kann z.B. vorgeben, dass an der Anbindungsstelle die Struktur mit einer höheren Leistung gefertigt wird, als im übrigen Bereich. Dies kann durch zeitliche Modulation des Strahls (kontinuierlicher Betrieb im Bereich der Anbindungsstelle, gepulster Betrieb im übrigen Bereich) erreicht werden oder durch energetische Modulation (hohe Energie im Bereich der Anbindungsstelle, niedrigere Energie im übrigen Bereich der Struktur), es kann aber auch die Intensität entsprechend geregelt werden (hohe Intensität im Bereich der Anbindungsstelle, niedrigere Intensität im übrigen Bereich der Struktur).
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Dieser vorgegebene Fertigungsmodus kann nun zur Änderung des Objektmodells verwendet werden, z.B. dessen Geometrie durch Verdicken der Anbindungsstellen ändern oder Parameter zur Fertigung ändern. Alternativ oder zusätzlich können Steuerdaten zur Fertigung eines Objekts aus dem Objektmodell gemäß dem vorgegebenen Fertigungsmodus generiert und ausgegeben werden. Letztendlich dient dieser Schritt dazu, dass ein Objekt gemäß dem Fertigungsmodus mit einer verbesserten Anbindung der dünnen Wände gefertigt werden kann.
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Erfindungsgemäße Steuerdaten wurden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erstellt. Sie unterscheiden sich von herkömmlichen Steuerdaten, da sie gezielt geometrische Veränderungen am Modell umfassen (z.B. Verdickungen) und/oder gezielte Fertigungsreihenfolgen (z.B. dünne Wände vor dicken Volumenbegrenzungen) und/oder Vorgaben zur unterschiedlichen Strahlführung bei den dünnen Wänden (z.B. Anbindungsstelle mit mehr Leistung verfestigen als die restliche Struktur).
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Verbesserung einer Anbindung einer dünnen Struktur an ein ausgedehntes Volumen bei einem schichtweise gefertigten Objekt basierend auf einem virtuellen dreidimensionalen Objektmodell durch Verfestigung eines pulverförmigen Aufbaumaterials mittels Strahlung, das Verfahren Sie umfasst die folgenden Komponenten:
- - eine Ermittlungseinheit ausgelegt zum Ermitteln einer Anzahl von Anbindungsstellen im Objektmodell, an denen eine Struktur mit einer Dicke unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts („dünne Struktur“ an eine Volumenbegrenzung anbindet, deren Dicke einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt,
- - eine Fertigungsmodus-Einheit ausgelegt zum Vorgeben eines Fertigungsmodus für eine Anzahl von ermittelten Anbindungsstellen dermaßen, dass für eine Anbindungsstelle einer Struktur an eine Volumenbegrenzung die Berührungsfläche zwischen Struktur und Volumenbegrenzung vergrößert wird und/oder eine Fertigungsreihenfolge vorgegeben wird, gemäß der die Struktur, zeitlich vor oder mit der entsprechenden Volumenbegrenzung gefertigt wird,
- - eine Änderungseinheit ausgelegt zum Ändern des Objektmodells und/oder Generieren von Steuerdaten zur Fertigung eines Objekts aus dem Objektmodell gemäß dem vorgegebenen Fertigungsmodus.
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Die Funktion der Komponenten der Vorrichtung wurde bereits vorangehend beschrieben. Die Vorrichtung ist bevorzugt zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt. Die Vorrichtung sorgt dafür, dass dünne Strukturen an andere Strukturen eines Objekts optimal angebunden sind. Den oben aufgeführten Nachteilen, nämlich dass ausgedehnte Strukturen Pulver in ihrer Umgebung vereinnahmen, kann die Vorrichtung mit der Fertigungsmodus-Einheit effektiv entgegenwirken.
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Eine erfindungsgemäße Fertigungsvorrichtung zur Durchführung eines Fertigungsprozesses, bei dem ein Objekt basierend auf einem virtuellen dreidimensionalen Objektmodell durch schichtweise Verfestigung eines pulverförmigen Aufbaumaterials mittels Strahlung aufgebaut wird, umfasst eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Fertigungsprozesses und eine Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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Die Erfindung kann insbesondere in Form einer Rechnereinheit mit geeigneter Software realisiert sein. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen. Insbesondere kann sie in Form von geeigneten Softwareprogrammteilen in der Rechnereinheit realisiert sein. Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Rechnereinheiten auf einfache Weise durch ein Software- bzw. Firmware-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Rechnereinheit ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Rechnereinheit ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z.B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen.
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Zum Transport zur Rechnereinheit und/oder zur Speicherung an oder in der Rechnereinheit kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind.
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Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den Ansprüchen und Beschreibungsteilen zu einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
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Bevorzugt wird eine Anbindungsstelle mittels Durchsuchen des Objektmodells auf Wände mit einer Dicke unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts und auf einen Berührungsbereich dieser Wände mit Volumenbegrenzungen des Objektmodells ermittelt. Das Objektmodell kann dazu auf Strukturen durchsucht werden, die längs einer Länge ausgedehnt sind und deren Dicke oder Höhe (im Grunde ihre Ausdehnung in einer Raumrichtung) den Grenzwert unterschreitet, Genauso (nur mit dem anderen Grenzwert für deren minimale Dicke) können die Volumenbereiche ermittelt werden. Anbindungsstellen werden nun dort definiert, wo die Strukturen auf die Volumenbereiche treffen (im „Berührungsbereich“).
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Bevorzugt wird dabei ein Berührungsbereich nur dann als Anbindungsstelle angesehen, wenn die Wand in einem vorbestimmten Winkelbereich um die Flächennormale der Volumenbegrenzung herum verläuft. Der Winkelbereich ist z.B. bevorzugt kleiner 120°, bzw. plus/minus 60° zur Flächennormalen der Oberfläche der Volumenbegrenzung. Bei schrägen Anbindungsstellen könnte selbst eine dünne Wand einen ausreichenden Berührungsbereich mit der Volumenbegrenzung aufweisen. Es könnte hier von Vorteil sein, dass ab einem vorgegebenen Grenzwinkel nur eine einseitige Verdickung der Struktur erfolgt, nämlich insbesondere zwischen der Struktur und dem ausgedehnten Volumen. Es ist auch bevorzugt, dass der Fertigungsmodus in Abhängigkeit von dem Winkel ausgewählt wird. Hier kann bevorzugt die Ermittlungseinheit anhand vorgegebener Grenzwinkel entscheiden, ob und welche Verstärkung erforderlich wird, also welcher Fertigungsmodus angewendet werden sollte, und dies der Fertigungsmodus-Einheit mitteilen. Auch könnte dies die Fertigungsmodus-Einheit entscheiden. Diese Ausführungsform kann besonders für gekrümmte Strukturen von Vorteil sein.
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Bevorzugt modifiziert der Fertigungsmodus die Anbindungsstelle dahingehend, dass die dünne Struktur für eine vorgegebene Strecke in die Volumenbegrenzung hinein verlängert wird. Die dünne Struktur überlappt also mit dem Volumenbereich (des ausgedehnten Volumens). Hier kann durchaus der Bereich der Überlappung mehrfach Strahlung erfahren: Einmal beim Fertigen der Struktur und einmal beim Fertigen des Volumenbereichs. Die dünne Struktur kann dabei bis in den Infill des Volumenbereichs hineinragen. Der Bereich der Überlappung ist dabei bevorzugt länger als 0,1 mm, insbesondere länger als 0,5 mm, jedoch bevorzugt kürzer als 5 mm oder bevorzugt für ein vorgegebenes Vielfaches der Dicke der Struktur. Dies vergrößert die Berührungsfläche zwischen Struktur und Volumenbegrenzung.
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Die Strecke, mit der die Struktur in den Volumenbereich hineinragt, kann bevorzugt von ihrer Dicke abhängen. Dazu kann ein Faktor festgelegt werden, mit dem die Dicke der Struktur multipliziert wird oder durch den die Dicke der Struktur dividiert wird, um die Länge der Strecke der Überlappung zu bestimmen. Es kann auch dieser Faktor durch die Dicke der Struktur geteilt werden. Dies führt dazu, dass der Teil der Struktur, der in den Volumenbereich hineinragt, kleiner wird, je dicker die Struktur ist. Beispielsweise kann die Strecke S der Überschneidung mit dem vorgegebenen Faktor f und der Dicke D der Struktur über die Formel S = f · D berechnet werden oder mit der Formel S = f / D. Der Faktor f liegt bevorzugt zwischen 1 und 50, besonders bevorzugt zwischen 3 und 10.
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Bevorzugt ist der verlängerte Teil dicker als die Struktur. Er kann aber auch bevorzugt mit zunehmender Eindringtiefe dicker werden. Dies hat den Vorteil, dass die Struktur mit der Volumenbegrenzung verzahnt wird.
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Bevorzugt bestimmt der Fertigungsmodus, dass die Anbindungsstelle in einem vorgegebenen Bereich vor der Volumenbegrenzung verdickt wird. Dieser Bereich endet bevorzugt weniger als 5 mm vom Volumenbereich entfernt, vorzugsweise weniger als 3 mm oder gar weniger als 2 mm. Es werden dabei bevorzugt Strukturen hinzugefügt, die parallel zur Struktur verlaufen und diese berühren, z.B. weitere Verfestigungslinien parallel zu denen der Struktur. Alternativ oder zusätzlich wird die Struktur dort parallel verbreitert. Alternativ oder zusätzlich wird ein konischer oder trompetenförmiger Übergang zwischen Struktur und Volumenbegrenzung geformt, insbesondere trompetenförmig mit Radien bzw. Mattek-Radien. Eine solche Verdickung hat neben der besseren Anbindung zusätzlich noch einen vorteilhaften aussteifenden Effekt.
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Bevorzugt bestimmt der Fertigungsmodus, dass an der Anbindungsstelle die Struktur mit anderen Strahlparametern gefertigt wird als andere Bereiche der Struktur. Bevorzugt wird dabei an der Anbindungsstelle die Struktur mit einer höheren Leistung und/oder einem größeren Strahldurchmesser gefertigt. Verglichen mit der Fertigung der übrigen Struktur ist dabei bevorzugt, dass an der Anbindungsstelle:
- - die Leistung einer kontinuierlichen Strahlung höher ist, und/oder
- - die Strahlzeit (bei PWM entspricht dies dem Tastverhältnis) einer gepulsten Strahlung höher ist (z.B. kontinuierlich), und/oder
- - ein höherer Energieeintrag erfolgt, und/oder
- - eine andere Energieverteilung im Strahlungspunkt (z.B. ein anderes BeamShaping Design) verwendet wird, und/oder
- - ein größerer Strahlungspunkt verwendet wird.
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All dies vergrößert den Wärmeeintrag. Wichtig ist dabei, dass die Anbindungsstelle mit einem größeren Wärmeeintrag gefertigt wird als der Rest der betreffenden Struktur.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Anbindungsstelle als Teil der Volumenbegrenzung geformt, bevorzugt zusammen mit einem Teil der Struktur, wobei bevorzugt Verfestigungsvektoren zur Fertigung der Volumenbegrenzung so gestaltet werden, dass sie die Anbindungsstelle und bevorzugt auch einen Teil der Struktur formen. Beispielsweise kann der Rand der Volumenbegrenzung über einen Radius in die Struktur auslaufen bzw. ein Verfestigungspfad als Rand der Volumenbegrenzung beginnen und als Teil der Struktur enden.
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Bevorzugt gibt der Fertigungsmodus zusätzlich eine lokale Verdickung der Volumenbegrenzung im Bereich der Anbindungsstelle vor. Dies kann Alternativ oder zusätzlich zu einer Verdickung der Struktur erfolgen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass ein Fertigungsmodus nicht für alle Anbindungsstellen identisch sein muss. Abhängig von der Dicke der Struktur, deren Winkel zur Volumenbegrenzung und oder der Länge der Struktur bzw. Abhängig von einem vorgegebenen Belastungsprofil könnten für unterschiedlichen Anbindungsstellen auch unterschiedliche Fertigungsmodi angegeben werden.
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Bevorzugt ist auch eine Aufbereitung der Geometrie oder von Scanpattern für einen optimalen Übergang zwischen einer dünnen Struktur und einem massiven Bauteilbereich. Insbesondere erreichen horizontale Stege mit Downskin in einem feinen Gitter (z.B. mit einem Gitterabstand von 1 bis 1,5 mm) eine bessere Anbindung durch lokale doppelte Einzelvektoren und einen optimierten Energieeintrag.
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Bevorzugt erfolgt vor dem Ermitteln einer Anzahl von Anbindungsstellen im Objektmodell eine Konzeption und ein Design des Objektmodells und dessen Erstellung, insbesondere mittels eines CAD-Programms. Das Objektmodell kann dabei ein Volumenmodell mit dünnen Strukturen mit kleiner Ausdehnung sein oder auch ein Volumenmodell kombiniert mit oder zumindest teilweise erstellt aus Flächenelementen sein, wobei die Flächenelemente die dünnen Strukturen beschreiben. Es erfolgt wie bereits oben zum erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben die Bestimmung dünner Strukturen und deren Anbindungsstellen an eine Volumenbegrenzung.
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Bevorzugt werden Anbindungsstellen in 2D-Schichten eines in Schichten zerlegten Objektmodells ermittelt oder in einem 3D Objektmodell M.
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Vorzugsweise wird abgefragt, ob eine manuelle oder eine automatische GeometrieAnpassung erfolgen soll. Manuelle Anpassungen können durch einen Benutzer direkt am Objektmodell vorgenommen werden, wobei hier bevorzugt ist, dass die Anbindungsstellen automatisiert in einem CAD-Programm markiert werden. Da die Anbindungsstellen ja bekannt sind und damit auch deren Position, ist eine Markierung unproblematisch.
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Wie bereits beschrieben kann beispielsweise für die Anbindungsstellen die Berührungsfläche zwischen Struktur und Volumenbegrenzung vergrößert werden bzw. ein Profil von Strahlparametern zur Fertigung der Struktur vorgegeben werden bzw. eine Fertigungsreihenfolge vorgegeben werden, gemäß der die Struktur, zeitlich vor oder zusammen mit der entsprechenden Volumenbegrenzung gefertigt wird. Dies erfolgt nach einem vorgegebenen Fertigungsmodus. Es können also z.B. für einen Teil der Anbindungen Strahlparameter angepasst werden, für einen anderen Teil Verdickungen der Anbindungsstellen durchgeführt werden und für einen weiteren Teil Fertigungsreihenfolgen vorgegeben werden.
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Zuletzt werden dann wieder Steuerbefehle zum Aufbau eines Objekts gemäß dem Objektmodell im Lichte der Modifikationen generiert und ggf. ein finales Setup der Fertigungsvorrichtung durchgeführt. Alternativ kann das Objektmodell entsprechend der Modifikationen geändert werden und danach in Fertigungsschichten unterteilt werden.
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Bevorzugt ist der Einsatz von Kl-basierten Verfahren (Kl: „Künstliche Intelligenz“) für das erfindungsgemäße Verfahren. Eine künstliche Intelligenz basiert auf dem Prinzip des maschinenbasierten Lernens, und wird in der Regel mit einem lernfähigen Algorithmus durchgeführt der entsprechend trainiert worden ist. Für maschinenbasiertes Lernen wird häufig der englische Ausdruck „Machine Learning“ verwendet, wobei hier auch das Prinzip des „Deep Learning“ mit umfasst wird. Eine entsprechend trainierte KI kann zum Finden von Anbindungsstellen verwendet werden und/oder zum Festlegen eines Fertigungsmodus.
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Bevorzugt umfasst die Ermittlungseinheit ein Modul mit einem maschinenlernfähigen Modell, welches auf eine Ermittlung von Anbindungsstellen in einem Objektmodell trainiert worden ist. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass Anbindungsstellen in einer Vielzahl von Objektmodellen als solche gekennzeichnet werden, z.B. manuell, und diese gekennzeichneten Objektmodelle dann zum Trainieren des Modells verwendet werden.
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Bevorzugt umfasst die Fertigungsmodus-Einheit ein Modul mit einem maschinenlernfähigen Modell, welches auf eine Vorgabe eines Fertigungsmodus für eine Anbindungsstelle trainiert worden ist. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass Anbindungsstellen in einer Vielzahl von Objektmodellen ein präferierter Fertigungsmodus zugewiesen worden ist, z.B. manuell, und diese gekennzeichneten Objektmodelle dann zum Trainieren des Modells verwendet werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen:
- 1 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung mit einer erfindungsgemäßen Modifikationsvorrichtung,
- 2 ein Beispiel für eine Anbindung einer Wand an eine Volumenbegrenzung,
- 3 Probleme bei einer Anbindung einer Wand an eine Volumenbegrenzung,
- 4 eine bevorzugte Vorgehensweise im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 5 eine bevorzugte Anbindung einer Wand an eine Volumenbegrenzung,
- 6 eine weitere bevorzugte Anbindung einer Wand an eine Volumenbegrenzung,
- 7 einen bevorzugten Fertigungsmodus,
- 8 eine weitere bevorzugte Anbindung einer Wand an zwei Volumenbegrenzungen,
- 9 eine schräge Ankopplung einer Struktur,
- 10 eine Verzahnung der Struktur,
- 11 ein Blockdiagramm zum Verfahren.
- 12 ein Diagramm zu einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens.
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Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf eine Fertigungsvorrichtung 1 zur additiven Fertigung von Bauteilen in Form einer selektiven Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung beschrieben, wobei explizit noch einmal darauf hingewiesen ist, dass die Erfindung nicht auf selektive Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtungen beschränkt ist.
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Eine solche Fertigungsvorrichtung 1 ist schematisch in 1 gezeigt. Sie weist eine Prozesskammer 3 bzw. einen Prozessraum 3 mit einer Kammerwandung 4 auf, in der im Wesentlichen der Fertigungsprozess abläuft. In der Prozesskammer 3 befindet sich ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6. Die obere Öffnung des Behälters 5 bildet die jeweils aktuelle Arbeitsebene 7. Der innerhalb der Öffnung des Behälters 5 liegende Bereich dieser Arbeitsebene 7 kann zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden und wird daher als Baufeld 8 bezeichnet.
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Der Behälter 5 weist eine in einer vertikalen Richtung V bewegliche Grundplatte 11 auf, die auf einem Träger 10 angeordnet ist. Diese Grundplatte 11 schließt den Behälter 5 nach unten ab und bildet damit dessen Boden. Die Grundplatte 11 kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein, sie kann aber auch eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein und an dem Träger 10 befestigt oder auf diesem einfach gelagert sein. Je nach Art des konkreten Aufbaumaterials, also beispielsweise des verwendeten Pulvers, und des Fertigungsprozesses kann auf der Grundplatte 11 eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Grundsätzlich kann das Objekt 2 aber auch auf der Grundplatte 11 selbst aufgebaut werden, die dann die Bauunterlage bildet.
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Der grundsätzliche Aufbau des Objekts 2 erfolgt, indem eine Schicht des Aufbaumaterials 13 zunächst auf die Bauplattform 12 aufgebracht wird, dann mit einem Laserstrahl 22 als Energiestrahl an den Punkten, welche Teile des zu fertigenden Objekts 2 bilden sollen, das Aufbaumaterial 13 selektiv verfestigt wird, dann mit Hilfe des Trägers 10 die Grundplatte 11, somit die Bauplattform 12 abgesenkt wird und eine neue Schicht des Aufbaumaterials 13 aufgetragen und selektiv verfestigt wird usw. In 1 ist das in dem Behälter auf der Bauplattform 12 aufgebaute Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt. Es weist bereits mehrere verfestigte Schichten auf, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13. Als Aufbaumaterial 13 können verschiedene Materialien verwendet werden, vorzugsweise Pulver, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver oder auch pastöse Materialien sowie optional eine Mischung mehrerer Materialien.
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Frisches Aufbaumaterial 15 befindet sich in einem Vorratsbehälter 14 der Fertigungsvorrichtung 1. Mit Hilfe eines in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichters 16 kann das Aufbaumaterial in der Arbeitsebene 7 bzw. innerhalb des Baufelds 8 in Form einer dünnen Schicht aufgebracht werden.
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Optional befindet sich in der Prozesskammer 3 eine zusätzliche Strahlungsheizung 17. Diese kann zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 13 dienen, so dass die für die selektive Verfestigung genutzte Bestrahlungseinrichtung nicht zu viel Energie einbringen muss. Das heißt, es kann beispielsweise mit Hilfe der Strahlungsheizung 17 schon eine Menge an Grundenergie in das Aufbaumaterial 13 eingebracht werden, welche natürlich noch unterhalb der notwendigen Energie ist, bei der das Aufbaumaterial 13 verschmilzt oder sintert. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler oder VCSEL-Strahler genutzt werden.
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Zum selektiven Verfestigen weist die Fertigungsvorrichtung 1 eine Bestrahlungsvorrichtung 20 bzw. konkret Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21 auf. Dieser Laser 21 erzeugt einen Laserstrahl 22, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt wird, um so die gemäß der Belichtungsstrategie vorgesehenen Belichtungspfade oder Spuren (Hatchlinien) in der jeweils selektiv zu verfestigenden Schicht abzufahren und selektiv die Energie einzubringen. Weiter wird dieser Laserstrahl 22 durch eine Fokussiereinrichtung 24 auf die Arbeitsebene 7 in geeigneter Weise fokussiert. Die Bestrahlungsvorrichtung 20 befindet sich hier bevorzugt außerhalb der Prozesskammer 3 und der Laserstrahl 22 wird über ein an der Oberseite der Prozesskammer 3 in der Kammerwandung 4 angebrachtes Einkoppelfenster 25 in die Prozesskammer 3 geleitet.
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Die Bestrahlungsvorrichtung 20 kann beispielsweise nicht nur einen, sondern mehrere Laser umfassen. Vorzugsweise kann es sich hierbei um Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z. B. Laserdioden handeln, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) oder eine Zeile dieser Laser. Ganz besonders bevorzugt können im Rahmen der Erfindung ein oder mehrere unpolarisierte Single-Mode-Laser, z. B. ein 3 kW-Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1070 nm, eingesetzt werden.
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Zur Steuerung der Einheiten der Fertigungsvorrichtung 1 dient eine Steuereinrichtung 30 umfassend eine Steuereinheit 29, welche die Komponenten der Bestrahlungsvorrichtung 20, nämlich hier den Laser 21, die Umlenkvorrichtung 23 und die Fokussiervorrichtung 24, ansteuert.
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Die Steuereinheit 29 steuert auch mittels geeigneter Heizungssteuerdaten HS die Strahlungsheizung 17 an, mittels Beschichtungssteuerdaten ST den Beschichter 16 und mittels Trägersteuerdaten TS die Bewegung des Trägers 10 und steuert somit die Schichtdicke.
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Steuereinrichtung 30 umfasst hier eine erfindungsgemäße Vorrichtung 34 zur Verbesserung einer Anbindung einer dünnen Struktur an ein ausgedehntes Volumen bei einem Objekt 2 basierend auf einem virtuellen dreidimensionalen Objektmodell M durch Verfestigung eines Pulvers mittels Strahlung. Die Vorrichtung 34 umfasst eine Ermittlungseinheit 36, eine Fertigungsmodus-Einheit 37 und eine Änderungseinheit 38.
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Die Ermittlungseinheit 36 dient zum Ermitteln einer Anzahl von Anbindungsstellen A im Objektmodell M, an denen eine Struktur W mit einer Dicke unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts an eine Volumenbegrenzung B anbindet, deren Dicke einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
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Die Fertigungsmodus-Einheit 37 dient zum Vorgeben eines Fertigungsmodus F für eine Anzahl von ermittelten Anbindungsstellen A dermaßen, dass für eine Anbindungsstelle A einer Struktur W an eine Volumenbegrenzung B die Berührungsfläche zwischen Struktur W und Volumenbegrenzung B vergrößert wird und/oder eine Fertigungsreihenfolge vorgegeben wird, gemäß der die Struktur W, zeitlich vor oder mit der entsprechenden Volumenbegrenzung B gefertigt wird.
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Die Änderungseinheit 38 dient zum Ändern des Objektmodells M, z.B. wenn Geometrien geändert worden sind oder das Objektmodell M Angaben zur Fertigungsreihenfolge oder zu Strahlungsparametern umfasst. Alternativ oder zusätzlich dient sie zum Generieren von Steuerdaten PS zur Fertigung eines Objekts 2 aus dem Objektmodell M gemäß dem vorgegebenen Fertigungsmodus F.
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Die Vorrichtung 34 ist in diesem Beispiel bevorzugt auch zum Erstellen von Steuerdaten PS zum schichtweisen Aufbau eines Objekts 2 ausgelegt, das auf dem Objektmodell M basiert. Die Vorrichtung 34 muss nicht zwingend Teil der Steuereinrichtung 30 sein, auch wenn dies bevorzugt ist. Sie kann auch extern vorliegen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 30 wie hier dargestellt über einen Bus 60 oder eine andere Datenverbindung, mit einem Terminal 40 mit einem Display oder dergleichen gekoppelt sein. Über dieses Terminal 40 kann ein Bediener die Steuereinrichtung 30 und somit die gesamte Lasersintervorrichtung 1 steuern, z.B. durch Übermittlung von Steuerdaten PS, die dort von einer Vorrichtung 34 erzeugt worden sind (wie gestrichelt angedeutet).
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Es wird an dieser Stelle auch noch einmal darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Fertigungsvorrichtung 1 beschränkt ist. Sie kann auf andere Verfahren zum generativen bzw. additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials angewendet werden, wobei ein Energiestrahl zum Verfestigen auf das zu verfestigende Aufbaumaterial abgegeben wird. Dementsprechend kann auch die Bestrahlungsvorrichtung nicht nur, wie hier beschrieben, ein Laser sein, sondern es könnte jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie als Wellen- oder Teilchenstrahlung selektiv auf bzw. in das Aufbaumaterial gebracht werden kann. Beispielsweise könnte anstelle eines Lasers eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl etc. verwendet werden.
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2 zeigt ein Beispiel für eine Anbindung einer Wand (W) oder Strebe als Beispiel für eine dünne Struktur W an eine Volumenbegrenzung B, welche hier eine Wand einer ausgedehnten Struktur („Bulk“) ist. Dieses Beispiel liegt in der X-Y-Ebene, also auf dem Baufeld, wobei eine Wand W an der Volumenbegrenzung B in Z-Richtung nach oben ragen würde. Dies stellt hier (wie auch in den nachfolgenden Figuren) jedoch lediglich ein Beispiel dar. Alle in den 2 bis 10 dargestellten Beispiele können im Grunde beliebig im Raum positioniert sein.
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In dieser Figur stößt die Struktur W an einer Anbindungsstelle A stumpf an die Volumenbegrenzung B.
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3 zeigt Probleme bei einer Anbindung einer Wand (W) oder Strebe als Beispiel für eine dünne Struktur W an eine Volumenbegrenzung B wie in 2 dargestellt. Oben ist der Fall gezeigt, dass Schmelze bei der Fertigung des Volumenelements B Pulver aus der Anbindungsstelle A abgezogen hat. Bei der Fertigung der Struktur W stand dort nicht mehr genügend Aufbaumaterial zur Verfügung, so dass in der Anbindungsstelle A eine Verjüngung der Struktur W zu erkennen ist.
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In der unteren Darstellung hat sich die Schmelze beim Abkühlen auch noch ungewollt zusammengezogen, so dass die Volumenbegrenzung B hier etwas nach Innen gebogen ist. Zur Verjüngung der Struktur W kommt hier noch hinzu, dass diese überhaupt nicht mehr mit der Volumenbegrenzung B abschließt.
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4 zeigt eine bevorzugte Vorgehensweise im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es wird hier zuerst die Struktur W gefertigt (oben, es ist ausreichend Aufbaumaterial da) und erst dann die Volumenbegrenzung B. Zudem wird die Struktur W verlängert, so dass sie ein Wenig mit der Volumenbegrenzung B überlappt. Somit wird beiden Problemen in 3 effektiv entgegengewirkt.
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5 zeigt eine bevorzugte, verdickte Anbindung einer Struktur W an eine Volumenbegrenzung B. Die Verdickung ist trompetenförmig und stellt zusätzlich eine Versteifung des Anschlussbereichs A dar. Die Verdickung ist hier als Teil der Volumenbegrenzung B ausgeführt und überlappt mit der Struktur W. Sie kann aber auch als Teil der Struktur W ausgeführt sein, und ggf. auch in die Volumenbegrenzung B hinein ragen. Letztendlich könnte auch der Rand der Volumenbegrenzung B in die Struktur W übergehen.
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6 zeigt eine weitere bevorzugte verdickte Anbindung einer Struktur W an eine Volumenbegrenzung B in Form von zwei zusätzlichen Verfestigungsstrukturen, die bis in die Volumenbegrenzung B hinein ragen.
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7 zeigt einen bevorzugten Fertigungsmodus, bei dem an der Anbindungsstelle A die Bestrahlungsvorrichtung 20 mit einem kontinuierlichen Strahl arbeitet und für die restliche Verfestigung der Struktur W in einem Pulsbetrieb arbeitet.
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8 zeigt eine weitere bevorzugte Anbindung einer Struktur W an zwei übereinanderliegenden Volumenbegrenzungen B. Die Struktur W überlappt dabei mit beiden Volumenbegrenzungen B.
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9 zeigt eine schräge Ankopplung einer Struktur W an eine Volumenbegrenzung B unter dem Winkel α. In diesem Fall weist die Struktur W nur an der der Volumenbegrenzung B eine Verdickung auf. Eine solche einseitige Verdickung ist vorteilhaft, da dadurch die äußere Seite der Struktur W glatt bleibt.
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10 zeigt eine Verzahnung der Struktur W mit der Volumenbegrenzung B, indem der verlängerte Teil der Struktur W, der in die Volumenbegrenzung B hineinragt, mit zunehmender Eindringtiefe dicker wird. Die Verzahnung ist selbstverständlich auch für die schräge Ankopplung der Struktur umsetzbar.
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11 zeigt ein Blockdiagramm zum Verfahren zur Verbesserung einer Anbindung einer Wand (W) oder Strebe als Beispiel für eine dünne Struktur (W) an ein ausgedehntes Volumen bei einem schichtweise gefertigten Objekt 2 basierend auf einem virtuellen dreidimensionalen Objektmodell M durch Verfestigung eines pulverförmigen Aufbaumaterials mittels Strahlung.
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In Schritt I wird eine Anzahl von Anbindungsstellen A im Objektmodell M ermittelt, an denen eine Struktur W mit einer Dicke unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts an eine Volumenbegrenzung B (dicke Wand oder Seitenfläche) anbindet, deren Dicke einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
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In Schritt II wird ein Fertigungsmodus F für eine Anzahl von ermittelten Anbindungsstellen A dermaßen vorgegeben, dass für eine Anbindungsstelle A einer Struktur W an eine Volumenbegrenzung B die Berührungsfläche zwischen Struktur W und Volumenbegrenzung B vergrößert wird und/oder ein Profil von Strahlparametern zur Fertigung der Struktur W vorgegeben wird und/oder eine Fertigungsreihenfolge vorgegeben wird, gemäß der die Struktur W, zeitlich vor oder zusammen mit der entsprechenden Volumenbegrenzung B gefertigt wird.
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In Schritt III werden Steuerdaten PS zur Fertigung eines Objekts 2 aus dem Objektmodell M gemäß dem vorgegebenen Fertigungsmodus F generiert.
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In 12 wird ein ausführlicheres Diagramm für ein bevorzugtes Verfahren gezeigt. In Schritt S1 erfolgt eine Konzeption und ein Design eines Objektmodells M. Dieses wird dann in Schritt S2 mittels eines CAD-Programms erstellt und abgespeichert. Das Objektmodell M kann dabei ein Volumenmodell mit dünnen Strukturen mit kleiner Ausdehnung sein oder auch ein Volumenmodell kombiniert mit oder zumindest teilweise erstellt aus Flächenelementen sein, wobei die Flächenelemente die dünnen Strukturen beschreiben.
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In Schritt S3 werden Anbindungsstellen A im Objektmodell M ermittelt, an denen eine Struktur W mit einer Dicke unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts an eine Volumenbegrenzung B anbindet, deren Dicke einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Dies kann in einem 3D Objektmodell M erfolgen oder in einem bereits in Schichten zerlegten Objektmodell M.
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In Schritt S4 wird abgefragt, ob eine manuelle oder eine automatische GeometrieAnpassung erfolgen soll. Diesem Schritt kann durchaus eine Abfrage vorausgehen, ob überhaupt eine Anpassung erfolgen soll oder nicht. Für den Fall, dass eine manuelle Anpassung erfolgen soll, kann ein Benutzer diese direkt im CAD-Programm vornehmen. Es könnten dazu die Anbindungsstellen A im CAD-Programm markiert werden. Danach könnte der Schritt S3 erneut durchlaufen werden (wie hier angedeutet) oder direkt zur Fertigung übergangen werden. Ist eine automatische Anpassung erwünscht, wird mit Schritt S5 fortgefahren.
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In Schritt S5 wird automatisiert für die Anbindungsstellen A die Berührungsfläche zwischen Struktur W und Volumenbegrenzung B vergrößert und/oder ein Profil von Strahlparametern zur Fertigung der Struktur W vorgegeben und/oder eine Fertigungsreihenfolge vorgegeben, gemäß der die Struktur W, zeitlich vor oder zusammen mit der entsprechenden Volumenbegrenzung B gefertigt wird. Dies erfolgt nach einem vorgegebenen Fertigungsmodus F. Es können also z.B. für einen Teil der Anbindungen A Strahlparameter angepasst werden, für einen anderen Teil Verdickungen der Anbindungsstellen A durchgeführt werden und für einen weiteren Teil Fertigungsreihenfolgen vorgegeben werden.
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In Schritt S6 werden dann Steuerbefehle PS zum Aufbau eines Objekts 2 gemäß dem Objektmodell M im Lichte der Modifikationen im Schritt S5 generiert und ggf. ein finales Setup der Fertigungsvorrichtung 1 durchgeführt. Alternativ kann das Objektmodell M entsprechend der Modifikationen im Schritt S5 geändert werden und danach in Fertigungsschichten unterteilt werden.
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In Schritt S7 erfolgt dann die Fertigung des Objekts 2.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Erfindung lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließen Begriffe wie „Einheit“ nicht aus, dass die betreffenden Komponenten aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten bestehen, die ggf. auch räumlich verteilt sein können. Der Begriff „eine Anzahl“ ist als „mindestens ein(e)“ zu lesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur additiven Fertigung / Fertigungsvorrichtung
- 2
- Bauteil / Objekt
- 3
- Prozessraum / Prozesskammer
- 4
- Kammerwandung
- 5
- Behälter
- 6
- Behälterwandung
- 7
- Arbeitsebene
- 8
- Baufeld
- 10
- Träger
- 11
- Grundplatte
- 12
- Bauplattform
- 13
- Aufbaumaterial (im Behälter 5)
- 14
- Vorratsbehälter
- 15
- Aufbaumaterial (im Vorratsbehälter 14)
- 16
- Beschichter
- 17
- Strahlungsheizung
- 20
- Bestrahlungsvorrichtung / Belichtungsvorrichtung
- 21
- Laser
- 22
- Laserstrahl / Energiestrahl
- 23
- Umlenkvorrichtung / Scanner
- 24
- Fokussiereinrichtung
- 25
- Einkoppelfenster
- 29
- Steuereinheit
- 30
- Steuereinrichtung
- 31
- Bestrahlungssteuerschnittstelle
- 34
- Vorrichtung
- 35
- Datenschnittstelle
- 36
- Ermittlungseinheit
- 37
- Fertigungsmodus-Einheit
- 38
- Änderungseinheit
- 40
- Terminal
- 60
- Bus
- A
- Anbindungsstelle
- B
- Volumenbegrenzung
- F
- Fertigungsmodus
- H
- horizontale Richtung
- HS
- Heizungssteuerdaten
- M
- Objektmodell
- PS
- Prozesssteuerdaten / Steuerdaten
- S1 - S7
- Verfahrensschritte
- SI
- Schichtinformationen
- ST
- Beschichtungssteuerdaten
- TS
- Trägersteuerdaten
- V
- vertikale Richtung
- W
- Wand / Struktur
- α
- Winkel
- I - III
- Verfahrensschritte