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DE10208150A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers

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DE10208150A1
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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers nach der Methode des selektiven Laserschmelzens vorgestellt, bei dem man ein Rohmaterialpulver in aufeinander folgend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers zu zusammenhängenden Bereichen verschmelzt, wobei man zur Bildung eines Randabschnittstreifens des Formkörpers in einer betreffenden Schicht eine spurweise Bestrahlung entsprechend der Kontur des Randabschnitts durchführt, wobei man den Strahl relativ zu der Schicht so führt, dass sein Auftreffpunkt auf der Schicht die Randkontur in Streifenbildungsrichtung zumindest abschnittsweise wiederholt überstreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, bei dem man ein fluides oder pulverförmiges Rohmaterial in aufeinander fol­ gend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit wenigstens einem, insbesondere gesteuert ablenkbaren Strahl, vorzugsweise Laserstrahl, entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnitts­ muster des Formkörpers zu zusammenhängenden Bereichen verfestigt bzw. verschmelzt, wobei man zur Bildung eines Streifens zusammenhängend verfestigten Materials, insbesondere eines Randabschnittes des Formkörpers in einer betreffenden Schicht den Auftreffpunkt des Strahles auf der Schicht längs einer jeweiligen Streifenbildungsspur bewegt.
Unter den Begriffen selektives Pulverschmelzen, selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern u. dgl., sind in jüngerer Zeit leistungsfähige Methoden zur Herstellung von Formkörpern auch komplizierterer Geometrie bekannt geworden, wobei diese häufig unter dem Begriff "Rapid Prototyping" oder "Rapid Tooling" oder "Rapid Manufacturing" zusammengefassten Methoden im Wesentlichen auf folgendem Prinzip basieren:
Der Formkörper, also irgendein herzustellender Gegenstand, wird nach Maßgabe von CAD-Daten bzw. von davon abgeleiteten geometrischen Beschreibungsdaten schichtweise aus einem zunächst fluiden oder feinkörnigen bzw. pulvrigen Rohmaterial aufgebaut, indem das Rohmaterial entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers durch selektives Bestrahlen verfestigt bzw. verschmolzen wird. Üblicherweise erfolgt das Bestrahlen mittels wenigstens einem gesteuert ablenkbaren Laserstrahl. Dabei erfolgt die Steuerung einer den Strahl ablenkenden Strahlablenkeinrichtung mittels einer Steuereinrichtung auf der Basis geometrischer Beschreibungsdaten des herzustellenden Formkörpers, welche üblicherweise von einem Mikrocomputer nach Maßgabe eines entsprechenden Programms aus CAD-Daten abgeleitet und bereitgestellt werden.
Der Laserstrahl zeichnet auf der zuletzt präparierten Rohmaterialschicht das dieser Schicht zugeordnete Querschnittsmuster des Formkörpers, um das Rohmaterial dem Querschnittsmuster entsprechend selektiv zu verfestigen bzw. zu verschmelzen. Nach einem solchen Bestrahlungsschritt erfolgt dann die Präparation der nächsten Rohmaterialschicht auf der zuletzt durch Bestrahlen selektiv und bereichsweise verfestigten bzw. verschmolzenen Schicht. Nach Ausbildung einer an ihrer Oberfläche hinreichend glatten Rohmaterialschicht erfolgt dann wieder ein Belichtungsschritt in der vor­ stehend erläuterten Weise. Der Formkörper entsteht somit Schicht für Schicht, wobei die aufeinander folgend hergestellten Querschnittsschichten des Formkörpers so miteinander verschmolzen sind, dass sie aneinander haften. Beim selektiven Verschmelzen von Metallpulvern, wie es beispielsweise in der DE 199 05 067 A1 oder in der WO 98/24574 beschrieben ist, erfolgt das Präparieren der Schichten normalerweise durch Hinzugabe von Pulvermaterial auf der zuletzt verfestigten Schicht nach jedem Bestrahlungsschritt. Nach Glättung der Pulverschicht und Einstellen des Schichtniveaus relativ zur Strahlungsquelle bzw. zur Strahlablenkeinrichtung erfolgt dann der nächste Bestrahlungsschritt in der oben beschriebenen Weise. Die jeweilige Einstellung des Schichtniveaus erfolgt normalerweise durch ent­ sprechendes Absenken einer Plattform, welche einen Träger bildet, auf der der Formkörper schichtweise aufgebaut wird.
Bei der Methode nach dem Prinzip des selektiven Lasersinterns verwendet man als Rohmaterialien Metallpulver mit niedrig schmelzenden Bindemitteln.
Bei den bisher bekannten Rapid-Prototyping-Herstellungsmethoden erfolgt die Herstellung von - in der Draufsicht auf die betreffende Schicht - zu­ sammenhängenden Flächenbereichen des der betreffenden Schicht zu­ geordneten Querschnittsmusters im Allgemeinen dadurch, dass ein Laser­ strahl die Randkontur des Flächenbereichs abtastet bzw. beschreibt und dann innerhalb dieser Randkontur nach Art von eng benachbarten geradlinigen Schraffurlinien eine zeilenweise Abtastung bzw. Rasterung des Flächenbereichs vornimmt, um die Schicht in den bestrahlten Bereichen umzuschmelzen. Dabei erfolgt die Steuerung der Strahlablenkeinrichtung normalerweise auf der Basis von Schraffurdaten, die mit einem CAD-Programm erzeugt wurden.
Gemäß einer anderen Bestrahlungsstrategie wird ein zusammenhängender Bereich des Formkörper-Querschnittsmusters in einer betreffenden Schicht dadurch gebildet, dass man den Strahl in der Weise ablenkt oder/und die zu bestrahlende Schicht relativ zu dem Strahl in der Weise bewegt, dass der Strahl - beginnend mit einer Startkonturlinie (Randlinie) - mehrere, einander benachbarte, insbesondere zwiebelringartig ineinander verschachtelte Konturen auf der Schicht beschreibt. Beispiele hierzu sind in der DE 100 12 535.2 offenbart, auf die verwiesen wird.
Bei der Herstellung von Formkörpern nach den hier betrachteten Methoden des "Rapid Prototyping" oder "Rapid Manufacturing" ist man im Allgemeinen bestrebt, eine hohe Oberflächengüte des Formkörpers zu erreichen, so dass die Oberfläche des fertiggestellten Formkörpers möglichst keine grobe Körnung oder Riffelung aufgrund des Herstellungsprozesses aufweist. Derartige unerwünschte Oberflächenrauigkeiten können entstehen, wenn die entsprechend der Schichtenfolge aufeinander folgend verfestigten Randkonturlinien nicht gleichmäßig ineinander übergehen und/oder wenn bei der Bildung einzelner Randkonturlinien keine gleichmäßige Schmelzspur oder Schmelzraupe gebildet wird. Es sind zahlreiche Versuche zur Ermittlung optimaler Prozessparameter im Hinblick auf die Erzielung möglichst homogener Oberflächengestaltungen der Formkörper bei der Anwendung des selektiven Laserschmelzens durchgeführt worden. Dabei hat man das Rohmaterialpulver in einer betreffenden Schicht spurweise mit einem auf die Schicht fokussierten Laserstrahl bestrahlt und versuchsweise folgende Parameter systematisch verändert:
  • - die Energiedichte der Laserstrahlung am Auftreffpunkt
  • - die Ausdehnung des Auftreffpunkts (Fokusdurchmesser) des Laser­ strahls auf der Schicht,
  • - die Vorschubgeschwindigkeit des Auftreffpunkts der Laserstrahlung in Streifenbildungsrichtung.
Die Versuche wurden überdies mit verschiedenen Rohmaterialpulvern durchgeführt.
Insgesamt ergaben sich folgende Tendenzen:
  • - Bei Streifenbildung mit geringem Energieeintrag des Laserstrahls und sehr kleiner Vorschubgeschwindigkeit des Auftreffpunktes des Strahls auf der Schicht neigt insbesondere Stahlpulver dazu, zu kugelartigen Clustern zu verschmelzen, die mehr oder weniger gleichmäßig ineinander übergehen. Die zusammenhängend verfestigten Bereiche sind teils löchrig und inhomogen. Die Oberflächenqualität eines auf der Basis solcher Spuren hergestellten Formkörpers ist nicht sehr gut.
  • - Bei Streifenbildung mit großem Energieeintrag der Strahlung in das pulverförmige Rohmaterial treten Effekte wie starke unkontrollierte Verdampfung des Materials und das Entstehen von Materialspannungen auf. Die Oberflächenqualität eines Formkörpers, dessen Randkontur mit Schmelzspuren gebildet wurde, welche mit sehr großem Energieeintrag und vergleichsweise geringer Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls erzeugt wurden, ist ebenfalls gering. Durch Vergrößerung der Vorschub­ geschwindigkeit bei unverändert hoher Laserleistung konnten bessere Ergebnisse hinsichtlich der Homogenität des zusammenhängend verfestigten Materials und hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit des fertiggestellten Formkörpers erzielt werden.
Die Ergebnisse der vorstehend angesprochenen Versuche zur Erzeugung von Schmelzspuren bzw. Schmelzstreifen zum Zwecke der Herstellung von Formkörpern aus pulverförmigem Rohmaterial haben nahegelegt, dass es zur Erzeugung gleichmäßiger Schmelzstreifen günstig ist, mit relativ großer Laserleistung und mit einer Mindestvorschubgeschwindigkeit des Auftreffpunktes des Strahls auf der betreffenden Pulverschicht zu bestrahlen. Der Energieeintrag durch die Strahlung sollte daher jeweils groß genug sein, dass das Material lokal so stark erhitzt wird, dass seine Temperatur sicher die Schmelztemperatur überschreitet. Die Vorschubgeschwindigkeit des Auftreffpunkts des Strahls sollte so gewählt werden, dass unerwünschte Verdampfungseffekte des Materials möglichst gering bleiben. Aber selbst unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse ist es schwierig, die Parameter bei der Prozessführung so festzulegen, dass zufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich der Materialhomogenität bzw. der Oberflächenqualität erzielt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bereitzustellen, welches eine gleichmäßige und homogene Ausbildung von zusammenhängend verfestigten Bereichen und insbesondere von gleichmäßigen und homogenen Randkonturstreifen ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass man - ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art - bei der Streifenbildung den Strahl relativ zu der Schicht so führt, dass sein Auftreffpunkt auf der Schicht eine in Streifenlängsrichtung vor- und zurücklaufende Bewegungskomponente oder ggf. vorlaufende und zurückspringende bzw. vorspringende und zurücklaufende Bewegungs­ komponente aufweist und einen resultierenden Vorschub in Streifen­ bildungsrichtung (X) erfährt.
Dabei geht man in besonders bevorzugter Weise so vor, dass man bei der Streifenbildung bzw. Randkonturbildung den Strahl relativ zu der Schicht so führt, dass sich sein Auftreffpunkt auf der Schicht längs der Streifenbildungsspur bzw. der Randkontur abwechselnd vor- und zurück­ bewegt und der Auftreffpunkt dabei Stellen innerhalb der jeweiligen Streifenbildungsspur in der betreffenden Schicht wiederholt überstreicht.
Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Art der Strahlführung die Erzeugung von sehr gleichmäßigen Schweißraupen oder Schmelzstreifen ermöglicht, wobei es nicht erforderlich und auch nicht empfehlenswert ist, dass man das Rohmaterial im Bereich des Auftreff­ punktes des Strahls wesentlich über das Erreichen der Schmelztemperatur hinaus erhitzt. Durch ein wiederholtes Bestrahlen des jeweiligen in Streifenbildungsrichtung vorderen Bereichs der Streifenbildungsspur kommt es zu einer effizienten Durchschmelzung des Bereichs und zu einer gleichmäßigen Verschmelzung mit einer etwaigen unteren Nachbarspur, wobei jedoch unerwünschte Materialverdampfungseffekte dadurch unterbunden werden können, dass man die Laserleistung entsprechend einstellt, so dass in dem jeweils bestrahlten Bereich die Schmelztemperatur zwar erreicht, aber nicht wesentlich überschritten wird. Man erreicht auf diese Weise nicht nur eine sehr gleichmäßige Ausbildung der Randkontur des Formkörpers in einer betreffenden Schicht, sondern auch eine sehr gleichmäßige Verschmelzung der die Außenoberfläche des Formkörpers bildenden Verfestigungsspuren untereinander, so dass der Formkörper nach Fertigstellung eine geringe Oberflächenrauigkeit aufweist.
Wenngleich eine Strahlführung mit in longitudinaler Streifenbildungs­ richtung jeweils nur vor- und zurücklaufendem Strahlauftreffpunkt, insbesondere bei der Randkonturbildung bevorzugt wird, kann es im Rahmen der Erfindung mit Vorteilen insbesondere im Hinblick auf eine einfache Möglichkeit der Streifenbreiteneinstellung bzw. wahlweisen Streifenbreitenvariierung vorgesehen sein, dass man bei der Streifen­ bildung den Strahl relativ zu der Schicht so führt, dass der in Streifenlängsrichtung vor und zurücklaufenden Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes zumindest abschnittsweise eine quer zur Streifenlängsrichtung hin- und herlaufende transversale Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes innerhalb der Streifenbildungsspur überlagert ist.
Das Konzept des Mehrfachbestrahlens einer Kontur mit in der betreffenden Konturspur bleibendem Auftreffpunkt des Strahls lässt sich steuerungstechnisch bzw. softwaretechnisch ohne nennenswerten Mehraufwand im Vergleich mit konventionellen Verfahren der gattungsgemäßen Art realisieren. Dabei können jeweils die ohnehin zur Beschreibung der Randkontur erforderlichen Geometriebeschreibungsdaten genutzt werden, indem diese zum Zwecke einer wiederholten Bestrahlung eines Spurbereichs jeweils erneut aufgerufen werden, um die Strahlablenkeinrichtung zur Führung des Strahls entsprechend zu steuern.
Es ist im Rahmen der Erfindung gleichbedeutend, ob man zur Erzielung des gewünschten Erfolgs den Strahl relativ zu der zu bestrahlenden Schicht bewegt oder ob man bei festgehaltenem Strahl die Schicht entsprechend bewegt, um eine überlappend wiederholte Bestrahlung in Streifenbildungs­ richtung aufeinander folgender Spurbereiche zu erzielen.
Das erfindungsgemäße Konzept der spurweisen Bestrahlung der Schicht mit in Streifenbildungsrichtung vor- und zurückbewegtem Strahlauftreffpunkt ist nicht nur bei der Randkonturbildung anwendbar, sondern ganz allgemein auch bei der Verfestigung innerer Bereiche des Formkörpers.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens führt man den Strahl bei der Randspurbildung so, dass der Auftreffpunkt bei den jeweili­ gen Rückwärtsbewegungsschritten wenigstens die halbe Strecke der unmittelbar vorausgegangenen Vorwärtsbewegungsschritte zurücklegt. Auf diese Weise wird erreicht, dass im Wesentlichen jeder Bereich der Spur wenigstens zweimal bestrahlt wird.
Es besteht die Möglichkeit, dass man die Schicht bei den Rückwärtsbewe­ gungsschritten mit anderer Strahlungsenergie pro Zeiteinheit und Flächen­ einheit bestrahlt als bei den Vorwärtsbewegungsschritten. So kann man beispielsweise bei den Rückwärtsbewegungsschritten mit anderen Bewe­ gungsgeschwindigkeiten des Auftreffpunktes und/oder mit geänderter Ausdehnung des Auftreffpunktes und/oder mit geänderter Ausgangsleis­ tung der Strahlungsquelle bestrahlen als bei den Vorwärtsbewegungs­ schritten.
Die Breite der nach dem erfindungsgemäßen Bestrahlungskonzept erzeug­ ten Verfestigungsspur kann in bestimmten Grenzen durch die Wahl der Leistung der Strahlungsquelle, der Ausdehnung des Auftreffpunktes des Strahls auf der Schicht, der Bewegungsgeschwindigkeit des Auftreffpunk­ tes auf der Schicht oder/und der Häufigkeit des Überstreichens der betref­ fenden Spur mit dem Auftreffpunkt moduliert werden. Versuche haben gezeigt, dass es ohne weiteres möglich ist, mit einem 60 W-Infrarotlaser etwa bis hin zu 1 mm breite, in sich homogen und dicht ausgebildete Verfestigungsstreifen bzw. Schweißraupen in Edelstahlpulver zu erzeugen. Baut man derartige Befestigungsstreifen Schicht für Schicht in vertikaler Richtung aufeinander auf, so lassen sich nach der vorliegenden Erfindung bedarfsweise sehr dünne (in der Draufsichtsprojektion einspurige oder ggf. mehrspurige) Wände erzeugen, die gute Oberflächenqualität aufweisen und dicht sind. Das Herstellen solcher filigraner Wandstrukturen aus Metallen oder ggf. aus Keramik war bisher nur mit erheblich größerem Aufwand möglich.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei diese Vorrichtung eine Trägervorrichtung für den zu erstellenden Formkörper, Mittel zur Präparierung einer jeweiligen, nächstfolgend zumindest bereichsweise zu verfestigenden Rohmaterialschicht auf der Trägervorrichtung bzw. auf einer vorausgehend präparierten und bestrahlten Schicht, eine Strahlungsquelle zur Bereitstellung eines gebündelten Strahls zur Verfestigung bzw. Verschmelzung des Rohmaterials in einer betreffenden Schicht, eine Strahlablenkeinrichtung zur gesteuerten Ablenkung des Strahls und eine programmierbare Steuereinrichtung zur Steuerung der Strahlablenkeinrichtung umfasst, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Strahlablenkeinrichtung auf der Basis von Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers zwecks Bildung eines Streifens zusammenhängend verfestigten Materials, insbesondere eines Randabschnittes des Formkörpers in einer betreffenden Schicht so zu steuern, dass der Auftreffpunkt des gesteuert abgelenkten Strahls auf der Schicht eine in longitudinaler Streifenbildungsrichtung, also Streifenlängs­ richtung vor- und zurücklaufende Bewegungskomponente aufweist, wobei die Vorwärtsbewegungsschritte dieser Komponente relativ zu den Rückwärtsbewegungsschritten so bemessen sind, dass ein resultierender Vorschub des Auftreffpunktes in longitudinaler Streifenbildungsrichtung entsteht.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Strahlablenkeinrichtung zwecks Bildung des Streifens so zu steuern, dass der Auftreffpunkt Stellen innerhalb der jeweiligen Streifenbildungsspur auf der betreffenden Schicht wiederholt überstreicht.
Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Strahlablenkeinrichtung zwecks Bildung des Streifens so zu steuern, dass der in Streifenlängsrichtung vor und zurücklaufenden Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes zumindest abschnittsweise eine quer zur Streifenlängsrichtung hin- und herlaufende Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes innerhalb der Streifenbildungsspur überlagert ist. Dabei kann die Strahlführung z. B. so organisiert sein, dass der Auftreffpunkt bei den jeweiligen longitudinalen Rückwärtsbewegungsschritten wenigstens die halbe Strecke der unmittelbar vorausgegangenen Vorwärtsbewegungsschritte zurücklegt.
Die Schrittlängen und das Schrittlängenverhältnis zwischen Vorwärtsschritt und Rückwärtsschritt können wahlweise eingestellt und verändert werden.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung eine Vorrich­ tung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung auf der Basis der Methode des selektiven Laserschmelzens.
Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Beispiel eines Formkörpers.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Pulverschicht, die entsprechend dem Querschnitt des Formkörpers gemäß Fig. 2 bereichsweise durch Bestrahlung befestigt worden ist.
Fig. 4 zeigt in Momentaufnahmen eine Sequenz der Bildung einer Schmelzspur durch Bestrahlen einer präparierten Pulver­ schicht.
Fig. 5 zeigt in einem Diagramm das Orts-/Zeitverhalten des Auftreffpunkts des Strahls bei Bestrahlung entsprechend der Sequenz in Fig. 4.
Fig. 6 zeigt schematisch einen vergrößert dargestellten Streifen aktuell umgeschmolzenen Materials mit eingezeichneter Bewegungslinie des Strahlauftreffpunktes.
Fig. 7 zeigt eine Bewegungslinie des Strahlauftreffpunktes in einer Darstellung ähnlich der der Fig. 6.
Fig. 1 zeigt in einer stark vereinfachten schematisierten Darstellung ein Beispiel einer Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen von einem ein­ komponentigen oder mehrkomponentigen Pulver, vorzugsweise Metallpul­ ver. Eine detailliertere Darstellung eines Beispiels einer solchen Vorrichtung ist in der DE 199 05 067 A1 zu finden.
Gemäß Fig. 1 umfasst die Vorrichtung einen Trägerbehälter 2, der sich in einer (nicht gezeigten) Prozessraumkammer befindet, welche mit Schutz­ gaszuführ- und -abführmitteln für die kontinuierliche Durchspülung der Prozessraumkammer mit Schutzgas ausgestattet ist. Es können ferner steuerbare Mittel zum Vorheizen oder/und zum Kühlen des Trägerbehälterinhaltes vorhanden sein.
Der Trägerbehälter 2 ist vertikal verstellbar, wobei die Verstellung mittels eines Vertikalverschiebungsantriebs 12 erfolgen kann, der von einem Steuerrechner 10 nach Maßnahme eines Programms gesteuert wird. Der Steuerrechner 10 dient darüber hinaus zur Steuerung der Strahlungsquelle 18, des Strahlablenksystems 20 und ggf. der Fokussieroptik 21. In dem Trägerbehälter 2 befindet sich im Beispielsfall das Rohmaterialpulver 4 und der bereits fertiggestellte Teil des herzustellenden Formkörpers 8.
Die Herstellung des Formkörpers 8 erfolgt schichtweise dadurch, dass man zunächst eine erste Pulverschicht in dem Trägerbehälter 2 präpariert, wobei der Trägerbehälter 2 von dem Vertikalverschiebungsantrieb 12 so weit nach oben hin verfahren worden ist, dass die mittels der schematisch angedeuteten Schichtenpräparatorbaugruppe 22 geglättete erste Schicht mit ihrer Oberfläche in Höhe der Ebene T liegt, in der der ablenkbare Strahl 16 normalerweise fokussiert ist. Nach Maßgabe der Steuerung durch den Steuerungsrechner 10 erfolgt dann die Bestrahlung des pulverförmigen Rohmaterials 4 entsprechend einem der ersten Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers. Die Bestrahlung erfolgt mit dem fokussierten Laserstrahl 16 des Lasers 18. Zur gezielten Ablenkung des Laserstrahls 16 dient die XY-Scannereinrichtung 20 mit zwei relativ zueinander bewegbaren Ablenkspiegeln. Die Scannereinrichtung wird vom Steuerrechner 10 nach Maßgabe von Daten gesteuert, welche auf CAD- Beschreibungsdaten des zu erstellenden Formkörpers 8 zurückgehen.
Es sei darauf hingewiesen, dass gemeinsam mit einem Formkörper ggf. auch eine Stützkonstruktion für etwaige überhängende Bereiche hergestellt werden kann. Im Beispielsfall hat der Formkörper 8 keine überhängenden Bereiche.
Nachdem eine erste Formkörperschicht durch entsprechendes Verschmel­ zen des Rohmaterialpulvers 4 gebildet wurde, steuert der Steuerrechner 10 den Verschiebeantrieb 12 an, so dass dieser den Behälter 2 um das Maß der Dicke der nachfolgend zu präparierenden Schicht absenkt. Über der bereits bestrahlten Schicht wird dann unter Verwendung der Schichtenpräparatorbaugruppe 22 die nächste Schicht präpariert. Danach kann der nächste Belichtungsschritt erfolgen. Die genannten Schritte werden insoweit wechselweise wiederholt, bis der Formkörper 8 fertiggestellt ist.
Grundsätzlich lassen sich Formkörper unterschiedlichster Formgestaltungen unter Nutzung des hier betrachteten Verfahrens nach der Erfindung herstellen. Ein relativ einfach gestalteter Formkörper 8 ist in Fig. 2 perspektivisch dargestellt. Üblicherweise ist man daran interessiert, die Formkörper 8 ganz allgemein mit geringer Oberflächenrauigkeit und möglichst ohne Riffelung der Oberflächenstruktur herzustellen. Eine Riffelungsstruktur entsteht, wenn die aufeinander folgend verfestigten Schichten des Formkörpers 8 in den Randkonturabschnitten ungleichmäßig ineinander übergehen. Überdies ist es normalerweise erwünscht, dass die zusammenhängend verfestigten Bereiche eines Formkörpers 8 insgesamt homogen ausgebildet sind.
Wie bereits oben erläutert, war es bisher schwierig, diese unerwünschten Effekte der Oberflächenrauigkeit bei der Herstellung von Formkörpern nach der Methode des selektiven Laserschmelzens oder nach der Methode des selektiven Lasersinterns zu vermeiden. Die vorliegende Erfindung bietet diesbezüglich wesentliche Verbesserungen.
Zur weiteren Erläuterung wird auf Fig. 3 verwiesen, in der ausschnittsweise eine Draufsicht auf eine betreffende Pulverschicht in dem Behälter 2 gemäß Fig. 1 dargestellt ist. Zu erkennen ist auch ein bereits durch Bestrahlen dieser Schicht zusammenhängend verfestigter Bereich mit der Form des Querschnitts des Formkörpers 8 aus Fig. 2. In nicht maßstäblicher Darstellung sind in Fig. 3 Spuren K1. . .Kn eingezeichnet, längs denen der Auftreffpunkt des Laserstrahls 16 (Fig. 1) jeweils durch Ablenken des Strahls geführt wurde, um den zusammenhängend verfestigten Bereich in der betreffenden Schicht zu bilden.
Die Spur K1 ist eine Randkonturspur, die in der betreffenden Schicht die äußere Randkontur des Formkörpers 8 definiert. Die Oberflächenqualität des herzustellenden Formkörpers 8 hängt wesentlich von der gleichmäßi­ gen Verschmelzung und Ausprägung der die Außenoberflächen bildenden Randkonturspuren ab. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Randspuren K1 bzw. Kn in Form von zusammenhängend verfestigten Schmelzstreifen oder Schweißraupen gleichmäßiger Ausprä­ gung zu erzeugen und insbesondere die oben beschriebenen Effekte der Schmelzkugelbildung bzw. der weitgehend unkontrollierten Materialver­ dampfung, wie sie bei Laserschmelzverfahren nach dem Stand der Technik auftreten, zu unterdrücken.
Zur Erläuterung einer bevorzugten Vorgehensweise bei der Bestrahlung des Rohmaterialpulvers 4 zur Erzeugung von Randkonturen K1 oder Kn wird nachstehend auf die Fig. 4 und 5 Bezug genommen. Fig. 4 zeigt in idealisierter Darstellung eine Sequenz von Momentaufnahmen bei der Bildung eines Streifens bzw. einer Spur K zusammenhängend verfestigten Materials durch selektives Bestrahlen des Rohmaterialpulvers 4 mit einer Vorrichtung, wie sie schematisch in Fig. 1 gezeigt ist. Fig. 5 zeigt ein Weg(X)-Zeit(t)-Diagramm des Auftreffpunktes 30 des Laserstrahls 16. X bezeichnet den Ort des Auftreffpunkts 30 auf der zu bildenden Spur. In der Situation A gemäß Fig. 4 ist der Auftreffpunkt 30 um einen Vorwärtsbewegungsschritt V in Spurbildungsrichtung X bewegt worden. Die Situation A in Fig. 4 korrespondiert mit dem Zeitpunkt t1 in Fig. 5. In einem in Fig. 4 beispielhaft angegebenen Umgebungsbereich U des Auftreffpunktes 30 liegt die Temperatur des Materials 4 oberhalb der Schmelztemperatur, so dass eine Verschmelzung des Pulvermaterials 4 unter Bildung eines weiteren Abschnittes des Streifens K stattfindet. Die Laserleistung wird vorzugsweise so gewählt, dass das Material 4 aufgrund der Strahlungsabsorption in dem Umgebungsbereich U nicht erheblich über die Schmelztemperatur hinaus erhitzt wird. Abdampfeffekte können so weitgehend unterdrückt werden. Zu dem Zeitpunkt t1 in Fig. 5 entsprechend der Situation A in Fig. 4 befindet sich der Auftreffpunkt 30 des Laserstrahls 16 an einem Umkehrpunkt seiner Bewegung. Der Laserstrahl wird dann so geführt, dass der Auftreffpunkt 30 längs der Spur K einen Rückwärtsschritt R ausführt, wie dies in der Situation B in Fig. 4 angedeutet ist. Der Rückwärtsschritt R ist nur halb so groß wie der vorausgegangene Vorwärtsschritt V gemäß Situation A in Fig. 4. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass der wiederholt durch Bestrahlung erhitzte Bereich der Spur K eine gleichmäßige Durchschmelzung in sich erfährt und ferner eine gute Verschmelzung der Schmelzspur K mit einer etwaig darunterliegenden, in einem vorherigen Belichtungsschritt erzeugten Schmelzspur stattfindet. Die Situation B in Fig. 4 korrespondiert mit dem Zeitpunkt t2 in Fig. 5. Der Auftreffpunkt 30 befindet sich somit wieder an einem Umkehrpunkt seiner Bewegung. Aus­ gehend von diesem Umkehrpunkt wird der Laserstrahl 16 nun in Spurbil­ dungsrichtung X so geführt, dass sein Auftreffpunkt 30 gemäß Situation C in Fig. 4 einen Vorwärtsschritt V macht. Die Situation C in Fig. 4 korrespondiert mit dem Zeitpunkt t3 in Fig. 5. Der Auftreffpunkt 30 des Laserstrahls 16 befindet sich somit wieder an einem Umkehrpunkt seiner Bewegung, von dem aus er wiederum einen Rückwärtsschritt R längs der Schmelzspur K macht, wie dies in der Situation D in Fig. 4 angedeutet ist. Der Rückwärtsschritt R ist wiederum nur halb so groß wie der vorausge­ gangene Vorwärtsschritt V. Ausgehend von der Situation D folgt dann wieder ein Vorwärtsschritt V des Auftreffpunktes 30 in Spurbildungsrich­ tung X, wie dies in Situation E gezeigt ist. Dem Vorwärtsschritt gemäß Situation E folgt dann zum Zeitpunkt t5 wieder ein halb so großer Rück­ wärtsbewegungsschritt. Da die Vorwärtsbewegungsschritte V größer sind als die Rückwärtsbewegungsschritte R, kommt es zu einer resultierenden Vorschubbewegung des "behutsam" aufgeschmolzenen Bereichs U und des Auftreffpunktes 30 in Spurbildungsrichtung X.
Es wurde beobachtet, dass gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn man die Laserleistung und die Ablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls bei einem gegebenen Rohmaterial 4 so einstellt, dass die Breite Wb des Schmelzstreifens K mindestens das 1,5-fache des in paralleler Richtung dazu gemessenen Durchmessers Sp des Auftreffpunktes 30 beträgt.
Sehr gute Ergebnisse wurden mit einem 40 Watt-Laser erzielt, dessen Strahl so fokussiert wurde, dass sein Auftreffpunkt 30 auf der Schicht eine Ausdehnung von etwa 150 µm hatte, wobei eine Schmelzspur mit einer Breite Wb von etwa 400 µm erzeugt wurde.
Ebenso gute Ergebnisse wurden mit einem 60 Watt-Laser erreicht, dessen Strahl so fokussiert wurde, dass sein Auftreffpunkt 30 auf der betreffenden Pulverschicht eine Ausdehnung von etwa 200 µm hatte, wobei eine Schmelzspurbreite Wb von etwa 500 µm erzeugt wurde. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Strahlauftreffpunktes 30 während eines Schrittes V bzw. R lag in den Beispielsfällen bei etwa 0,1 bis 0,15 m/s. Es wurde ein IR-Laser mit einer Emissionswellenlänge von 1064 nm verwendet. Das eingesetzte Rohmaterial war Edelstahlpulver mit einer Pulverkörnung von etwa 10 µm-50 µm. Die präparierten Rohmaterialschichten hatten eine Schichtdicke von ca. 50 µm.
Bisher wurde davon ausgegangen, dass der Auftreffpunkt 30 des Laser­ strahls bei seinen Schritten V und R eine kontinuierliche Bewegung auf der zu bestrahlenden Schicht erfährt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Schritte V und R jedoch in diskrete "mikroskopische" Teilschritte unterteilt sein können. Bei einem Ausführungsbeispiel einer nach dem Prinzip gemäß Fig. 1 funktionierenden Vorrichtung nach der Erfindung wird die Strahl­ ablenkeinrichtung 20 so gesteuert, dass sie bei den Schritten V und R den Laserstrahl in kleinen aufeinander folgenden Teilschritten mit einer Schritt­ weite von etwa 100 µm (bei einem Spot-Durchmesser Sp von 200 µm) bewegt. Die Verweildauer des Auftreffpunktes 30 nach jedem Schritt beträgt etwa 1 ms. "Makroskopisch" wirkt diese Art der teilschrittweisen Weiterbewegung des Auftreffpunktes 30 wie eine kontinuierliche Wei­ terbewegung des Auftreffpunktes 30. Mit den Begriffen Vorwärtsbewe­ gungsschritt V bzw. Rückwärtsbewegungsschritt R sind die jeweiligen Gesamtbewegungsphasen des Strahlauftreffpunktes 30 zwischen zwei Umkehrpunkten gemeint.
Es sei darauf hingewiesen, dass das hier vorgestellte Bestrahlungskonzept nicht nur zur Erzeugung von gleichmäßigen Randkonturen K1 bzw. Kn (vgl. Fig. 3) verwendbar ist, sondern mit Vorteilen im Hinblick auf Strukturhomogenität auch bei der Erzeugung von Schmelzspuren Ki, die später im Inneren des zu erstellenden Formkörpers 8 liegen. Der Verlauf der Streifen K bzw. Spuren K kann abweichend von den gezeigten Beispielen Krümmungen etc. aufweisen, je nach der gewünschten Kontur. Die Schmelzspurbreite Wb ist ganz allgemein bevorzugt größer als der Spotdurchmesser Sp. Bei Erzeugung einer Verfestigungsspur, die einer bereits vorhandenen Verfestigungsspur seitlich unmittelbar parallel benachbart liegt, ist es dann nicht erforderlich, dass der Laserstrahl die vorhandene Spur mit Überlapp bestrahlt, um die Spuren miteinander zu verschmelzen. Der Strahlauftreffpunkt kann im Abstand zur vorhandenen Spur bewegt werden, um die neue Spur zu bilden und mit der vorhandenen Spur zu verschmelzen. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer entsprechend programmierten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens hergestellten Formkörper weisen sehr gute Oberflächeneigenschaften auf.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass während des Herstel­ lungsprozesses eines Formkörpers unerwünschte Materialverdampfungs­ effekte weitgehend unterdrückt werden können. Dies erleichtert die Pro­ zessführung, da kaum Niederschlag von verdampftem Rohmaterial 4 auf optischen und/oder feinmechanischen Komponenten stattfindet.
In Fig. 6 ist schematisch und idealisiert ein vergrößert dargestellter Streifen K aktuell umgeschmolzenen Materials gezeigt. Mit eingezeichnet ist die Bewegungslinie B des Strahlauftreffpunktes 30. Im Unterschied zu der Situation nach Fig. 4 weist die Bewegungslinie B des Strahlauftreffpunktes in Fig. 6 nicht nur eine longitudinale Komponente mit Vorwärtsbewegungsschritten V und Rückwärtsbewegungsschritten R auf, sondern auch eine transversale Komponente T. Durch Änderung der Auslenkung bzw. Größe der Transversalkomponente T kann die Streifenbreite Wb auf einfache Weise variiert werden. In Fig. 6 ist nur ein Beispiel einer Bewegungslinie B des Strahlauftreffpunktes gezeigt. Je nach Steuerung der Strahlablenkung können auch andere Bewegungslinienverläufe mit dem Bestrahlungskonzept nach der Erfindung realisiert werden. Die Bewegungslinien können z. B. die Form von ver­ zerrten (oder intermittierend vorbewegten unverzerrten), in Streifenbildungsrichtung wandernden Lissajousschen Figuren mit einander überlagerten longitudinalen und transversalen Bewegungskomponenten haben. Die Bezeichnung longitudinal bedeutet hier längs der Streifenbildungsrichtung X, also in Streifenlängsrichtung verlaufend. Die Bezeichnung transversal bedeutet hier quer zur Streifenlängsrichtung X verlaufend. In den Fig. 4 und 6 sind die Streifen K und dementsprechend die Streifenlängsrichtung X der Einfachheit halber geradlinig gezeichnet worden. Selbstverständlich können betreffende Streifen K bedarfsweise auch einen gekrümmten Verlauf haben. Die Streifenbildungsrichtung X folgt dann einem entsprechenden Krümmungsverlauf.
Fig. 7 zeigt in einer Darstellung ähnlich der der Fig. 6 ein Beispiel für die Bewegungslinie B des Strahlauftreffpunktes 30, wenn dieser bei den Rückwärtsbewegungen springt (also der Strahl während solcher "makroskopischer" Sprünge r ausgeschaltet bzw. abgeblendet ist).
Es werden unter einem Aspekt der Erfindung zusammenfassend ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers nach der Methode des selektiven Laserschmelzens vorgestellt, bei dem man ein Rohmaterialpulver in aufeinander folgend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers zu zu­ sammenhängenden Bereichen verschmelzt, wobei man zur Bildung eines Randabschnittsstreifens des Formkörpers in einer betreffenden Schicht eine spurweise Bestrahlung entsprechend der Kontur des Randabschnitts durchführt, wobei man den Strahl relativ zu der Schicht so führt, dass sein Auftreffpunkt auf der Schicht die Randkontur in longitudinaler Streifenbildungsrichtung zumindest abschnittsweise wiederholt überstreicht.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (8), bei dem man ein fluides oder pulverförmiges Rohmaterial (4) in aufeinander folgend präparierten Schichten durch Bestrahlen mit wenigstens einem, insbesondere gesteuert ablenkbaren Strahl, vorzugsweise Laser­ strahl, entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers (8) zu zusammenhängenden Bereichen verfestigt bzw. verschmelzt,
wobei man zur Bildung eines Streifens (K) zusammenhängend ver­ festigten Materials, insbesondere eines Randabschnittes (K1) des Formkörpers in einer betreffenden Schicht den Auftreffpunkt des Strahles auf der Schicht längs einer jeweiligen longitudinalen Streifenbildungsspur bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass man bei der Streifenbildung den Strahl (16) relativ zu der Schicht so führt, dass sein Auftreffpunkt (30) auf der Schicht eine in longitudinaler Streifenbildungsrichtung (X) oszillierend vor- und zurücklaufende oder ggf. vorlaufende und zurückspringende bzw. vorspringende und zurücklaufende Bewegungskomponente aufweist und einen resultierenden Vorschub in Streifenbildungsrichtung (X) erfährt.
2. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man bei der Streifenbildung den Strahl (16) relativ zu der Schicht so führt, dass sein Auftreffpunkt (30) Stellen innerhalb der jeweiligen Streifenbildungsspur auf der betreffenden Schicht wiederholt überstreicht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man bei der Streifenbildung den Strahl (16) relativ zu der Schicht so führt, dass der in longitudinaler Streifenbildungsrichtung vor und zurücklaufenden Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes (30) zumindest abschnittsweise eine quer zur longitudinalen Streifenbildungsrichtung (X) hin- und herlaufende transversale Bewegungskomponente (T) des Strahlauftreffpunktes innerhalb der Streifenbildungsspur (S) überlagert ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man bei der Streifenbildung den Strahl (16) so führt, dass der Auftreffpunkt (30) bei den jeweiligen Rückwärtsbewegungsschritten (R) wenigstens die halbe Strecke der unmittelbar vorausgegangenen Vorwärtsbewegungsschritte (V) zurücklegt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Schicht bei den Rückwärtsbewegungsschritten (R) des Strahlauftreffpunktes (30) mit anderer Strahlungsenergie pro Zeiteinheit und Flächeneinheit be­ strahlt als bei den Vorwärtsbewegungsschritten (V).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man bei den Rückwärtsbewegungsschritten eine andere Bewegungsge­ schwindigkeit des Auftreffpunktes (30) wählt als bei den Vorwärts­ bewegungsschritten (V).
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1-6, umfassend
eine Trägervorrichtung (2) für den zu erstellenden Formkörper (8), Mittel zur Präparierung einer jeweiligen, nächstfolgend zumindest bereichsweise zu verfestigenden Rohmaterialschicht auf der Träger­ vorrichtung (2) bzw. auf einer vorausgehend präparierten und be­ strahlten Schicht,
eine Strahlungsquelle (18), insbesondere Laser-Strahlungsquelle, zur Bereitstellung eines gebündelten Strahls (16) zur Verfestigung bzw. Verschmelzung des Rohmaterials in einer betreffenden Schicht, eine Strahlablenkeinrichtung (20) zur gesteuerten Ablenkung des Strahls (16) und
eine programmierbare Steuereinrichtung (10) zur Steuerung der Strahlablenkeinrichtung (20),
wobei die Steuereinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, die Strahl­ ablenkeinrichtung (20) auf der Basis von Geometriebeschreibungs­ daten des Formkörpers (8) zwecks Bildung eines Streifens (K) zu­ sammenhängend verfestigten Materials, insbesondere Randabschnittes (K1) des Formkörpers (8) in einer betreffenden Schicht so zu steuern, dass der Auftreffpunkt (30) des gesteuert abgelenkten Strahls (16) auf der Schicht eine in longitudinaler Streifenbildungsrichtung (X) oszillierend vor- und zurücklaufende oder ggf. vorlaufende und zurückspringende bzw. vorspringende und zurücklaufende Bewegungskomponente aufweist und einen resultierenden Vorschub in Streifenbildungsrichtung (X) erfährt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, die Strahlablenkeinrich­ tung (20) zwecks Bildung des Streifens (K) so zu steuern, dass der Auftreffpunkt (30) des Strahls Stellen innerhalb der jeweiligen Streifenbildungsspur auf der betreffenden Schicht wiederholt überstreicht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, die Strahlablenkeinrich­ tung (20) zwecks Bildung des Streifens (K) so zu steuern, dass der in longitudinaler Streifenbildungsrichtung vor und zurücklaufenden Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes (30) zumindest abschnittsweise eine quer zur longitudinalen Streifenbildungsrichtung (X) hin- und herlaufende transversale Bewegungskomponente des Strahlauftreffpunktes innerhalb der Streifenbildungsspur überlagert ist.
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