DE60108390T2

DE60108390T2 - Vorrichtung und anordnung zur herstellung eines dreidimensionalen objekts

Info

Publication number: DE60108390T2
Application number: DE60108390T
Authority: DE
Inventors: Lars-Erik Andersson; Morgan Larsson
Original assignee: Arcam AB
Current assignee: Arcam AB
Priority date: 2000-04-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2021-04-28
Also published as: KR20030007553A; SE0001557D0; EP1296788A1; CN1426335A; JP4846958B2; ATE286797T1; SE0001557L; US20040026807A1; DE60108390D1; EP1296788B1; KR100796465B1; WO2001081031A1; SE521124C2; JP2003531034A; CN1235705C; AU2001252846A1; US7537722B2; CA2407073A1; ES2236215T3

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Produkts durch aufeinander folgende Verschmelzung von ausgewählten Abschnitten bzw. Teilen von Pulverschichten, die auf einem Werktisch angeordnet sind.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Zum Beispiel ist durch US-Patent-Nr. 4,863,538 eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Produkts durch aufeinander folgende Verschmelzung von ausgewählten Teilen von Pulverschichten, die auf einem Werktisch angeordnet sind, vorbekannt. Die Vorrichtung weist Folgendes auf: einen Werktisch, auf dem das dreidimensionale Produkt zu bilden ist, einen Pulverspender, welcher zum Ablegen einer dünnen Pulverschicht auf den Werktisch zur Bildung eines Pulverbetts angeordnet ist, eine Strahlenkanone zur Abgabe von Energie an das Pulver, wobei eine Verschmelzung des Pulvers stattfindet, Elemente zur Steuerung des durch die Strahlenkanone abgegebenen Strahls über das Pulverbett zur Bildung eines Querschnitts des dreidimensionalen Produkts durch Verschmelzung von Abschnitten bzw. Teilen des Pulverbetts, und einen Steuerungscomputer, in welchem Daten gespeichert sind, die aufeinander folgende Querschnitte des dreidimensionalen Produktes betreffen. Das dreidimensionale Produkt wird durch Verschmelzung von ausgewählten Abschnitten von aufeinander folgend hinzugefügten Schichten aus Pulver erstellt bzw. gebildet. Der Steuerungscomputer ist zur Steuerung von Ablenkungselementen für den von der Strahlenkanone erzeugten Strahl über das Pulverbett in Übereinstimmung mit einem Laufplan vorgesehen, welcher ein vorher festgelegtes Muster darstellt. Wenn der Laufplan den gewünschten Bereich einer Pulverschicht verschmolzen hat, ist ein Querschnitt des dreidimensionalen Körpers gebildet worden. Ein dreidimensionales Produkt wird durch fortlaufende Verschmelzungen von fortlaufend gebildeten Querschnitten von Pulverschichten gebildet, die aufeinander folgend von dem Pulverspender abgelegt werden.
US 5427733 offenbart ein temperaturgesteuertes Laser-Sintersystem mit einem Sensor zur Messung der lokalen Temperatur des Schmelzpunkts.
Wenn eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik zur Herstellung von dreidimensionalen Produkten verwendet wird, hat es sich herausgestellt, dass Abweichungen von der gewünschten bzw. der Soll-Form, Größe und Stärke auftreten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Körpern durch aufeinander folgende Verschmelzung von ausgewählten Teilen von auf einem Werktisch abgelegten Pulverschichten zu schaffen, in welcher eine Verringerung von Abweichung von der gewünschten Form, Größe und Stärke eines dreidimensionalen Körpers ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung in Übereinstimmung mit Patentanspruch 1 gelöst. Durch Vorsehen eines Elementes zur Abtastung der Temperaturverteilung einer auf dem Pulverbett angeordneten Oberflächenschicht werden Messung und Korrektur der Eigenschaft der Oberfläche ermöglicht, wodurch ein Produkt mit reduzierter Abweichung von gewünschten Abmessungen und Oberflächenunregelmäßigkeit erlangt werden kann. Die Erfindung erbringt die Möglichkeit festzustellen, dass die Verschmelzung innerhalb eines definierten Temperaturbereichs stattfindet, wodurch das Risiko des Auftretens von Fehlern, zum Beispiel durch Verdampfung oder Sieden des Werkstoffs, verringert ist. Verdampfung und Sieden des Werkstoffs können Schweißfunken oder andere Oberflächenunregelmäßigkeiten hervorbringen. Dieses Element ermöglicht auch eine Messung der Kühl- bzw. Abkühltemperatur von spezifischen verschmolzenen Abschnitten in einer Pulverschicht, wodurch das Risiko des Auftretens und der Größe von irgendeiner Oberflächenspannung in dem verschmolzenen Abschnitt reduziert werden kann, und dadurch verringern sich ungewollte Formänderungen. Weiterhin wird eine Messung der Abmessungen des Querschnitts ermöglicht, wodurch ein Vergleich der Abmessungen des gebildeten Querschnitts mit dem Sollquerschnitt des Objekts zur Kalibrie rung der Steuerelemente der Strahlenkanone benutzt werden kann. Das Element ermöglicht auch eine Messung der Temperatur des ungeschmolzenen Pulverbetts, wodurch eine Beibehaltung einer vorteilhaften Temperatur vom Gesichtspunkt des Prozesses aus überwacht werden kann.
Gemäß der Erfindung werden Daten der Temperaturverteilung in der Oberflächenschicht des Pulverbetts zur Anpassung bzw. Justierung des Laufplans über die Oberflächenschicht des Pulverbetts an den Steuerungscomputer rückgekoppelt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die die Temperaturverteilung in der Oberflächenschicht des Pulverbetts betreffenden Daten dazu benutzt, die Energieabgabe innerhalb von Bereichen der Oberflächenschicht des Pulverbetts zu erhöhen, in denen die Temperatur zu niedrig ist, und die Energieabgabe innerhalb von Bereichen zu erniedrigen, in denen die Temperatur zu hoch ist, wodurch eine geringer schwankende Arbeitstemperatur in den Querschnitten erreicht wird. Durch Anpassung der Energieabgabe an bestimmte Abschnitte bzw. Teile wird eine genauere Temperaturverteilung erhalten, wodurch die Qualität des Produkts verbessert werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung zur Steuerung der Energieabgabe von der Strahlenkanone in Bereichen, welche innerhalb der derzeit obersten Pulverschicht verschmolzen sind, in einer solchen Weise angeordnet, dass die Höchsttemperatur nach einer Verschmelzung in diesen Bereichen innerhalb eines begrenzten Bereichs liegt. Durch Steuerung der Energieabgabe auf eine solche Art und Weise, dass zu hohe Temperaturen vermieden werden, kann das Risiko des Kochens bzw. Siedens und Verdampfens des Werkstoffs mit sich daraus unmittelbar ergebenden Fehlern verringert werden.
In einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Daten der Temperaturverteilung zur Steuerung von Energieabgabe von einer Strahlenkanone, welche Teil der Vorrichtung ist, an das Pulverbett in Bereiche, die innerhalb der derzeit obersten Pulverschicht verschmolzen werden und mit Bereichen innerhalb einer darauf folgenden Schicht verschmolzen werden sollen, in einer solchen Weise verwendet, dass die Mindesttemperatur in diesen Berei chen nicht unter eine vorher festgelegte Grenze fällt. Durch Feststellung bzw. Ermittlung, dass die Temperatur nicht unter eine vorher festgelegte Grenze fällt, kann das Risiko des Auftretens von Oberflächenspannung mit sich daraus unmittelbar ergebenden Verformungen des Produkts reduziert werden.
In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Daten der Temperaturverteilung zur Steuerung von Energieabgabe von der Strahlenkanone an das Pulverbett in nicht verschmolzenen Bereichen innerhalb der Oberflächenschicht des Pulverbetts in einer solchen Weise verwendet, dass die Temperatur innerhalb dieser Bereiche nicht unter eine vorher festgelegte zweite Grenze fällt. Durch Beibehaltung einer bestimmten Temperatur in dem Pulverbett, das nicht zur Verschmelzung vorgesehen ist, kann der Abkühlungsprozess in bereits verschmolzenen oder zu verschmelzenden Bereichen einerseits genauer gesteuert werden, und andererseits können die Störungen reduziert werden, welche von einer Überführung des Strahls über nicht zu verschmelzende Bereiche entstehen, um unterschiedliche zur Verschmelzung geplante Gebiete zu erreichen.
In einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Oberflächenunregelmäßigkeit gemessen, vorzugsweise von einer Kamera, die Schattenbildung auf der Oberfläche registriert, wodurch der Oberflächenaufbau ermittelt werden kann. Bei Registrierung eines Auftretens von Oberflächenunregelmäßigkeiten, zum Beispiel durch Entstehung durch einen Schweißfunken oder auf irgendeine andere Weise, kann die Strahlenkanone auf eine identifizierte Koordinate verstellt werden, um die identifizierte Unregelmäßigkeit abzuschmelzen.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind das Pulverbett und die Strahlenkanone in einer Kammer eingeschlossen, welche mit einem durchsichtigen bzw. transparenten Fenster ausgerüstet ist, das durch eine Schicht bzw. einen Film geschützt ist, der auf zuführende Weise längs des Fensters angeordnet ist, wodurch ein neuer Film zugeführt wird. Durch Zuführen des Films, wenn er beschichtet wird, kann die Transparenz durch den Film und durch das Fenster aufrecht erhalten werden.
Durch Vorsehen eines Elementes zur Abtastung der Oberflächeneigenschaften einer auf dem Pulverbett angeordneten Oberflächenschicht werden Messung und Korrektur der Eigenschaften der Oberfläche möglich gemacht, wodurch ein Produkt mit verringerter Abweichung von gewünschten Abmessungen und Oberflächenunregelmäßigkeit erzielt werden kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Temperaturverteilung in einer Oberflächenschicht in dem Pulverbett registriert, was eine Temperatursteuerung während einer Verschmelzung der Pulverpartikel ermöglicht. Dieses macht eine Feststellung möglich, dass das Schmelzen innerhalb eines definierten Temperaturbereichs erfolgt, wodurch das Risiko eines Auftretens von Fehlern, zum Beispiel durch Sieden oder Verdampfung des Werkstoffs, reduziert werden kann. Dieses Element lässt auch eine Messung der Abkühltemperatur von bestimmten verschmolzenen Abschnitten in einer Pulverschicht zu, wodurch das Risiko eines Auftretens von irgendeiner Oberflächenspannung in dem verschmolzenen Abschnitt verringert werden kann, und dadurch reduziert sich das Risiko eines Vorkommens von ungewollten Formänderungen. Weiterhin ist eine Messung der Abmessungen des Querschnitts ermöglicht, wodurch ein Vergleich der Abmessungen des gebildeten Querschnitts mit dem Sollquerschnitt des Objekts zur Kalibrierung der Steuerungselemente der Strahlenkanone Verwendung finden kann. Das Element ermöglicht ebenfalls eine Messung der Temperatur des nicht geschmolzenen Pulverbetts, wodurch ein Beibehalten einer vorteilhaften Temperatur vom Gesichtspunkt des Prozesses aus überwacht werden kann.
In noch einer bevorzugten Ausführungsform wird die Oberflächenunregelmäßigkeit gemessen, vorzugsweise durch eine Kamera, die Schattenbildung auf der Oberfläche registriert, wodurch der Oberflächenaufbau erfasst werden kann. Bei Registrierung eines Auftretens von Oberflächenunregelmäßigkeiten, zum Beispiel durch Entstehung durch einen Schweißfunken oder auf irgendeine andere Weise, kann die Strahlenkanone auf eine identifizierte Koordinate verstellt werden, um die identifizierte Unregelmäßigkeit abzuschmelzen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den beigefügten Unteransprüchen enthalten.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen unten weiter erläutert. Hierbei zeigt:
1 einen Querschnitt der Erfindung;
2 eine Seitenansicht einer mit einem transparenten Fenster ausgerüsteten Kammer;
3 eine Einrichtung zur Zufuhr und Fixierung eines Schutzfilms zur Beibehaltung einer Transparenz des Fensters;
4 ein Flussdiagramm zur Erzeugung von primären Laufplänen;
5 ein Flussdiagramm für einen Laufplan der Vorrichtung;
6 ein Flussdiagramm zur Korrektur des Laufplans;
7 den schematischen Aufbau eines dreidimensionalen Objekts; und
8 eine Anzahl von Querschnitten aus 7.
BEISPIELE VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 ist eine Vorrichtung für die Herstellung eines dreidimensionalen Produkts dargestellt, welche im Allgemeinen mit 1 bezeichnet ist. Die Vorrichtung weist Folgendes auf: einen Werktisch 2, auf dem ein dreidimensionales Produkt 3 erstellt werden soll, einen oder mehrere Pulverspender 4 und Bauelemente 28, die zum Ablegen einer dünnen Pulverschicht auf den Werktisch 2 für die Bildung eines Pulverbetts 5 angeordnet sind, eine Strahlenkanone 6 zur Energiefreisetzung bzw. -abgabe an das Pulverbett, wodurch eine Verschmelzung von Abschnitten bzw. Teilen des Pulverbetts stattfindet, Steuerungsbauteile 7 für den von der Strahlenkanone 6 freigesetzten Strahl über den Werktisch zur Bildung eines Querschnitts des dreidimensionalen Produkts durch Verschmelzung des Pulvers, und einen Steuerungscomputer 8, in welchem Daten von aufeinander folgenden Querschnitten des dreidimensionalen Produkts gespeichert sind, wobei die Querschnitte das dreidimensionale Produkt bilden. Bei einem Arbeitszyklus wird der Tisch in Bezug auf die Strahlenkanone nach jeder hinzugefügten Pulverschicht aufeinander folgend abgesenkt. Um diese Bewegung zu ermöglichen, ist der Werktisch in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in vertikaler Richtung verstellbar angeordnet, das heißt die Richtung, die durch den Pfeil P bezeichnet ist. Dieses bedeutet, dass der Werktisch in einer anfänglichen Position 2' startet, in einer Position, in der eine erste Pulverschicht einer notwendigen Dicke bzw. Stärke abgelegt bzw. aufgebracht worden ist. Damit der sich darunter befindliche Werktisch nicht beschädigt wird, und damit eine ausreichende Qualität dieser Schicht geschaffen wird, ist diese dicker als die anderen aufgebrachten Schichten ausgeführt, womit ein Durchschmelzen dieser ersten Schicht verhindert wird. Der Werktisch wird danach in Verbindung mit einem Ablegen einer neuen Pulverschicht für die Bildung eines neuen Querschnitts des dreidimensionalen Produkts abgesenkt. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Werktisch zu diesem Zweck von einem Gerüst 9 getragen, welches mindestens eine Zahnstange 10 mit Zähnen 11 aufweist. Ein Schritt- oder Servomotor 12, der mit einem Zahnrad 13 ausgerüstet ist, positioniert den Werktisch in der gewünschten vertikalen Position. Andere Verstelleinrichtungen der Arbeitshöhe eines Werktisches, die dem Fachmann bekannt sind, können ebenfalls verwendet werden. Zum Beispiel können Einstellschrauben anstelle von Zahnstange benutzt werden.
Das Bauelement 28 ist zum Zusammenwirken mit den Pulverspendern zum Nachfüllen von Werkstoff angeordnet. Weiterhin wird der Durchlauf bzw. die Hin- und Herbewegung des Bauelementes 28 über die Arbeitsoberfläche in bekannter Weise mittels eines Servomotors (nicht dargestellt) ausgeführt, welcher das Bauteil 28 längs einer Führungsschiene 29 verstellt, die entlang des Pulverbetts verläuft.
Beim Ablegen einer neuen Pulverschicht wird die Stärke der Pulverschicht dadurch reguliert, wie weit der Werktisch in Bezug auf die vorhergehende Schicht abgesenkt worden ist. Das bedeutet, dass die Stärke der Schicht wie gewünscht variiert werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Schichten dünner zu gestalten, wenn ein Querschnitt eine größere Änderung in seiner Gestalt zwischen aneinander liegenden Schichten aufweist, wodurch eine höhere Feinheit der Oberfläche erzielt wird, und um Schichten gleich der maximalen Eindringtiefe des Strahls auszubilden, wenn kleine oder keine Änderungen der Form auftreten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Strahlenkanone 6 von einer Elektronenkanone gebildet, wodurch die Steuerungsbauteile 7 für den Strahl der Strahlenkanone aus Ablenkspulen bestehen. Die Ablenkspule erzeugt ein magnetisches Feld, das den von der Elektronenkanone erzeugten Strahl steuert, wodurch eine Verschmelzung der Oberflächenschicht des Pulverbetts in einer gewünschten Position erreicht wird. Weiterhin weisen Strahlenkanonen eine Hochspannungsschaltung 20 auf, welche in einer bekannten Weise zur Versorgung der Strahlenkanone mit einer Beschleunigungsspannung für eine in der Strahlenkanone angeordnete Emissions- bzw. Abstrahlelekrode 21 vorgesehen ist. Die Emissionselektrode ist mit einer Energiequelle 22 in einer bekannten Weise verbunden, wobei die Quelle zur Heizung der Emissionselektrode 21 benutzt wird, wodurch Elektronen freigesetzt werden. Die Funktion und Zusammensetzung der Strahlenkanone sind dem Fachmann wohlbekannt. Die Ablenkspule wird von dem Steuerungscomputer 8 gemäß einem abgelegten Laufplan für eine jede zu verschmelzende Schicht gesteuert, wodurch eine Steuerung des Strahls in Übereinstimmung mit dem Soll-Laufplan erreicht werden kann.
Eine detaillierte Beschreibung, welche die Erzeugung und Korrektur von Laufpläne betrifft, folgt unten im Zusammenhang mit der Beschreibung der Zeichnungsfiguren 4 bis 6.
Weiterhin ist mindestens eine Fokussierspule 7' vorhanden, welche zur Fokussierung des Strahls auf die Oberfläche des Pulverbetts auf dem Werktisch angeordnet ist.
Die Ablenkspulen und die Fokussierspulen können gemäß einer Vielzahl von Alternativen angeordnet werden, die dem Fachmann wohlbekannt sind.
Die Vorrichtung ist in einem Gehäuse 15 angeordnet, welches die Strahlenkanone 6 und das Pulverbett 2 umgibt. Das Gehäuse weist eine erste Kammer 23, die das Pulverbett umgibt, und eine zweite Kammer 24 auf, welche die Strahlenkanone 6 einschließt. Die erste Kammer 23 und die zweite Kammer 24 kommunizieren über einen Kanal 25, welcher es emittierten Elektronen, die in dem Hochspannungsfeld der zweiten Kammer beschleunigt worden sind, ermöglicht in die erste Kammer weiterzulaufen, um danach auf dem Pulverbett auf dem Werktisch 2 aufzutreffen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Kammer mit einer Vakuumpumpe 26 verbunden, die den Druck in der ersten Kammer 23 auf einen Druck von vorzugsweise ungefähr 10^–3 ... 10^–5 mBar erniedrigt. Die zweite Kammer 24 ist vorzugsweise mit einer Vakuumpumpe 27 verbunden, die den Druck in der zweiten Kammer 24 auf einen Druck von ungefähr 10^–4 ... 10^–6 mBar absenkt. In einer alternativen Ausführungsform können die erste und die zweite Kammer beide mit der gleichen Vakuumpumpe in Verbindung stehen.
Der Steuerungscomputer 8 ist vorzugsweise weiterhin mit der Strahlenkanone 6 zur Regulierung der abgestrahlten Leistung der Strahlenkanone und mit dem Schrittmotor 12 zur Einstellung der vertikalen Position 2 des Werktisches zwischen jeder fortlaufenden Ablage von Pulverschichten verbunden, wodurch die individuelle Stärke der Pulverschichten variiert werden kann.
Weiterhin ist der Steuerungscomputer mit dem Bauelement 28 zur Ablage von Pulver auf der Arbeitsoberfläche verbunden. Das Bauelement ist zum Hin- und Herlauf über bzw. zum Überstreichen der Arbeitsoberfläche angeordnet, wobei eine Pulverschicht abgelegt wird. Das Bauelement 28 wird von einem Servoantrieb (nicht dargestellt) angetrieben, der von dem Steuerungscomputer 8 gesteuert wird. Der Steuerungscomputer steuert die Dauer des Überstreichens und stellt sicher, dass Pulver wenn notwendig nachgefüllt wird. Zu diesem Zweck können Beladungsanzeiger in dem Bauelement 28 angeordnet sein, wodurch der Steuerungscomputer informiert wird, dass das Bauelement leer ist.
Gemäß dem in 2 Dargestellten weist die Vorrichtung weiterhin Bauelemente 14 zur Abtastung der Oberflächeneigenschaft einer Oberflächenschicht des Pulverbetts auf. Dieses Bauelement 14 zur Abtastung der Temperaturverteilung einer Oberflächenschicht des Pulverbetts 5 ist vorzugsweise als eine Kamera ausgebildet. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Kamera zum Teil zur Messung der Temperaturverteilung auf der Oberflächenschicht und zum Teil zur Messung des Auftretens von Oberflächenunregelmäßigkeiten über die von Unregelmäßigkeiten auf einer Oberfläche verursachten Schattenbildung verwendet. Daten der Temperaturverteilung werden zum Teil dazu benutzt, um eine Temperaturverteilung so gleichmäßig wie möglich über den Abschnitten der zu schmelzenden Oberflächenschicht zu erhalten, und zum Teil können Daten zur Steuerung irgendeiner Abweichung in Maßen zwischen dem erzeugten dreidimensionalen Produkt und dem Original benutzt werden, da die Temperaturverteilung die Gestalt des Produkts reflektiert. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Videokamera an der Außenseite des Gehäuses 15 angebracht, welches das Pulverbett 5 und die Strahlenkanone 6 enthält. Zur Ermöglichung einer Temperaturmessung ist das Gehäuse mit einem transparenten bzw. durchsichtigen Fenster 16 versehen. Das Pulverbett 5 ist für die Kamera durch dieses Fenster sichtbar. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, die in 3 gezeigt ist, ist das Fenster 16 mit einem Schutzfilm 17 bedeckt. Der Schutzfilm wird von einer Zuführeinheit 18 auf eine Sammeleinheit 19 zugeführt, wodurch der Film fortlaufend ersetzt wird, woraus sich die Wirkung ergibt, dass eine Transparenz aufrecht erhalten werden kann. Der Schutzfilm ist notwendig, da Ablagerungen als eine Folge des Schmelzprozesses auftreten.
In 4 ist das Verfahren zum Erzeugen eines primären Laufplans schematisch dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt 40 wird ein 3D-Modell des herzustellenden Produkts erzeugt, zum Beispiel in einem CAD-Programm, alternativ wird ein vorerzeugtes 3D-Modell des herzustellenden Produkts dem Steuerungscomputer 8 eingegeben. Danach wird in einem zweiten Verfahrensschritt 41 eine Matrix generiert, die Daten des Aussehens bzw. Äußeren von Querschnitten des Produkts beinhaltet. In 7 ist ein Modell eines Hammers zusammen mit Beispielen von dazu gehörenden Querschnitten 31 bis 33 dargestellt. Diese Querschnitte sind auch in 8a bis 8c gezeigt. Die Querschnitte werden in einer Dichte abgelegt, die zu der Stärke der zu verschmelzenden separaten Schichten korrespondiert, um das vollständige Produkt zu erstellen. Vorteilhafterweise kann die Stärke zwischen den unterschiedlichen Schichten variiert werden. Zum Beispiel ist es vorteilhaft, die Schichten in Bereichen mit einer größeren Veränderung in der Gestalt des Querschnitts zwischen aneinander liegenden Schichten dünner auszubilden. Auf diese Weise wird bei der Erzeugung der Querschnitte eine Matrix geschaffen, welche die Daten der Erscheinungsformen aller Querschnitte enthält, die zusammen das dreidimensionale Produkt bilden.
Wenn der Querschnitt in einem dritten Verfahrensschritt 42 erzeugt worden ist, wird ein primärer Laufplan für jeden Querschnitt erzeugt. Die Erzeugung von primären Laufplänen basiert zum Teil auf Erkennen der Gestalt der Abschnitte, die einen Querschnitt bilden, und zum Teil darauf, wie der Laufplan die Abkühltemperatur von lokalen Abschnitten eines Querschnitts beeinflusst. Die Aufgabe besteht darin, einen Laufplan zu erzeugen, der zur Folge hat, dass die Abkühltemperatur so gleichmäßig wie möglich in den Abschnitten ist, die verschmolzen worden sind, bevor die nächste Schicht abgelegt wird, während gleichzeitig die Abkühltemperatur innerhalb eines gewünschten Bereiches gehalten wird, um das Risiko des Auftretens von Schrumpfspannungen in dem Produkt zu reduzieren, die zur Deformation des Produkts führen.
Zuerst wird ein primärer Laufplan generiert, basierend auf der Gestalt von in den Querschnitten vorhandenen separaten Abschnitten bzw. Teilen.
Auf diese Art und Weise werden in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung primäre Laufpläne aufgestellt, basierend auf Erfahrung von Laufplänen, die eine gute Temperaturverteilung der Abkühltemperatur des Querschnitts schafft, wodurch das Risiko von Schrumpfspannung in dem Produkt, das zu Deformation des Produkts führt, reduziert werden kann. Zu diesem Zweck wird ein Satz von Laufplänen für Bereiche von unterschiedlichen Formen in einem Speicher abgespeichert. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dieser Speicher im Verlauf der Auswertung der Ergebnisse der Korrektur des Laufplans aktualisiert, wodurch ein selbstlernendes System erreicht wird.
In einer alternativen Ausführung der Erfindung werden vorgeformte Querschnitte, die von einem separaten Computer generiert worden sind, in einen Speicher des Steuerungscomputers eingespeist, in welchem die primären Laufpläne generiert werden. In diesem Fall gelangen die Daten direkt durch eine externe Quelle 40a zum Verfahrensschritt 42.
In 5 wird ein Verfahren schematisch dargestellt, in welchem der Strahl von der Strahlenkanone über das Pulverbett gesteuert wird, um einen Querschnitt eines Produkts zu erzeugen. In einem ersten Verfahrensschritt 50 wird eine Steuerung des Strahls über dem Pulverbett gemäß dem im Verfahrensschritt 42 festgelegten primären Laufplan initiiert. Im nächsten Verfahrensschritt 51 wird die Temperaturverteilung der Oberflächenschicht des Pulverbetts von der Kamera gemessen. Danach wird eine Temperaturverteilungsmatrix, T_ij-gemessen, von der gemessenen Temperaturverteilung generiert, in welcher die Temperatur von kleinen Unterbereichen der Oberflächenschicht des Pulverbetts gespeichert wird. Wenn die Matrix erzeugt ist, wird jeder Temperaturwert T_ij-gemessen in der Matrix mit dem Sollwert in einer Matrix von gewünschten Werten, T_ij-Soll, verglichen. In grober Weise kann die Oberflächenschicht des Pulverbetts in drei Kategorien unterteilt werden. Erstens in Bereiche, in denen eine Verschmelzung durch Bearbeitung durch die Strahlenkanone erfolgt. In diesen Bereichen ist eine maximale Schmelztemperatur T_ij-max von Interesse. Zweitens in Bereiche, die bereits verschmolzen sind, und welche dadurch abkühlen. In diesen Bereichen ist eine minimale zulässige Abkühltemperatur T_{ij-Abkühlung-min} von Interesse, da eine zu niedrige Abkühltemperatur Spannungen entstehen lässt, und sich dadurch eine Deformation der Oberflächenschicht ergibt. Drittens in Bereiche, die nicht von der Strahlenkanone bearbeitet werden. In diesen Bereichen ist die Bett-Temperatur T_ij-Bett von Interesse. Es ist auch möglich, die Temperaturen nur in bearbeiteten Bereichen zu vergleichen, wodurch T_ij-Bett nicht gespeichert und/oder gesteuert wird.
In einem dritten Verfahrensschritt 52 wird geprüft, ob T_ij-gemessen von dem Sollwert T_ij-Soll abweicht, und ob die Abweichung zugelassene Grenzen überschreitet. Die Grenzen ΔT_ij-max, ΔT_{ij-Abkühlung} und ΔT_ij-Bett, gehören zu den unterschiedlichen Kategorien und werden in dem Steuerungscomputer 8 gespeichert. Es ist auch möglich, nicht die Bett-Temperatur zu steuern. In diesem Fall wird der zugehörige Grenzwert nicht gespeichert. In einem vierten Verfahrensschritt 53 wird ermittelt, ob die Bearbeitung der Oberflächenschicht vollständig ist, vorausgesetzt, dass die Abweichung zwischen T_ij-gemessen und T_ij-Soll diese Grenze nicht überschreitet. Wenn dieses nicht der Fall ist, wird der Ablauf gemäß dem effektiven Laufplan fortgesetzt, wodurch die oben erwähnten Verfahrensschritte 50 bis 53 ein weiteres Mal durchlaufen werden.
Wenn die Abweichung zwischen T_ij-gemessen und T_ij-Soll eine von den Grenzen überschreitet, wird eine Korrektur des Laufplans 42 in einem fünften Verfahrensschritt ausgeführt. Die Korrektur erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß dem in 6 gezeigten Schema. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird eine neue Pulverschicht nicht eher abgelegt, bis dass die Vervollständigung von einer jeden Schicht erfolgt ist, wodurch das Produkt durch aufeinander folgende Verschmelzungen erstellt wird, bis dass das Produkt vollständig ist. In diesem Fall wird eine neue Schicht nach einem sechsten Verfahrensschritt 55 begonnen, vorausgesetzt, dass das Produkt in seiner Gesamtheit nicht vervollständigt ist, wenn in dem vierten Verfahrensschritt 53 festgehalten wird, dass der Laufplan für eine Schicht vervollständigt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Laufplan die folgenden Verfahrensschritte auf: In einem ersten Verfahrensschritt 56 wird T_ij-max mit T_ij-max-Soll verglichen. Wenn T_ij-max von T_ij-max-Soll abweicht, wobei ΔT_ij-max überschritten wird, wird die Energiezufuhr zu der Pulverschicht in einem Verfahrensschritt 56a entweder durch Änderung der Energie des Strahls oder durch Änderung der Verfahr- bzw. Laufgeschwindigkeit des Strahls kalibriert. In einem ersten Verfahrensschritt 58 wird T_{ij-Abkühlung} mit T_{ij-Abkühlung-Soll} verglichen. Wenn T_{ij-Abkühlung} von T_{ij-Abkühlung-Soll} abweicht, wobei ΔT_{ij-Abkühlung} überschritten wird, wird der Laufplan für den Strahl in einem Verfahrensschritt 58a geändert. Es gibt verschiedene Wege zur Modifikation des Laufplans für einen Strahl. Ein Weg zur Modifikation des Laufplans besteht darin zu ermöglichen, dass der Strahl Bereiche wieder aufwärmt, bevor sie zu sehr abgekühlt sind. Die Strahlenkanone kann dann schon verschmolzene Bereiche mit einer geringeren Energieintensität und/oder einer höheren Laufgeschwindigkeit überstreichen.
In einem dritten Verfahrensschritt 60 wird ermittelt, ob T_ij-Bett von T_ij-Bett-Soll abweicht. Wenn die Abweichung ΔT_ij-Bett überschreitet, kann die Temperatur des Betts in einer Ausführungsform der Erfindung in einem Verfahrensschritt 60a korrigiert werden, zum Beispiel dadurch, dass der Strahl das Bett zur Abgabe von Energie überstreicht. Es ist auch möglich, eine Einrichtung zur separaten Erwärmung bzw. Aufheizung des Betts an die Vorrichtung anzubringen.
Es ist auch möglich, dass eine Steuerung der Größe des herzustellenden Objekts durch die in der Vorrichtung eingebaute Wärmekamera erfolgt. In Übereinstimmung mit dem oben Beschriebenen werden das Bett und die verschmolzenen Abschnitte gemessen. Die aufgezeichnete Wärmeverteilung reflektiert vollständig die Gestalt des Objekts in einem Schnitt des zu erzeugenden dreidimensionalen Körpers. Eine Steuerung der Abmessungen des Objekts kann dadurch in einem vierten Verfahrensschritt 62 ausgeführt werden, und eine Rückkopplung einer X-Y-Ablenkung des Strahls der Strahlenkanone kann damit erfolgen. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird diese Steuerung in einem Verfahrensschritt 62a ausgeführt, in welchem die Abweichung zwischen Messungen des Querschnitts bestimmt wird, und, wenn die Abweichung größer als zugelassen ist, die X-Y-Ablenkung der Strahlenkanone korrigiert wird.
Weiterhin können eingegebene Signale von der Kamera zur Identifizierung des Auftretens von Oberflächenunregelmäßigkeiten, zum Beispiel in der Form eines Schweißfunkens, verwendet werden. Wenn die Koordinaten für Oberflächenunregelmäßigkeiten identifiziert worden sind, kann der Laufplan auf die identifizierten Koordinaten aktualisiert werden, um die Oberflächenunregelmäßigkeiten zu schmelzen.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt; zum Beispiel kann die Strahlenkanone aus einem Laser gebildet sein, wodurch die Ablenkbauelemente durch steuerbare Spiegel und/oder Linsen gebildet sind.
Die Erfindung kann außerdem in einer Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Produkts durch Energieübertragung von einer Energiequelle auf einen Produkt-Rohwerkstoff Verwendung finden, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: einen Werktisch, auf dem das dreidimensionale Produkt erstellt werden soll, einen Spender, der zum Ablegen einer dünnen Schicht von Produkt-Rohwerkstoff auf den Werktisch zur Bildung eines Produktbetts angeordnet ist, ein Bauelement zur Abgabe von Energie auf ausgewählte Bereiche der Oberfläche des Produktbetts, wodurch ein Phasenübergang des Produkt-Rohwerkstoffs zur Bildung eines festen Querschnitts in dem Bereich ermöglicht wird, und einen Steuerungscomputer zur Handhabung eines Speichers, in welchem Daten über aufeinander folgende Querschnitte des dreidimensionalen Produkts gespeichert sind, wobei die Querschnitte das dreidimensionale Produkt bilden, wobei der Steuerungscomputer dazu vorgesehen ist, das Bauelement zur Abgabe von Energie so zu steuern, dass Energie den ausgewählten Bereichen zugeführt wird, wodurch das dreidimensionale Produkt durch aufeinander folgende Verbindung von Querschnitten gebildet wird, die aufeinander folgend aus von dem Pulverspender abgelegten Pulverschichten gebildet werden.
In diesem Fall ist die Ausführungsform nicht auf Verschmelzung von Pulvern durch die Strahlung bzw. Bestrahlung der Oberfläche eines Pulverbetts durch eine Strahlenkanone beschränkt. Das Bauelement zur Freisetzung von Energie kann aus einer Elektronenkanone, einem Laser, bestehen, die/der über die Arbeitsoberfläche gesteuert wird; alternativ kann es aus einem Bauelement zur Freisetzung von Energie mit der Fähigkeit bestehen, einen Querschnitt direkt auf das Produktbett zu projizieren.
Im Übrigen kann diese Ausführungsform alle die Eigenschaften aufweisen, welche in Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erläutert wurden.

Claims

Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Produkts, welche Folgendes aufweist: einen Werktisch, auf dem das dreidimensionale Produkt zu bilden ist, einen Pulverspender, welcher zum Ablegen einer dünnen Pulverschicht auf den Werktisch zur Bildung eines Pulverbetts angeordnet ist, eine Strahlenkanone zum Abgeben von Energie an das Pulver, wobei eine Verschmelzung des Pulvers stattfindet, Elemente zum Steuern des durch die Strahlenkanone freigesetzten Strahls über das Pulverbett zur Bildung eines Querschnitts des dreidimensionalen Produkts durch die Verschmelzung von Teilen des Pulverbetts, und einen Steuerungscomputer, in welchem Daten über aufeinander folgende Querschnitte des dreidimensionalen Produkts gespeichert sind, wobei die Querschnitte das dreidimensionale Produkt bilden, der Steuerungscomputer, welcher zum Steuern der Elemente zum Lenken der Strahlenkanone über das Pulverbett nach einem Laufplan steuern soll, einen Querschnitt des dreidimensionalen Körpers bildet, wobei das dreidimensionale Produkt durch die aufeinander folgende Verschmelzung der nacheinander gebildeten Querschnitte aus den durch den Pulverspender nacheinander abgegebenen Pulverschichten gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zudem eine Einrichtung zum Abtasten der Temperaturverteilung einer Oberflächenschicht am Pulverbett aufweist, und dass die Oberflächenschicht des Pulverbettes in drei Kategorien unterteilt ist: – Bereiche, in welchen eine Verschmelzung durch die Bearbeitung durch die Strahlenkanone stattfindet und in welchen eine Schmelztemperatur gemessen wird; – Bereiche, welche bereits verschmolzen sind und dadurch abkühlen und in welchen eine Kühltemperatur gemessen wird; – und Bereiche, welche nicht durch die Strahlenkanone bearbeitet wurden und in welchen die Betttemperatur gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungscomputer angeordnet ist, um sich basierend auf Daten über die Temperaturverteilung der Oberflächenschicht des Pulverbetts vom Element zum Abtasten der Temperaturverteilung auf den Laufpl für die Strahlenkanone auszuwirken.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungscomputer angeordnet ist, um sich auf den Laufplan für die Strahlenkanone auszuwirken, so dass die Energieabgabe innerhalb Bereichen der Oberflächenschicht des Pulverbettes mit einer zu geringen Temperatur erhöht wird und die Energieabgabe innerhalb Bereichen mit einer zu hohen Temperatur verringert wird, wodurch eine gleichmäßiger Arbeitstemperatur der Querschnitte erhalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungscomputer zum Steuern der Energieabgabe von der Strahlenkanone an das Pulverbett basierend auf den Daten über die Temperaturverteilung angeordnet ist, so dass die Höchsttemperatur nach der Verschmelzung in Bereichen innerhalb der derzeit obersten Pulverschicht innerhalb eines begrenzten Bereiches liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungscomputer zum Steuern der Energieabgabe von der Strahlenkanone an das Pulverbett basierend auf den Daten über die Temperaturverteilung angeordnet ist, so dass die Höchsttemperatur nach der Verschmelzung in Bereichen innerhalb der derzeit obersten Pulverschicht, welche verschmelzt und mit Bereichen in einer nachfolgenden Schicht zu vereinen sind, innerhalb eines begrenzten Bereiches liegt, damit die Mindesttemperatur nach der Verschmelzung in diesen Bereichen nicht unter eine vorbestimmte Grenze fällt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungscomputer zum Steuern der Energieabgabe von der Strahlenkanone an das Pulverbett in Bereichen, welche innerhalb der derzeit obersten Pulverschicht verschmolzen sind, basierend auf den Daten über die Temperaturverteilung angeordnet ist, so dass die Mindesttemperatur nach der Verschmelzung in diesen Bereichen nicht unter eine vorbestimmte Grenze fällt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungscomputer zum Steuern der Energieabgabe von der Strahlenkanone an das Pulverbett in Bereichen innerhalb der obersten Pulverbettschicht, welche nicht verschmolzen sind, basie rend auf den Daten der Temperaturverteilung angeordnet ist, so dass die Temperatur innerhalb dieser Bereiche nicht unter eine zweite vorbestimmte Grenze fällt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Steuern der Strahlenkanone angeordnet ist, um unter Verwendung der Daten über die Temperaturverteilung kalibriert zu werden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zum Abtasten der Temperaturverteilung einer Oberflächenschicht am Pulverbett durch eine Kamera gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Produktbett in einer geschlossenen Kammer befindet, dass die geschlossene Kammer ein transparentes Fenster aufweist, und dass die Kamera zum Aufzeichnen der Oberflächeneigenschaft des Pulverbetts durch dieses Fenster angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Fenster durch eine Schicht geschützt wird, dass die Schicht auf zuführende Weise entlang dem Fenster angeordnet ist, wodurch eine neue Schicht zugeführt wird, wodurch die Transparenz durch die Schicht und das Fenster aufrechterhalten wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenkanone durch eine Elektronenkanone gebildet ist, und dass das Pulverbett und die Elektronenkanone innerhalb einer Vakuumkammer eingeschlossen sind.
Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Körpern durch aufeinander folgende Verschmelzungen von Teilen eines Pulverbetts, wobei die Teile aufeinander folgenden Querschnitten des dreidimensionalen Körpers entsprechen, wobei das Verfahren die Folgenden Schritte aufweist: Ablegen einer Pulverschicht auf einem Werktisch, Speisen von Energie aus einer Strahlenkanone nach einem vorbestimmten Laufplan für die Pulverschicht, Verschmelzung des Bereiches der Pulverschicht, welcher nach dem Laufplan für die Bildung des Querschnitts des dreidimensionalen Körpers ausgewählt wurde, und Bildung des dreidimensionalen Körpers durch die aufeinander folgende Verschmelzung von nacheinander gebildeten Querschnitten aus den nacheinander abgelegten Pulverschichten, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zudem das Messen der Temperaturverteilung einer Oberflächenschicht enthält, welche sich am Pulverbett befindet, und dass die Oberflächenschicht des Pulverbetts in drei Kategorien unterteilt ist: – Bereiche, in welchen eine Verschmelzung durch die Bearbeitung durch die Strahlenkanone stattfindet und in welchen eine Schmelztemperatur gemessen wird; – Bereiche, welche bereits verschmolzen sind und dadurch abkühlen und in welchen eine Kühltemperatur gemessen wird; – und Bereiche, welche nicht durch die Strahlenkanone bearbeitet wurden und in welchen die Betttemperatur gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeisung zur Strahlenkanone unter Verwendung einer abgetasteten Temperaturverteilung kalibriert wird, wodurch eine genaue Schmelztemperatur erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufplan basierend auf der abgetasteten Temperaturverteilung verändert wird, wodurch eine genaue Kühltemperatur durch das Verändern des Laufplans erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche mit einer zu geringen Kühltemperatur wieder erhitzt werden.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erfassung eines Bereiches mit einer zu hohen Kühltemperatur der Laufplan verändert wird, so dass die Aufbaugeschwindigkeit innerhalb dieses Bereiches verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13–17, dadurch gekennzeichnet, dass die Betttemperatur erfasst wird und dass das Bett erhitzt wird, wenn die erfasste Temperatur unter eine vorbestimmte Grenze fällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13–18, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Strahlenkanone für die X-Y-Ablenkung des Strahls angeordneten Elemente unter Verwendung der abgetasteten Temperaturverteilung kalibriert werden.