und zugehöriges Computerproqrammprodukt

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere LMF(Laser Metal Fusion)- oder SLS(Selective Laser Sintering)-Verfahren, zum schichtweisen additiven Fertigen von Bauteilen in einem Pulverbett mittels mindestens zweier über den gleichen Pulverbettbereich zweidimensional ablenkbarer Laserstrahlen, deren auf das Pulverbett projizierte Laserbrennflecken jeweils auf eine Größe kleiner oder gleich 30Όμιη, bevorzugt 200μηΊ, besonders bevorzugt 100ym, eingestellt sind oder ein- stellbar sind, wobei ein in dem Pulverbettbereich herzustellendes Bauteil von jedem der Laserstrahlen gefertigt werden kann, sowie auch ein zugehöriges Computerprogrammprodukt. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise durch die DE 10 2013 103 006 A1 bekannt geworden.

In Maschinen zur schichtweisen additiven Fertigung von Bauteilen werden Materi- alien verarbeitet, indem in einer Prozesskammer eine Pulverschicht (Metall, Keramik, Thermoplaste) auf eine Substratplatte aufgebracht und mit einem Laserstrahl verfestigt wird. Die Materialien können reaktiv sein, wie bspw. Titan oder Aluminium, die in Kontakt mit Sauerstoff schnell oxidieren, oder vergleichsweise inert sein, wie z.B. Edelstahl. Wird die Pulverschicht mit dem Laserstrahl ge- schmolzen, spricht man von Laser Metal Fusion (LMF) oder Selective Laser Mel- ting (SLM). Wird die Pulverschicht mit dem Laserstrahl nur gesintert, spricht man von Selective Laser Sintering (SLS). Anschließend wird die Substratplatte um eine Pulverschichtdicke abgesenkt und eine neue Pulverschicht aufgebracht und erneut verfestigt, bis ein 3-dimensionales Bauteil gefertigt wurde. Üblicherweise werden mehrere Laserstrahlen mit zugehörigen Scannern eingesetzt, um den möglichen Bauraum, der sonst bei einem einzigen Scanner durch dessen Scanbereich eingeschränkt wäre, in X und Y zu vergrößern, wobei sich überlappende Arbeitsbereiche der Scanner nicht ausgeschlossen sind (z.B. DE 10 2005 014 483 A1). Nach der EP 2 875 897 A1 wird das Aufschmelzen der (Oberflächen)Kontur des Bauteils im Überlappbereich der Arbeitsbereiche zweier Laserstrahlen von dem einen Laserstrahl begonnen und dann von dem anderen Scanner fortgesetzt.

Außerdem ist bei Verfahren zum additiven Fertigen noch die sogenannte Hülle- Kern-Strategie bekannt, bei der mit einem ersten Laserstrahl mit kleinem Fokus- durchmesser (bspw. <100pm) die (filigrane) Kontur eines Bauteils („Hülle") aufgeschmolzen und mit mindestens einem zweiten Laserstrahl der innenliegende Bereich des Bauteils („Kern") auf Grund eines größeren Fokusdurchmessers (bspw. >500pm) und damit einhergehend vergrößerter Laserenergie beschleunigt gegenüber dem ersten Laserstrahl aufgeschmolzen. Optional wird der Bereich des Kerns nicht nach jeder Pulverlage aufgeschmolzen, sondern es werden mit dem zweiten Laserstrahl zwei oder mehr Pulverlagen auf einmal aufgeschmolzen.

Nach der DE 198 18 469 A1 kann der Durchmesser des ersten Laserstrahls 0,01 bis 1 ,0 mm, insbesondere 0,1 bis 0,3 mm, und der Durchmesser des zweiten Laserstrahls 0,3 bis 50 mm, insbesondere 2 bis 10 mm, sein. Aus der eingangs genannten DE 10 2013 03 006 A1 ist eine Maschine zur schichtweisen additiven Fertigung von Bauteilen mittels mehrerer Laserstrahlen bekannt. Die Maschine umfasst jeweils einen Scanner für jeden Laserstrahl zum Abtasten der jeweiligen Laserstrahlen über ein Pulverbett und einen schrittweise absenkbaren Träger zur Ermöglichung aufeinander folgender Fertigungsschichtzyklen und zur Aufnahme des Pulverbetts. Die Laserstrahlen sind identisch und können jeweils den gleichen Pulverbettbereich abtasten, so dass jeder Teil eines in diesem Pulverbettbereich herzustellenden Bauteils von jedem der Laserstrahlen gefertigt werden kann. Der auf das in der Brennebene befindliche Pulverbett projizierte Laserbrennfleck der Laserstrahlen hat einen Durchmesser von üblicherweise etwa 70 m. Durch die mehreren einander überlappenden Laserstrahlen wird ein größerer gemeinsamer Pulverbettbereich abgedeckt, so dass verschiedene Abschnitte eines einzelnen Bauteils gleichzeitig und aneinander angrenzend durch die Laserstrahlen hergestellt werden können. Wenn hierbei die Laserstrahlen nicht genau aufeinander kalibriert sind oder die Laserstrahlen über die Bauzeit unterschiedlichen Drifts unterliegen, führt dies bei einer von den Laserstrahlen gemeinsam hergestellten Oberflächenkontur zu einer Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit, weil die Schmelzbahnen der Laserstrahlen um diese Ungenauigkeit zueinander versetzt sind.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass Bauteile ohne Versatz in der Oberflächenkontur, also mit einer über die gesamte Oberflä- chenkontur gleichbleibenden Genauigkeit, hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jede einzelne, sich über mehrere Schichten erstreckende, rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zum Pulverbett ausgerichtete Oberflächenkontur des im Pulverbettbereich herzustel- lenden Bauteils und/oder jede einzelne, sich über mehrere Schichten erstreckende, nicht parallel oder nicht nahezu parallel zum Pulverbett ausgerichtete Oberflächenkontur des im Pulverbettbereich herzustellenden Bauteils ausschließlich von einem der Laserstrahlen gefertigt wird. Vorzugsweise wird jede einzelne, sich über mehrere Schichten erstreckende, rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zum Pul- verbett ausgerichtete Oberflächenkontur der Außen- und/oder Innenoberfläche des Bauteils und/oder jede einzelne, sich über mehrere Schichten erstreckende, nicht parallel oder nicht nahezu parallel zum Pulverbett ausgerichtete Oberflächenkontur der Außen- und/oder Innenoberfläche des Bauteils ausschließlich von einem der Laserstrahlen gefertigt. Im Rahmen der Erfindung wird als„nahezu rechtwinklig zum Pulverbett" eine Oberflächenkontur verstanden, die mit der Normalen des Pulverbetts einen Winkel von kleiner als 20°, bevorzugt kleiner als 10°, einschließt, und als„nicht nahezu parallel zum Pulverbett" eine Oberflächenkontur verstanden, die mit der Normalen des Pulverbetts einen Winkel von kleiner als 70° einschließt.

Erfindungsgemäß wird jede einzelne Oberflächenkontur des Bauteils mit dem gleichen Laserstrahl über alle Schichten der Oberflächenkontur hinweg belichtet, so dass ein zwischen den unterschiedlichen Laserstrahlen vorhandener Kalibrier- oder Driftfehler unerheblich ist. Die Laserstrahlen sind aufgrund ihrer vergleichbar kleinen Laserbrennflecken alle geeignet, die Oberflächenkonturen mit der gleichen Oberflächenqualität herzustellen. Mit anderen Worten weisen die auf das Pulverbett projizierten Laserbrennflecken der Laserstrahlen innerhalb des Pulverbettbereichs jeweils eine nahezu identische Brennfleckgröße bzw. einen entlang dem Pulverbettbereich nahezu identischen bzw. symmetrischen Brennfleckgrößenver- lauf auf. Im Rahmen der Erfindung wird unter der Größe des Laserbrennfleckens seine maximale Erstreckung verstanden, also im Falle eines kreisrunden Laserbrennfleckens der Durchmesser und im Falle eines elliptischen Laserbrennfleckens die Länge der Längsachse.

Dabei kann vorteilhaft auch mindestens eine sich über mehrere Schichten erstreckende, parallel oder nahezu parallel zum Pulverbett ausgerichtete Oberflächenkontur des in dem Pulverbettbereich herzustellenden Bauteils mit dem gleichen Laserstrahl wie eine insbesondere daran angrenzende, rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zum Pulverbett ausgerichtete Oberflächenkontur gefertigt werden. Im Rahmen der Erfindung wird als„nahezu parallel zum Pulverbett" eine Oberflächenkontur verstanden, die mit der Normalen des Pulverbetts einen Winkel von größer als 70°, bevorzugt größer als 80°, einschließt. Ebenfalls vorteilhaft kann mindestens eine sich über mehrere Schichten erstreckende, parallel oder nahezu parallel zum Pulverbett ausgerichtete Oberflächenkontur des in dem Pulverbettbereich herzustellenden Bauteils mit dem gleichen Laserstrahl wie eine insbesondere daran angrenzende, nicht parallel oder nicht nahezu parallel zum Pulverbett ausgerichtete Oberflächenkontur gefertigt werden.

Besonders bevorzugt werden alle sich über mehrere Schichten erstreckenden, rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zum Pulverbett ausgerichteten Oberflächenkonturen der Außen- und/oder Innenoberfläche des in dem Pulverbettbereich her- zustellenden Bauteils und/oder alle sich über mehrere Schichten erstreckenden, nicht parallel oder nicht nahezu parallel zum Pulverbett ausgerichteten Oberflächenkonturen des Bauteils, ausschließlich von einem der Laserstrahlen gefertigt.

Ganz besonders bevorzugt werden alle sich über mehrere Schichten erstrecken- den, rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zum Pulverbett ausgerichteten Oberflächenkonturen und auch alle übrigen nicht parallel oder nicht nahezu parallel zum Pulverbett ausgerichteten Oberflächenkonturen des in dem Pulverbettbereich herzustellenden Bauteils ausschließlich von einem der Laserstrahlen gefertigt. Mehrere im Pulverbettbereich zu fertigende Bauteile können jeweils von unterschiedlichen Laserstrahlen zeitparallel gefertigt werden.

Vorzugsweise ist der von den Laserstrahlen abscannbare Pulverbettbereich durch mindestens ca. 2/3 des Pulverbetts, insbesondere durch das gesamte Pulverbett, gebildet.

Die Laserstrahlen können entweder von unterschiedlichen Laserquellen erzeugt werden oder von nur einer einzelnen Laserquelle, deren Laserstrahl dann über Strahlteiler in die einzelnen Laserstrahlen aufgeteilt wird. Im ersteren Fall können die auf das Pulverbett projizierten Laserbrennflecken der Laserstrahlen auch unterschiedlich groß sein, während sie im zweiten Fall gleichgroß oder zumindest nahezu gleichgroß sind. Besonders vorteilhaft wird zeitparallel zur Fertigung der Oberflächenkontur ein innenliegender Bereich des Bauteils von einem anderen der Laserstrahlen gefertigt, was immer dann sinnvoll ist, wenn der andere Laserstrahl kein eigenes Bauteil zeitparallel fertigen kann. Die Belichtung der Oberflächenkontur und die Belich- tung des innenliegenden Bereichs des Bauteils, insbesondere durch den anderen Laserstrahl, werden dabei bevorzugt miteinander überlappend ausgeführt und zwar mindestens in der Größenordnung der Kalibrierfehler oder Drifts zwischen den Laserstrahlen. Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des oben beschriebenen Verfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Maschinensteuerung einer Maschine abläuft. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigen: Fig. 1 schematisch eine LMF-Maschine zur schichtweisen additiven Fertigung von Bauteilen;

Fig. 2 eine Schnittansicht durch die in Fig. 1 gezeigte LMF-Maschine gemäß II-II in Fig. 1 ; und

Fig. 3 eine modifizierte LMF-Maschine zur schichtweisen additiven Ferti- gung von Bauteilen in einer Schnittansicht analog zu Fig. 2.

Die in Fig. 1 gezeigte LMF-Maschine 1 dient zur schichtweisen additiven Fertigung von Bauteilen 2 mittels zweier Laserstrahlen 3a, 3b und umfasst eine Pro- zesskammer 4, in der eine Pulverschicht (Metall, Keramik, Thermoplaste) in Form eines Pulverbetts 5 auf eine Substratplatte 6 aufgebracht und mit den Laserstrahlen 3a, 3b geschmolzen und dadurch verfestigt werden kann. Anschließend wird die Substratplatte 6 um eine Pulverschichtdicke abgesenkt und eine neue Pulver- schicht aufgebracht und erneut verfestigt, bis ein 3-dimensionales Bauteil 2 gefertigt wurde.

Oberhalb des Pulverbetts 5 sind ein erster Scanner 7a zum zweidimensionalen Ablenken des einen Laserstrahls 3a über einen ersten Pulverbettabschnitt und ein zweiter Scanner 7b zum zweidimensionalen Ablenken des anderen, zweiten Laserstrahls 3b über einen zweiten Pulverbettabschnitt angeordnet, wobei sich die beiden Pulverbettabschnitte überlappen. Wie in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet, kann im gezeigten Ausführungsbeispiel von beiden Laserstrahlen 3a, 3b jeweils das gesamte Pulverbett 5, insbesondere oberhalb der Substratplatte 6, abge- scannt werden, so dass hier der von beiden Laserstrahlen 3a, 3b abscannbare Pulverbettbereich 8 durch das gesamte Pulverbett 5 gebildet ist.

Die auf das Pulverbett 5 projizierten Laserbrennflecken der Laserstrahlen 3a, 3b sind jeweils auf eine Größe kleiner oder gleich 30Όμιη, bevorzugt 200pm, beson- ders bevorzugt Ι ΟΌμιη, eingestellt oder einstellbar. Die Form und Größe der Laserbrennflecken sind über das Pulverbett 5 im Wesentlichen, aber nicht genau konstant. Wird der Laserstrahl 3a, 3b auf dem Pulverbett 5 von einem Auftreff- punkt direkt unterhalb seines Scanners 7a, 7b wegbewegt, verändert er sich in Form und Größe, wird oval und dehnt sich in der Größe aus, wodurch die Leis- tungsdichte verringert wird. Aufgrund ihrer geringen Laserbrennfleckgrößen sind beide Laserstrahlen 3a, 3b gleichermaßen geeignet, ein Bauteil 2 mit der gleichen Oberflächenrauhigkeit (Oberflächenqualität) herzustellen. Vorteilhaft weisen die beiden Laserstrahlen 3a, 3b jeweils eine innerhalb des Pulverbettbereichs 8 nahezu identische Brennfleckgröße bzw. einen entlang dem Pulverbettbereich 8 nahe- zu identischen oder symmetrischen Brennfleckgrößenverlauf auf.

Im Gegensatz zu bisher bekannten Fertigungsverfahren, bei denen - nach Kalibrierung der beiden Laserstrahlen 3a, 3b in sich und aufeinander - eine sich über mehrere Schichten erstreckende, rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zum Pul- verbett 5 ausgerichtete Oberflächenkontur 9a eines Bauteils 2 von beiden Laserstrahlen 3a, 3b gemeinsam gefertigt wird und sich daher bei Kalibrierfehlern oder Drifts der Laserstrahlen die Oberflächenrauhigkeit des Bauteils erhöht, wird erfindungsgemäß jede einzelne, sich über mehrere Schichten erstreckende, recht- winklig oder nahezu rechtwinklig zum Pulverbett 5 ausgerichtete Oberflächenkontur 9a ausschließlich von einem der beiden Laserstrahlen 3a, 3b gefertigt. Bevorzugt werden alle sich über mehrere Schichten erstreckenden, rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zum Pulverbett ausgerichteten Oberflächenkonturen der Außen- und/oder Innenoberfläche des Bauteils 2 ausschließlich von einem der La- serstrahlen 3a, 3b gefertigt. Dies resultiert in einer auf der Oberflächenkontur 9a gleichbleibenden Oberflächenrauhigkeit und insbesondere in einer besseren Maßhaltigkeit auf Grund einer genaueren Positionierung der Oberflächenkonturen 9a zueinander, falls alle rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zum Pulverbett ausgerichteten Oberflächenkonturen 9a eines Bauteils 2 ausschließlich von einem der beiden Laserstrahlen 3a, 3b gefertigt werden. Vorteilhaft können alle rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zum Pulverbett 5 ausgerichteten Oberflächenkonturen 9a und auch alle übrigen, also nicht rechtwinklig oder nicht nahezu rechtwinklig zum Pulverbett 5 ausgerichteten Oberflächenkonturen 9b des in dem Pulverbettbereich 8 herzustellenden Bauteils 2 ausschließlich von einem der Laserstrahlen 3a, 3b gefertigt werden.

Zeitparallel zur Fertigung der rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zum Pulverbett 5 ausgerichteten Oberflächenkontur 9a des Bauteils 2 durch den einen Laserstrahl kann ein innenliegender Bereich dieses Bauteils 2 von dem anderen Laserstrahl gefertigt werden. Mehrere im selben Pulverbett 5, insbesondere im Pulverbettbereich 8, zu fertigende Bauteile können von den beiden Laserstrahlen 3a, 3b zeitparallel und unabhängig voneinander gefertigt werden. Die Belichtung der rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zum Pulverbett 5 ausgerichteten Oberflächenkontur 9a und die Belichtung des innenliegenden Bereichs des Bauteils 2, insbesondere durch den anderen Laserstrahl, werden dabei bevorzugt miteinander überlappend ausgeführt und zwar mindestens in der Größenordnung der Kalibherfehler oder Drifts zwischen den Laserstrahlen. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst die Maschine 1 ferner eine Maschinensteuerung 10, die programmiert ist, das oben beschriebene Verfahren zum schichtweisen additiven Fertigen von Bauteilen zu steuern. Wie oben bereits ausgeführt, kann ein Bauteil 2 mehrere rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zum Pulverbett 5 ausgerichtete Oberflächenkonturen 9a aufweisen, wie an den folgenden Beispielen verdeutlicht wird:

. Eine Kugel, die innen hohl ist, weist mit der äußeren Kugeloberfläche eine Oberflächenkontur 9a und mit der inneren Kugeloberfläche eine weitere Ober- flächenkontur 9a auf.

2. Ein senkrecht im Pulverbett aufgebautes Rohr weist ebenfalls zwei Oberflächenkonturen 9a auf, und zwar eine rechtwinklig zum Pulverbett 5 ausgerichtete Oberflächenkontur, die die Außenseite des Rohrs darstellt, und eine weitere rechtwinklig zum Pulverbett 5 ausgerichtete Oberflächenkontur, die die Innenseite des Rohrs darstellt, wobei Außen- und Innenseite über einen innenliegenden Bereich des Bauteils verbunden sind. D.h. insbesondere, dass im Wesentlichen parallel zum Pulverbett ausgerichtete Flächen, in diesem Beispiel Rohrendflächen, nicht als Oberflächenkonturen im Sinne dieser Erfindung angesehen werden, die ausschließlich von einem der Laser gefertigt werden müssen, um eine Oberflächenrauhigkeit durch Kalibrierfehler oder

Drifts zwischen den Laserstrahlen zu vermindern. In diesem Fall wird die Belichtung der rechtwinklig zum Pulverbett ausgerichteten Oberflächenkonturen 9a und die Belichtung des innenliegenden, parallel zum Pulverbett ausgerichteten Bereichs 9b des Bauteils 2, insbesondere wenn diese durch verschiede- ne Laserstrahlen ausgeführt werden, bevorzugt miteinander überlappend ausgeführt und zwar mindestens in der Größenordnung der Kalibrierfehler oder Drifts zwischen den beteiligten Laserstrahlen. Es ist jedoch optional möglich, alle rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zum Pulverbett 5 ausgerichteten Oberflächenkonturen 9a und alle übrigen, also nicht rechtwinklig oder nicht nahezu rechtwinklig zum Pulverbett ausgerichteten Oberflächenkonturen 9b des in dem Pulverbettbereich 8 herzustellenden Bauteils 2 ausschließlich von einem der Laserstrahlen 3a, 3b zu fertigen. In diesem Falle kann auf einfachere Art und Weise eine bessere Oberflächenqualität auch bei Flächen, die im Wesentlichen parallel zum Pulverbett ausgerichtet sind, erreicht werden. Statt der in Fig. 1 gezeigten zwei Laserstrahlen 3a, 3b kann die Maschine 1 auch drei oder mehr Laserstrahlen aufweisen, die einen gleichen Pulverbettbereich ab- scannen. In Fig. 3 ist eine Maschine 1 mit drei Scannern 7a, 7b, 7c zum zweidi- mensionalen Ablenken von drei Laserstrahlen gezeigt, wobei die drei Scanner 7a- 7c an den Eckpunkten eines regelmäßigen Dreiecks oberhalb der Mitte des Pulverbetts 5 angeordnet sind.