Durchführung eines derartigen Verfahrens"

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur, insbesondere Pulverbett-basierten, additiven Fertigung von mindestens einem Bauteil, eine, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigte plattenförmige Stützstruktur und ein, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigtes plattenförmiges Element einer Stützstruktur, eine, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigte stabförmige Stützstruktur und ein, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigtes stabförmiges Element einer Stützstruktur, ein, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigtes Bauteil mit einer Stützstruktur oder einem Element einer Stützstruktur und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur automatisierten Auslegung von bauteilspezifischen Stützstrukturen für ein additiv gefertigtes Bauteil.

Stützstrukturen werden eingesetzt, um eine thermische und mechanische Stabilität des Aufbauprozesses vor allem bei der Herstellung von sogenannten„Down-Faces" (wie z. B. Überhänge) zu gewährleisten.

Eine wichtige Aufgabe einer Stützstruktur ist das Ableiten der Prozesswärme von der Bauteiloberfläche, um Wärmestaus zu vermeiden. Ein Wärmestau an einer aufgebauten Oberfläche kann zu folgenden unerwünschten Effekten, die die Bauteilqualität signifikant verschlechtern können, führen:

- Anhaftung von Pulver an der Bauteiloberfläche durch Sintereffekte

- Instabilitäten im Schmelzbad und daraus resultierende Defekte

BESTÄTIGUNGSKOPIE - vermehrte Bildung von Spritzern.

Da die Wärmeleitfähigkeit von Pulvern um Größenordnungen kleiner ist als die des konsolidierten Materials, erfolgt der Wärmetransport im Prozess fast ausschließlich über bereits verfestigte Bereiche, d. h. über das Bauteil selbst und vor allem über die Stützstellen.

Eine weitere wichtige Funktion einer Stützstruktur besteht in einer Gewährleistung der mechanischen Prozessstabilität. Nach dem Aufschmelzen des Pulvers erstarrt das konsolidierte Material. Beim weiteren Abkühlen zieht sich der Werkstoff entsprechend seiner thermischen Dehnung weiter zusammen und übt somit Druck auf die unteren Schichten des Bauteils aus. Die Spannungen, die dabei entstehen, führen zu Verformungen im Bauteil bereits während des Aufbauprozesses. Im Bereich von bspw. Überhängen müssen die Bauteile daher mit einer Stützstruktur versehen werden, um diesen Spannungen entgegenzuwirken. Andernfalls würden die entstehenden Spannungen dazu führen, dass das Bauteil sich aus dem Pulverbett hebt. Beim Auftragen der nächsten Pulverschicht würde dann der Pulverschieber (z. B. Rakel oder Walze) mit dem Bauteil kollidieren, was in der Regel zum Prozessabbruch führt.

Eine Stützstruktur stellt lediglich ein Hilfsmittel dar, um die Fertigung zu ermöglichen. Sie muss nach Prozessende wieder entfernt werden. Es wird daher angestrebt, die Masse der Stützstruktur auf ein Minimum zu reduzieren. Damit werden geringere Auf bauzeiten, ein geringerer Nachbearbeitungsaufwand bzw. geringere Nachbearbeitungszeiten und ein geringerer Materialeinsatz erreicht.

Nach dem heutigen Stand der Technik werden die Stützstrukturen rein geometrisch auf Basis von empirischen Erfahrungen ausgelegt und normalerweise überdimensioniert, um die oben beschriebenen Funktionen gewährleisten zu können.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Stützstruktur optimaler auszulegen, so dass die Basisfunktionen einer Stützstruktur wie der Wärmetransport von gestützten Oberflächen von Bauteilen sowie die mechanische Prozessstabilität effizienter erfüllt werden. Erfindungsgemäß wird dies gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils aus mehreren Bauteilschichten durch mehrfaches inkrementelles, insbesondere schichtweises, Hinzufügen von pulverdraht- oder bandförmigem, insbesondere metallischem, Bauteilausgangsmaterial und insbesondere inkrementelles formgebendes Konsolidieren durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern des Bauteilausgangsmaterials mittels mindestens einer Energiequelle, wobei zusammen mit dem mindestens einen Bauteil eine Stützstruktur additiv hergestellt wird, die das mindestens eine Bauteil an einer oder mehreren Stützstellen bzw. Stützflächen stützt, und wobei die Stützstruktur auf Basis von, insbesondere simulationsbasiert, ermittelten Werten eines physikalischen, insbesondere eines thermischen, Feldes oder einer Funktion davon an der Oberfläche und/oder im Inneren des Bauteils ausgelegt wird.

Im Gegensatz zu einer empirischen, rein geometrischen Auslegung einer Stützstruktur, beruht die vorliegende Erfindung auf einer wissensbasierten Auslegung einer Stützstruktur ausgehend von einem bestimmten physikalischen Feld, i.e. quantitativer Verteilung einer bestimmten physikalischen Größe im Bauteil. Zu den betrachteten physikalischen Größen gehören vor allem„thermische" Größen, wie z.B. Temperatur, Abkühlgeschwindigkeit oder Wärmeableitungsfähigkeit, sowie„mechanische" Größen, wie z.B. Spannung, Dehnung oder Verschiebung.

Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch eine additiv gefertigte plattenförmige Stützstruktur oder ein additiv gefertigtes plattenförmiges Element einer Stützstruktur, wobei ihre/seine Dicke an einer Verbindungstelle zwischen der Stützstruktur oder dem Element und der gestützten Oberfläche des Bauteils mindestens in einem Teilbereich der Stützstruktur bzw. des Elementes variabel ist.

Außerdem wird diese Aufgabe gelöst durch eine additiv gefertigte stabförmige Stützstruktur oder ein additiv gefertigtes stabförmiges Element einer Stützstruktur, wobei die Fläche der Stützstruktur oder des Elements im Schnitt quer zur Aufbaurichtung mindestens in einem Teilbereich der Stützstruktur bzw. des Elementes in Richtung gegen die Aufbaurichtung abnimmt. Zudem wird diese Aufgabe gelöst durch eine Anlage zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis i8, umfassend ein Bauraumgehäuse mit einer Bauplattform zur Abstützung eines oder mehrerer Pulverbett-basiert additiv zu fertigenden Bauteils/Bauteile, eine Schichtenpräparierungseinrichtung zur Präparierung jeweiliger Pulverschichten auf der Bauplattform, eine Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung der jeweils zuletzt präparierten Pulverschicht auf der Bauplattform nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des oder der zu fertigenden Bauteils/Bauteile nach Anspruch 23 und/oder einer zugehörigen Stützstruktur nach einem der Ansprüche 19 bis 22 und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Bestrahlungseinrichtung nach Maßgabe der Geometriebeschreibungsdaten.

Im Übrigen liefert die vorliegende Erfindung ein oder mehrere computerlesbare(s) Medium/Medien, das/die durch Computer ausführbare Befehle umfasst/umfassen, die, wenn sie durch einen Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 durchzuführen und/oder die Stützstruktur oder das Element einer Stützstruktur nach einem der Ansprüche 19 bis 22 auszulegen.

Die Stützstruktur kann ein- oder mehrteilig sein. Sie kann aus einem oder mehreren Elementen bestehen.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens wird die Stützstruktur auf Basis einer, insbesondere simulationsbasiert, ermittelten lokalen Wärmeableitungsfähigkeit oder anhand einer Funktion derselben ausgelegt.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Stützstelle(n) bzw. Stützfläche(n) anhand eines Vergleichs der simulationsbasiert ermittelten Werte des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, an der Oberfläche des Bauteils mit einem vorab festlegbaren Grenzwert des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, definiert wird/werden.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Stützstellen bzw. Stützflächen als Bereiche definiert werden, in denen die lokale Wärmeableitungsfähigkeit niedriger als ein vordefinierbarer Grenzwert ist. Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mindestens ein Element der Stützstruktur so ausgelegt, dass die Linie seines Kontaktes mit der Oberfläche des Bauteils senkrecht mit einer Abweichung von maximal ± 45 Grad zu den Isolinien des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, auf der Oberfläche verläuft. Die Orientierung des Elements/ der Elemente der Stützstruktur senkrecht zu den Isolinien eines physikalischen Feldes bedeutet automatisch die Orientierung in Richtung des Gradienten (i.e. in Richtung der maximalen Steigung der physikalischen Größe) dieses Feldes. Damit werden über den kürzesten Weg die Bereiche mit den unterschiedlichen Werten einer bestimmten physikalischen Größe überspannt. Z.B. im Fall einer Wärmeableitungsfähigkeit bedeutet dies einen sehr effizienten Wärmeabtransport aus den überhitzten Bauteilbereichen in die Bauteilbereiche, welche die Wärme besser abführen können.

Alternativ wird mindestens ein Element der Stützstruktur so ausgelegt, dass die Linie seines Kontaktes mit der Oberfläche des Bauteils entlang den Isolinien des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, auf dieser Oberfläche mit einer Abweichung von maximal ± 45 Grad verläuft. Die Orientierung der Elemente der Stützstruktur entlang den Isolinien eines physikalischen Feldes führt zu einer Stabilisierung dieser Elemente. Damit werden die Bereiche mit den gleichen Werten einer bestimmten physikalischen Größe überspannt. Z.B. im Fall einer mechanischen Dehnung bedeutet dies die gleichbleibende mechanische Belastung (Dehnung) des Elementes der Stützstruktur entlang seiner Kontaktfläche mit dem Bauteil.

Vorteilhaft ist auch eine Kombination mindestens eines Elements, das senkrecht zu den Isolinien eines physikalischen Feldes orientiert ist, und mindestens eines Elements, das entlang den Isolinien desselben oder eines anderen physikalischen Feldes orientiert ist. Senkrecht zu den Isolinien orientierte Elemente führen zu einem effizienten Ausgleich (Stabilisierung) des physikalischen Feldes durch Überspannung der Bereiche mit unterschiedlichen Werten der physikalischen Größer über den möglichst kürzesten Weg. Entlang zu den Isolinien orientierte Elemente verbinden über den kürzesten Weg die senkrechten Elemente und dienen damit zur Stabilisierung der gesamten Stützstruktur.

Vorteilhafterweise wird der räumliche Abstand oder die räumliche Dichte der Stützstellen bzw. Stützflächen auf der Oberfläche des Bauteils als Funktion des lokalen Wertes des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, berechnet.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass sich der räumliche Abstand zwischen den Stützstellen bzw. Stützflächen auf der Oberfläche des Bauteils bei einem abnehmenden Wert des physikalischen Wertes, insbesondere bei einer abnehmenden lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, verringert oder sich die räumliche Dichte der Stützstellen bzw. Stützflächen erhöht.

Vorteilhafterweise verringert sich der räumliche Abstand zwischen den Stützstellen bzw. Stützflächen auf der Oberfläche des Bauteils bei einem zunehmenden Wert des physikalischen Wertes, insbesondere bei einer zunehmenden lokalen mechanischen Verschiebung auf der Oberfläche oder sich die räumliche Dichte der Stützstellen erhöht.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mindestens ein geometrischer Parameter der Stützstelle bzw. Stützfläche, insbesondere deren Breite, zwischen einem Element der Stützstruktur und der gestützten Oberfläche des Bauteils als Funktion des lokalen Wertes des physikalischen Wertes, insbesondere des Feldes der Wärmeableitungsfähigkeit, berechnet.

In einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden mindestens zwei nicht benachbarte lokale Stellen bzw. Flächen auf der Oberfläche des Bauteils, die ungleiche Werte eines physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit aufweisen, durch die Stützstruktur oder ein Element derselben miteinander verbunden.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass eine lokale Stelle bzw. Fläche auf einer Oberfläche eines Bauteils mit einem minimalen Wert eines physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, mit einer anderen lokalen Stelle bzw. Fläche auf der Oberfläche des Bauteils, insbesondere mit einem maximalen Wert des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, durch die Stützstruktur oder ein Element derselben verbunden wird. Weiterhin ist denkbar, dass mindestens eine lokale Stelle bzw. Fläche auf einer Oberfläche eines Bauteils und eine lokale Stelle bzw. Fläche auf einer Oberfläche eines anderen Bauteils, welche ungleiche Werte eines physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit aufweisen, durch die Stützstruktur oder ein Element derselben miteinander verbunden werden.

Außerdem oder alternativ kann vorgesehen sein, dass mindestens eine lokale Stelle bzw. Fläche auf einer Oberfläche eines Bauteils, welche einen niedrigeren Wert des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, aufweist als eine lokale Stelle auf der Oberfläche einer Bauplatte, mit der Stelle bzw. Fläche auf der Bauplatte durch die Stützstruktur oder ein Element derselben verbunden wird.

Vorteilhafterweise wird die lokale Wärmeableitungsfähigkeit anhand einer zeitlichen Ableitung der lokalen Temperatur oder anhand einer Funktion derselben, insbesondere als Zeitintegral des negativen Produktes der zeitlichen Ableitung der lokalen Temperatur, der Wärmekapazität des Bauteilausgangsmaterials und der Dichte des Bauteilausgangsmaterials in einem bestimmten Zeitintervall, berechnet.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zur Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeiten eine numerische Simulation der Temperaturverteilung im ganzen Bauteil ausgehend von einer anfänglichen Temperaturverteilung durchgeführt.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass für die Simulation die anfängliche Temperatur als in Aufbaurichtung steigend angenommen wird.

Zudem kann dabei vorgesehen sein, dass für die Simulation die anfängliche Temperatur quer zur Auf baurichtung als konstant angenommen wird.

In einer besonderen Ausführungsform der Stützstruktur oder des Elements nach Anspruch 19 verläuft ihre/seine Mittellinie im Schnitt quer zur Aufbaurichtung mindestens in einem Teilbereich der Stützstruktur bzw. des Elementes nicht geradlinig. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass ihre/seine Dicke in Richtung entgegen der Aufbaurichtung mindestens in einem Teilbereich der Stützstruktur oder des Elementes abnimmt.

Vorteilhafterweise weist die Stützstruktur oder das Element im Bereich zwischen den von ihr/ihm verbundenen Flächen mindestens eine Sollbruchstelle auf.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass eine Sollbruchstelle einen vordefinierten, insbesondere einen konstanten, Abstand zu der, von der Stützstruktur oder dem Element gestützten Oberfläche des Bauteils aufweist.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen der Sollbruchstelle und der Oberfläche des Bauteils anhand eines Wertes des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, bestimmt ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch eine geeignete, vorzugsweise automatisierte, Auslegung von bauteilspezifischen Stützstrukturen die Wärme von den gestützten Oberflächen der Bauteile effizienter abtransportiert werden kann und dies zumindest in einer besonderen Ausführungsform sogar mit einer Materialersparnis bei den Stützstrukturen im Vergleich mit konventionellen Stützstrukturen gelingt. Zumindest in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird darüber hinaus die Kontaktfläche zwischen der Stützstruktur bzw. den Elementen der Stützstruktur und dem Bauteil so ausgelegt, dass die Stützstruktur bzw. die Elemente den Verzug des Bauteils während des Aufbauprozesses effizienter verhindert/verhindern und damit eine bessere Prozessstabilität gewährleistet/gewährleisten. Zudem wird zumindest in einer besonderen Ausführungsform durch die geringere Masse bzw. Gesamtmasse der Stützstruktur die gesamte Aufbauzeit reduziert und teures Material eingespart.

Das Verfahren kann bei allen additiven Verfahren eingesetzt werden, bei denen Stützstrukturen eingesetzt werden. Ein sehr relevantes Anwendungsgebiet stellen vor allem strahlbasierte additive Verfahren dar, wie z. B. Verfahren zum selektiven Laserschmelzen und das Verfahren zum selektiven Elektronenstrahlschmelzen.

Als weitere Anwendungsgebiete können zudem additive Herstellungsverfahren betrachtet werden, bei denen auch andere Energiequellen (zum Beispiel Lichtbogen oder Plasma) und/oder andere Materialauftragsverfahren (zum Beispiel Pulver- oder Drahtauftragsschweißen bei additiver Fertigung metallischer Werkstoffe oder Fused Deposition Modelling-Technologien zur Generierung von Kunststoffbauteilen) verwendet werden.

Die Erfindung ist für alle Materialien und Materialklassen (Metalle, Kunststoffe, Keramiken), welche in der additiven Fertigung verwendet werden, anwendbar.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen erläutert werden. Dabei zeigt:

Fig. l eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Definition der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit;

Fig.2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Begriffen;

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Auslegung einer Stützstruktur gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Auslegung einer Stützstruktur in einem Hohlraum eines Bauteils gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Auslegung einer Stützstruktur mit Elementen variabler Dicke gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; eine schematische Darstellung zur Auslegung einer Stützstruktur mit Elementen variabler Dicke gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; eine schematische Darstellung zur Auslegung einer Stützstruktur mit Elementen variabler Dicke gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 zwei Beispiele (a und b) für plattenförmige Stützstrukturen bzw. plattenförmige Elemente einer Stützstruktur gemäß besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 9 zwei Beispiele (a und b) für Stützstrukturen aus stabförmigen Elementen gemäß besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Nachfolgend werden besondere Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen die Auslegung der Stützstrukturen anhand der berechneten Verteilung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit erfolgt. Die Verteilung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit kann durch eine thermische Berechnung für ein bestimmtes Bauteil numerisch ermittelt werden. Deshalb folgen hiernach zunächst einmal Ausführungen zur Wärmeableitungsfähigkeit als Quantifizierungswert.

Die Auslegung der Trajektorien und der Reihenfolgen des Wärmeeintrags erfolgen auf Basis der simulationsbasierten Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit in einer Bauteilschicht. Die lokale Wärmeableitungsfähigkeit charakterisiert die Fähigkeit eines bestimmten Bauteilbereichs, die Wärme in das Innere des Bauteils abzutransportieren. Generell wird die Wärmeableitungsfähigkeit D („Dissipation") der Bauteilschicht als Integral des Wärmeflusses q über die Oberfläche s definiert (Figur l): Die lokale Wärmeableitungsfähigkeit kann aufgrund der Wärmeleitungsgleichung berechnet werden:

Q ist die Leistung der Wärmequelle im Volumen V, c ist die Wärmekapazität, p ist die Dichte, t ist die Zeit.

In einem bestimmten Punkt P des Bauteils (V^o) wird dann die lokale Wärmeableitungsfähigkeit D ^loc wie folgt definiert:

D ^i0C = dw(q) = Q - cp—

Die lokale Wärmeableitungsfähigkeit hängt nicht nur von den Werkstoffeigenschaften (Wärmeleitung, Wärmekapazität, Dichte) und vom Wärmeeintrag ab. Sie wird auch von den Randbedingungen, wie z. B. die lokale Bauteilgeometrie, stark beeinflusst.

Wie die obigen Ausführungen zeigen, bestehen somit zumindest zwei mögliche

unabhängige Wege zur Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit eines Punktes einer Bauteilschicht darin,

div(q) = div(—Ägrad(T)) oder

zur Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit zu verwenden, wobei in beiden Fällen auch noch die lokale Bauteilgeometrie zu berücksichtigen ist.

Für die Zeiten einer reinen Abkühlung eines Punktes der Bauteilschicht, d.h. für die Zeiten, in denen die Wärmequelle in dem betrachteten Punkt nicht mehr wirkt (Leistung der Wärmequelle Q = o) ergibt der zweite aus den oben genannten Berechnungswegen eine noch einfachere Form der Darstellung:

Diese Darstellung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit ermöglicht eine einfache

Ermittlung der Fähigkeit eines bestimmten Punktes zur Dissipation der Wärme in einem bestimmten Zeitpunkt. Je höher die Abkühlgeschwindigkeit in dem betrachteten Punkt in einem bestimmten Zeitpunkt ist, desto höher ist die lokale Wärmeableitungsfähigkeit.

Generell ändert sich die Temperaturverteilung und die Abkühlgeschwindigkeit im Bauteil und dementsprechend die lokale Wärmeableitungsfähigkeit mit der Zeit. Daher ist es sinnvoll, die lokale Wärmeableitungsfähigkeit über eine bestimmte Zeit zu integrieren und den resultierenden Wert für die Charakterisierung der Wärmedissipation in einem bestimmten Punkt zu verwenden. Unter Annahme der Abwesenheit einer Wärmequelle ergibt sich ein folgender Wert:

AH ist die Änderung der Enthalpie im Zeitintervall vom o bis τ.

Unter Annahme der temperaturunabhängigen Materialeigenschaften kann die lokale Wärmeleitungsfähigkeit durch die Änderung der Temperatur charakterisiert werden:

D[° _t ^c = -AH = -cpAT

Die beiden Darstellungen der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit können im Rahmen Berechnung des Temperaturfeldes (thermische Berechnung) leicht ermittelt werden. Indirekte physikalische Interpretation des Wertes der lokalen Wärmeableitungsfahigkeit

Die Wärme in einem additiven Prozess wird normalerweise hauptsächlich nach unten, von einer generierten Bauteilschicht in das Innere des Bauteils, abtransportiert. Dabei deutet der Wert einer lokalen Wärmeableitungsfahigkeit indirekt auf die Menge der unter dem bestimmten Punkt der Bauteilschicht befindlichen Masse des „kalten" konsolidierten Materials. Je mehr„kalte" Materialmasse sich unter einem bestimmten Punkt einer Bauteilschicht befindet, desto höher ist der Wert einer lokalen Wärmeableitungsfahigkeit.

Berechnungsmethode zur Ermittlung von lokaler Wärmeableitungsfahigkeit

Die thermischen Simulationen zur Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfahigkeit können mit allen numerischen Methoden für die Lösung der partiellen Wärmeleitungsgleichung durchgeführt werden, wie z. B. die Methode der Finiten Elemente oder die Methode der finiten Differenzen.

In einer vereinfachten Ausführung der numerischen Simulation kann die Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit schneller erfolgen. Dafür wird als Anfangsbedingung eine künstliche Temperaturverteilung, mit der in Aufbaurichtung aufsteigenden Temperatur und einem konstanten Temperaturgradienten, verwendet. Eine solche Anfangsbedingung imitiert die Temperaturverteilung im realen Aufbauprozess. Der Wärmefluss am Anfang der Berechnung erfolgt ausschließlich nach unten (in Z- Richtung).

Eine solche vereinfachte Simulation wird zur drastischen Reduzierung der erforderlichen Rechenzeiten führen. Für die Bestimmung der o. g. Temperaturverteilung können u.a. vereinfachte Lösungen (wie z.B. 1- oder 2-dimensionale Berechnungen des Aufbauprozesses) eingesetzt werden.

Figur 2 dient zur Erläuterung bzw. Definition einer zu stützenden Oberfläche eines Bauteils. Ein Bauteil 1 weist einen Hohlraum (bzw. eine Öffnung) 2 auf. Der Hohlraum 2 weist eine Oberfläche 3 auf. In der Figur 2 sind auch berechnete Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfahigkeit D _in l° ^c eingezeichnet. Durch Vergleich der berechneten Werte der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit an der Oberfläche 3 mit einem vorgebbaren Grenzwert kann ermittelt werden, welche Stelle(n) oder Fläche(n) der Oberfläche 3 abgestützt werden sollen. Wäre zum Beispiel der Grenzwert gleich Null, dann sollte im vorliegenden Beispiel die mit der Bezugszahl 4 gekennzeichnete Fläche im oberen Bereich des Hohlraumes 2 gestützt werden.

Eine sehr vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf der Auslegung von Kontaktlinien 7 zwischen den einzelnen Elementen einer Stützstruktur und eines zu stützenden Bereiches 40 der unteren Oberfläche 11 eines Bauteils senkrecht zu Isolinien 8 der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit auf der in diesem Beispiel unteren Oberfläche 11 (siehe Figur 3).

Die Orientierung der Elemente der Stützstruktur senkrecht zu den Isolinien 8 der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit bedeutet automatisch die Orientierung in Richtung des Gradienten der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit. Durch eine solche Orientierung der Elemente der Stützstruktur werden die Bereiche mit einer höheren und mit einer niedrigeren Wärmeableitungsfähigkeit über den kürzesten Weg überspannt. Dies bedeutet einen sehr effizienten Wärmeabtransport aus den erhitzten Bauteilbereichen in die Bauteilbereiche, welche die Wärme besser abführen können.

Darüber hinaus wird die an den Gradienten der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit angepasste Orientierung der Elemente der Stützstruktur einen weiteren, sehr positiven mechanischen Effekt hervorrufen. Im Aufbauprozess auftretende Spannungen werden vor allem durch die thermisch-bedingte Wärmekontraktion (Schrumpfung des Materials während der Abkühlung) verursacht. Im Allgemeinen sind diese Spannungen ein Resultat eines lokalen Unterschieds der Wärmekontraktionen in zwei benachbarten Bereichen. Die Spannungen sind umso höher, je größer eine lokale Differenz der Wärmekontraktion zwischen den benachbarten Bauteilbereichen ist. Dabei ist die Wärmekontraktion in jedem Bereich linear von der lokalen Änderung der Temperatur abhängig. Eine ähnliche lineare Abhängigkeit von der Temperaturänderung zeigt auch die lokale Wärmeableitungsfähigkeit (siehe oben). Die Stützstellen mit der oben beschriebenen Orientierung werden somit senkrecht zu den Isolinien der Wärmekontraktion orientiert. Ist die kürzeste Überbrückung der Bereiche mit einer niedrigeren Wärmekontraktion mit den Bereichen einer höheren Wärmekontraktion, werden die dabei auftretenden Spannungen besser ausgeglichen. Daher ist zu erwarten, dass die senkrecht zu den Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit orientierten Elemente der Stützstruktur einen besseren mechanischen Widerstand gegen die im Prozess auftretenden Spannungen und Verzug leisten werden. Damit wird die mechanische Prozessstabilität automatisch erhöht.

Eine besonders einfache Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine Stützstruktur die Bauteilbereiche mit einer niedrigeren Wärmeableitungsfähigkeit mit den Bereichen einer höheren Wärmeableitungsfähigkeit verbindet (siehe Figur 4 (insbesondere (b)). Somit erfolgt ein effektiver Abtransport der Wärme von den überhitzten Bereichen.

Sowohl vorangehend als auch nachfolgend soll unter dem Begriff„Bauteil" nicht nur ein Bauteil im herkömmlichen Sinne, sondern auch das gesamte Konstrukt aus mehreren Bauteilen inklusive Bauplatte in einer Aufbaucharge eines 3D-Druckers (der sogenannte „Baujob") gemeint sein. In allen Figuren wird als„z" die Aufbaurichtung dargestellt.

Die automatisierte Auslegung der Stützstruktur 5 bzw. eines Elements derselben kann so erfolgen:

Es werden die zu stützende Oberfläche 16 des Bauteils 1 (eine Oberfläche mit einer niedrigen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit), eine Basisoberfläche 17 (eine Oberfläche mit einer hohen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit) der Oberfläche 3 eines Hohlraums (bzw. einer Öffnung) 2 im Bauteil 1 und ein Überbrückungsraum zwischen diesen beiden Oberflächen 16 und 17 definiert (siehe Figur 4(a)); und eine Stützstruktur 5 bzw. ein Element der Stützstruktur verbindet die Stelle mit der niedrigen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit (der zu stützenden Oberfläche 16) des Bauteils 1 mit der Stelle der hohen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit auf der Basisoberfläche 17.

Wenn die Stützstruktur mehrere derartige Elemente umfassen soll, so würde das Verfahren in der Form fortgesetzt werden, dass ein nächstes Element eine Stelle mit einer niedrigen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit auf der verbliebenen zu stützenden Oberfläche 16 mit einer Stelle einer hohen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit auf der verbliebenen Basisfläche 17 verbindet, wobei darauf geachtet wird, dass sich dieses Element mit dem bereits ausgelegten Element im Überbrückungsraum nicht überkreuzt. Dieser Prozess wiederholt sich, bis die gesamte zu stützende Oberfläche 16 des Bauteils 1 mit einer vorab definierbaren räumlichen Dichte bzw. mit einem vorab definierbaren räumlichen Abstand der Stützstellen abgedeckt worden ist.

Die Figuren 5, 6 und 7 dienen zur beispielhaften Darstellung der Auslegung einer Stützstruktur zwischen einem Bauteil 31 und einer Bauplatte 30, wobei die Stützstruktur mehrere Elemente 5 mit variabler Dicke aufweist. Die Figuren 5(a), 6(a) bzw. 7(a) und 5(b), 6(b) bzw. 7(b) zeigen jeweilige unterschiedliche Seitenansichten. In den Figuren sind auch ein Bereich 36 mit einer niedrigen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit im Bauteil 31 und ein Bereich 37 mit einer hohen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit in der Bauplatte 30 dargestellt. Die Kontaktlinien der Elemente 5 mit dem Bauteil 31 verlaufen quer zu Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit 38. Die Dicke der Elemente 5 an der Kontaktfläche 51 verringert sich mit der entlang der Oberfläche des Bauteils 31 abnehmenden Wärmeableitungsfähigkeit und mit der Bezugszahl 52 ist eine Seitenfläche eines jeweiligen Elements 5 gekennzeichnet. Die Fig. 7 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Elemente 5 der Stützstruktur. Diese Elemente kontaktieren nur die Bauteiloberfläche und haben keinen Kontakt mit der Bauplatte. Bei Gewährleistung der notwendigen Wärmeableitungsfähigkeit ermöglicht diese Ausführungsform eine starke Einsparung der gesamten Masse der Stützstruktur. Im mechanischen Sinne stellen sie eine Versteifung des Bauteils 31 dar und tragen damit automatisch zur Erhöhung der mechanischen Prozessstabilität bei.

Die Figur 8 zeigt Beispiele für plattenförmige bzw. plattenartige Stützstrukturen bzw. Elemente 5 von Stützstrukturen. In der Figur 8(a) verläuft die Stützstruktur bzw. das Element 5 geradlinig, während die Stützstruktur bzw. das Element 5 in der Figur 8(b) bogenförmig bzw. wellenförmig verläuft. Mit den Bezugszahlen 52 und 53 sind Seitenflächen der Stützstruktur bzw. des Elements 5 gekennzeichnet. Die Bezugszahlen 50 und 51 geben Kontaktflächen zwischen der Stützstruktur bzw. dem Element 5 und einem Bauteil (nicht gezeigt) an. Die Dicke der Kontaktfläche 51 variiert in Abhängigkeit von der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit. Die Mittellinie 57 der Kontaktfläche 51 richtet sich nach den Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit. Schließlich zeigt die Figur 9 Beispiele für Stützstrukturen aus stabförmigen Elementen 65. In der Figur 9(a) verläuft die Stützstruktur aus Elementen 65 geradlinig, während die Stützstruktur in der Figur 9(b) bogenförmig bzw. wellenförmig verläuft. Die Bezugszahlen 60 und 61 geben Kontaktflächen zwischen den Elementen 65 und einem Bauteil (nicht gezeigt) an. Die Kontaktfläche 61 variiert in Abhängigkeit von der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit. Die Mittellinie 67 der Kontaktfläche 61 richtet sich nach den Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit.

Die Prozesswärme wird nicht nur über die Elemente der Stützstruktur, sondern auch über das an diese Elemente angrenzende Pulver (nicht gezeigt) abtransportiert. Die Hilfswirkung von Pulver in der gesamten Wärmedissipation wird durch die Abnahme des Querschnitts der Stützelemente 5 (Fig. 8) und 65 (Fig. 9) in Richtung gegen die Aufbaurichtung widergespiegelt. Dadurch wird an Masse der gesamten Stützstruktur gespart.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in den beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen

Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste Bauteil

Hohlraum

Oberfläche

abzustützende Fläche

Stützstruktur/Element(e)

Kontaktlinien

Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit

untere Oberfläche

zu stützende Oberfläche

Basisoberfläche

Bauplatte

Bauteil

Bereich mit einer niedrigen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit Bereich mit einer hohen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit Bauplatte

Bauteil

zu stützender Bereich

Kontaktfläche

Kontaktfläche

Seitenflächen

Seitenflächen