Techni sches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche mit energetischer Strahlung, insbesondere zum selektiven Laserschmelzen, bei dem wenigstens ein energetischer Strahl entlang mehrerer in einem Abstand nebeneinander verlaufender Scanvektoren über einem oder mehrere Bereiche der

Oberfläche geführt wird.

Mit derartigen Bearbeitungsverfahren können

Oberflächenschichten aufgeschmolzen oder auch

abgetragen werden. Bei generativen Fertigungsverfahren, insbesondere pulverbettbasierten Strahlschmelzverfahren wie z.B. dem selektiven Laserschmelzen (SLM) werden Bauteile generativ direkt aus 3D-CAD-Modellen

gefertigt. Durch einen sich wiederholenden Prozess aus schichtweisem Aufträgen einer dünnen Pulverschicht mit einer Dicke von bspw. weniger als IOOmpi und

anschließendem selektiven Aufschmelzen bestimmter

Bereiche dieser Pulverschicht durch Laserstrahlung, entsprechend der Geometrieinformationen des 3D-CAD- Modells, entstehen dreidimensionale Bauteile von nahezu unbegrenzter Komplexität. Als Grundlage pulverbett basierter Strahlschmelzverfahren dient eine Substrat platte, auf der die Pulverschichten nacheinander aufgebracht werden. Die Laserstrahlung wird dann beispielsweise mit Hilfe von Galvanometerscannern über die Substratplatte bzw. das Baufeld geführt. Während des Bauprozesses werden in jeder Schicht bestimmte Bereiche des Pulverbetts mittels des

Laserstrahls umgeschmolzen. Die umzuschmelzenden

Bereiche werden dabei, in Abhängigkeit der verwendeten Prozessführungsstrategie, wiederum in untergeordnete Bereiche eingeteilt. Bei diesen untergeordneten

Bereichen kann es sich beispielsweise um Streifen oder Felder handeln. Figur 1 zeigt exemplarisch einen beispielhaften Bauteilquerschnitt einer beliebigen Schicht eines derartigen Fertigungsprozesses mit entsprechender Einteilung in Streifen 2. Die

durchgezogene Linie stellt die Bauteilkontur 1 des herzustellenden Bauteils dar. Die Breite der einzelnen Streifen 2 ist dabei fest definiert. Jeder dieser

Streifen 2 wird mit einzelnen, parallel zueinander verlaufenden Scanvektoren 3 gefüllt. Diese Scanvektoren 3 stellen den Pfad dar, auf dem der Laserstrahl zum Aufschmelzen bzw. Belichten der Schicht entlanggeführt wird. Figur 2 zeigt exemplarisch einen Streifen 2 des Bauteilquerschnitts aus Figur 1 mit den zugehörigen Scanvektoren 3. Während des Belichtungsvorgangs werden die Scanvektoren 3 eines Streifens 2 nacheinander abgefahren. Daraufhin springt der Laserstrahl zum

Beginn des nächsten Streifens und scannt die Vektoren dieses Streifens bis alle Streifen der jeweiligen

Schicht gescannt worden sind. Bei alternativen Prozess führungsstrategien kann der zu belichtende Bereich jeder Schicht anstelle von Streifen auch in

beispielsweise quadratische Felder, ähnlich eines

Schachbretts, eingeteilt werden. Die einzelnen Felder werden dann ihrerseits identisch zur Streifenbelichtung ebenfalls mit zueinander parallelen Scanvektoren gefüllt. Auch andere Muster zur Aufteilung der zu belichtenden Bereiche einer Schicht sind möglich. Im Folgenden wird exemplarisch die streifenförmige

Belichtung betrachtet. Eine wesentliche Eigenschaft konventioneller

Prozessführungsstrategien für Strahlschmelzverfahren besteht darin, einen konstanten Abstand zwischen den innerhalb des Streifens liegenden Scanvektoren zu definieren. Dieser Abstand wird auch als Spurabstand oder Hatchabstand bezeichnet. Der Betrag des

Spurabstands ist typischerweise für alle Vektoren innerhalb der Streifen eines Bauteils konstant. Die Prozessparameter im Allgemeinen bzw. der Spurabstand im Besonderen werden bei einem derartigen Prozess

typischerweise vor Durchführung des Prozesses an würfelförmigen Probekörpern mit einer konstanten

Scanvektorlänge ermittelt, wobei die Scanvektorlänge der Streifenbreite entspricht.

Stand der Technik

Aus der DE 196 06 128 Al ist ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes bekannt, bei dem das Objekt durch aufeinanderfolgendes

Verfestigen einzelner Schichten eines verfestigbaren Materials an den dem Objektquerschnitt entsprechenden Stellen durch Einwirkung eines Strahls elektro

magnetischer Strahlung erzeugt wird. Bei diesem

Verfahren wird die Scangeschwindigkeit, mit der der Strahl über die jeweilige Schicht geführt wird, in

Abhängigkeit von der Scanvektorlänge angepasst. Einem kurzen Scanvektor wird dabei eine höhere Geschwindig keit zugeordnet als einem langen Scanvektor. Durch diese Vorgehensweise soll während der Herstellung eine Angleichung der Temperaturverteilung innerhalb des Bauteils erreicht werden, die zu einer homogenen

Dichteverteilung innerhalb der jeweils verfestigten Schicht führt. Diese Strategie ist insbesondere für Bauteile aus Kunststoff relevant, um beispielsweise Überhitzungseffekten vorzubeugen .

Ein grundsätzliches Problem bei derartigen

generativen Fertigungsverfahren besteht in der für die Fertigung eines Bauteils benötigten Bauzeit. Eine

Verkürzung der Bauzeit durch Wahl größerer Schicht dicken oder Strahldurchmesser führt zu einem uner wünschten Verlust an Genauigkeit bzw. Auflösung, wie sie insbesondere bei komplexeren Bauteilen erforderlich ist. Eine ähnliche Problematik besteht auch bei anderen Verfahren der Oberflächenbearbeitung mit energetischer Strahlung, bei der der energetische Strahl entlang entsprechender Scanvektoren über einen oder mehrere Bereiche der Oberfläche geführt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche mit energetischer Strahlung anzugeben, das eine Steigerung der Bearbeitungs- oder Baugeschwin digkeit ohne Verlust an Bearbeitungsgenauigkeit

ermöglicht. Das Verfahren soll insbesondere eine

Erhöhung der Baugeschwindigkeit bei einem pulverbett basierten Strahlschmelzverfahren zur Fertigung

dreidimensionaler Bauteile ermöglichen.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß

Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen

Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche mit energetischer Strahlung,

insbesondere zum selektiven Laserschmelzen, wird in bekannter Weise wenigstens ein energetischer Strahl entlang mehrerer in einem Abstand nebeneinander verlaufender Scanvektoren über einen oder mehrere

Bereiche der Oberfläche geführt. Jeder der Scanvektoren erstreckt sich dabei vorzugsweise jeweils über den gesamten Bereich. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bei variierender Länge der Scanvektoren in einem oder mehreren der Bereiche der Abstand zwischen benachbarten Scanvektoren jeweils in Abhängigkeit von der Länge wenigstens eines der jeweils benachbarten Scanvektoren gewählt wird. Vorzugsweise wird der

Abstand zwischen benachbarten Scanvektoren jeweils in Abhängigkeit von der Länge des Scanvektors gewählt, entlang dem der energetische Strahl zuerst geführt wird .

Durch diese variable Anpassung des Abstands der Scanvektoren bzw. des Spurabstands in Abhängigkeit von der Scanvektorlänge wird bei entsprechenden Bauteilen oder Oberflächen die Anzahl der erforderlichen

Scanvektoren reduziert und damit die Umschmelzrate gesteigert. Darüber hinaus ergibt sich dadurch eine reduzierte Anzahl von Nebenzeiten innerhalb des

Strahlführungssystems, sog. Scanner-Delays . Das

Verfahren ermöglicht somit im Bereich der generativen Fertigung eine Steigerung der Baugeschwindigkeit, beispielsweise beim selektiven Laserschmelzen. Das Verfahren kann ohne jegliche Modifikation der

technischen Ausgestaltung der Bau- bzw. Bearbeitungs anlage genutzt werden. Anpassungen sind primär in der Software zur Datenvorbereitung und gegebenenfalls in der Software zur Steuerung der Anlage erforderlich.

Das Verfahren ermöglicht nach bisher durchge führten Versuchen, je nach Bauteilgeometrie, eine

Steigerung der Baugeschwindigkeit beim selektiven

Laserschmelzen von 10% bis 30% unter Beibehaltung der gewünschten Materialdichte, beispielsweise im Bereich von 99,5% relativer Dichte. Diese Dichte ergibt sich aus dem Anteil der nach dem Aufschmelzen und Erstarrten der jeweils bearbeiteten Oberflächenschicht verbleiben den Poren im Material. Insbesondere bei den mittels des SLM-Verfahrens bevorzugt gefertigten filigranen

Bauteilstrukturen mit entsprechend kurzen Scanvektoren kann im Besonderen vom vorgeschlagenen Verfahren profitiert werden. Je kürzer die durchschnittliche Vektorlänge für das jeweilige Bauteil ausfällt, desto stärker kommen die Vorteile des Verfahrens im Vergleich zu konventionellen Belichtungsstrategien mit konstantem Abstand der Scanvektoren zum Tragen.

Neben dem oben beschriebenen Vorteil einer

gesteigerten Baugeschwindigkeit bei generativen

Fertigungsverfahren kann darüber hinaus noch eine

Homogenisierung des Temperaturfelds während des

Umschmelzvorgangs erzielt werden. Daraus können sich Vorteile hinsichtlich der Prozessstabilität, beispiels weise Reduzierung von Schweißspritzern, sowie der

Bauteilqualität, beispielsweise durch reduzierte

Eigenspannungen innerhalb des Bauteils, ergeben. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ausgenutzt, dass die Länge der einzelnen Scanvektoren bei den meisten Bauteilen innerhalb eines der für die

Bearbeitung gewählten Streifen oder Felder gemäß der Bauteilkontur variiert. Je kürzer die Länge eines

Scanvektors ausfällt, desto kürzer ist die Abkühlzeit der zugehörigen Schmelzspur bis der Laserstrahl zur Belichtung der benachbarten Spur wiederum für eine Aufheizung sorgt. Durch diesen lokalen Vorheizeffekt verbreitert sich das Schmelzbad. Dementsprechend kann bei kürzeren Scanvektoren und entsprechend geringerer Abkühlzeit bzw. breiterem Schmelzbad ein größerer

Spurabstand bzw. Abstand der Scanvektoren eingestellt und weiterhin eine Anbindung der Spuren aneinander sichergestellt werden. Diese Variation des Abstands der Scanvektoren bzw. Spurabstandes in Abhängigkeit von der Länge wenigstens eines der jeweils benachbarten Scan vektoren wird beim vorliegenden Verfahren durchgeführt. Resultat ist eine Erhöhung der Umschmelzrate, eine Reduzierung der Anzahl der Vektoren sowie eine

Homogenisierung der Temperaturverteilung innerhalb des zu belichtenden Streifens oder Feldes.

Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich für sämtliche strahlschmelzende generative Fertigungs verfahren einsetzen, bei denen die Bauteilbereiche vektorweise mittels elektromagnetischer Strahlung abgefahren werden. Das Verfahren kann unter

Zuhilfenahme entsprechend angepasster Software sowohl auf bereits vorhandenen als auch auf zukünftig

verfügbaren Anlagen umgesetzt werden. Neben der

generativen Fertigung ist das Verfahren auch für andere Gebiete nutzbar, in denen die Oberfläche mit wenigstens einem energetischen Strahl entlang mehrerer in einem Abstand verlaufender Scanvektoren bearbeitet,

insbesondere aufgeschmolzen wird, und die Länge der Scanvektoren über den jeweiligen Bereich variiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung einer Aufteilung eines beispielhaften Bauteilquerschnitts einer beliebigen Schicht bei der generativen Fertigung in mehrere zu belichtende Streifen;

Fig. 2 ein Beispiel für eine Anordnung der

Scanvektoren innerhalb eines Streifens;

Fig. 3 einen Vergleich zwischen der Länge der

Scanvektoren bei einem würfelförmigen Probekörper und einer anwendungs

spezifischen Bauteilgeometrie;

Fig. 4 einen Vergleich der konventionellen

Belichtungsstrategie mit konstantem Spurabstand (Teilabbildung A) und der Belichtungsstrategie mit variablem

Spurabstand beim vorgeschlagenen

Verfahren (Teilabbildung B) ; und

Fig. 5 ein Diagramm, das einen beispielhaften

Zusammenhang zwischen Scanvektorlänge und Spurabstand beim vorgeschlagenen Verfahren zeigt.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die konventionelle Belichtungsstrategie bei pulverbettbasierten Strahlschmelzverfahren wurde in der Beschreibungseinleitung in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 bereits erläutert. Figur 3 zeigt einen Vergleich zwischen der Scanvektorlänge bei einem für die

Parameterbestimmung gewählten würfelförmigen Probe körper (rechter Teil der Figur) und der Scanvektorlänge bei einem anwendungsspezifischen Bauteil (linker Teil der Figur) . Derartige würfelförmige Probekörper werden genutzt, um die Prozessparameter, insbesondere den Abstand der Scanvektoren bzw. Spurabstand, bei der Fertigung eines Bauteils vorab zu ermitteln. Die

Probekörper bestehen dabei aus dem gleichen Material wie das zu fertigende Bauteil. Aus der Figur 3 ist zu erkennen, dass innerhalb der einzelnen Streifen 2, in die der aufzuschmelzende Bereich für die Bearbeitung unterteilt wird, beim würfelförmigen Probekörper eine konstante Scanvektorlänge auftritt, während sie bei der anwendungsspezifischen Bauteilgeometrie aufgrund der Bauteilkontur 1 innerhalb der Streifen 2 variieren kann. Durch diese Variation ergeben sich unterschied lich lange Abkühlzeiten, bevor der Laserstrahl auf der benachbarten Spur wieder für eine Aufheizung sorgt, und damit auch unterschiedlich breite Schmelzbäder. Beim vorliegenden Verfahren wird dies ausgenutzt, indem bei kürzeren Scanvektoren und entsprechend geringerer

Abkühlzeit bzw. breiterem Schmelzbad ein größerer

Abstand der Scanvektoren (Spurabstand) eingestellt wird, mit dem weiterhin eine Anbindung des Materials benachbarter Spuren aneinander sichergestellt wird. Die Anpassung des Abstands der Scanvektoren bzw. des

Spurabstands erfolgt, indem der Abstand zwischen zwei Spuren in Abhängigkeit von der Länge der von diesen beiden Spuren zuerst belichteten Spur eingestellt wird. Figur 4 zeigt diese Vorgehensweise schematisch für eine dreieckige Bauteilkontur.

In Figur 4A ist die zur SLM bisher typische

Strategie der Belichtung dargestellt. Charakteristisch dabei ist der Abstand Dl zwischen den einzelnen

Scanvektoren 3, der für alle Vektoren, unabhängig von ihrer jeweiligen Länge, konstant ist. Figur 4B zeigt demgegenüber schematisch die beim vorgeschlagenen

Verfahren eingesetzte neuartige Belichtungsstrategie mit variablem Spurabstand. Dabei wird der Abstand der Scanvektoren bzw. der Spurabstand in Abhängigkeit von der Scanvektorlänge angepasst. Im vorliegenden Fall gilt D2 > Dl, da für kürzere Scanvektoren 3 der

Spurabstand vergrößert wird.

Die Vergrößerung bzw. Variation des Spurabstands wird so durchgeführt, dass auch bei entsprechend vergrößertem Spurabstand eine vorgegebene relative Mindestdichte, von beispielsweise > 99,5%, der damit hergestellten Bauteile erreicht wird.

Die Ermittlung des Zusammenhangs zwischen

Scanvektorlänge und Abstand der Scanvektoren bzw.

Spurabstand kann dabei beispielsweise experimentell durch die Fertigung von Probekörpern unterschiedlicher Größen und damit Vektorlängen erfolgen. Auf diese Weise kann eine Wertetabelle mit Zuordnungen zwischen

Scanvektorlänge und Spurabstand für das jeweilige Material und die jeweilige Anlage erstellt werden.

Alternativ kann der Zusammenhang zwischen Scanvektor länge und Spurabstand auch mittels Simulation ermittelt werden .

Im Folgenden ist eine exemplarische Wertetabelle mit fünf diskreten Datenpunkten bei fünf unter

schiedlichen Scanvektorlängen dargestellt.

Figur 5 zeigt hierzu den graphischen Zusammenhang zwischen der Scanvektorlänge und dem Abstand der

Scanvektoren bzw. dem Spurabstand. Für jeden Scanvektor bzw. dessen spezifische Länge wird entsprechend der Wertetabelle der zugehörige Abstand bei der Daten vorbereitung für die Fertigung berücksichtigt. Zwischen den einzelnen diskreten Werten kann interpoliert werden . Durch die Erhöhung des Spurabstands wird die

Umschmelzrate erhöht sowie die Anzahl der benötigen Vektoren reduziert. Die Aufbereitung der entsprechenden Bauteildaten mit variablem Spurabstand wird dabei vorzugsweise bei der Bahnplanung mit Hilfe einer speziellen Software durchgeführt, die die experimentell ermittelten Wertetabellen entsprechend verarbeiten kann . Bei der vorliegenden Beschreibung und dem

Ausführungsbeispiel wurde vor allem auf Verfahren zum selektiven Laserschmelzen von metallischen Werkstoffen Bezug genommen, bei denen in der Regel Galvanoscanner als Stahlablenkungseinheiten genutzt werden. Es ist jedoch auch eine Übertragung auf andere Strahlquellen, beispielsweise Elektronenstrahlquellen, andere

Strahlablenkungseinheiten wie beispielsweise XY- Plottersysteme oder andere Werkstoffe wie z.B.

Kunststoffe ohne weiteres möglich. Das vorliegende

Verfahren ist nicht auf das selektive Laserschmelzen, pulverbettbasierte Strahlschmelzverfahren oder

generative Fertigungsverfahren im Allgemeinen

beschränkt .

Bezugszeichenliste

1 Bauteilkontur

2 Streifen

3 Scanvektoren

D1/D2 Abstand der Scanvektoren