Titel : Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts sowie Verfahren zum Erstellen eines Prozessfensters zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines, insbesondere pulverförmigen, Aufbaumaterials. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen eines Prozessfensters zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens. Derartige Einrichtungen zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts weisen eine Objektbildungskammer auf in der das zu fertigende Objekt schrittweise erstellt wird. In der Objektbildungskammer ist eine Arbeitsfläche vorgesehen, die ein Baufeld zum Herstellen des dreidimensionalen Objekts aufweist .

Das Verfahren bezieht sich dabei auf Herstelleinrichtungen, die wenigstens eine Strahlquelle und eine Scaneinheit aufweisen. Insbesondere kann das Verfahren jedoch auf Herstelleinrichtungen, die wenigstens zwei Strahlquellen und zwei Scaneinheiten aufweisen, durchgeführt werden. Die Scaneinheit oder Scaneinheiten sind ausgebildet und angeordnet, um jeweils einen durch die jeweilige Scaneinheit gesteuerten Strahl der jeweiligen Strahlquelle, auf verschiedene Zielpunkte auf dem Baufeld zu richten. Mit anderen Worten, der Strahl kann über die Scaneinheit auf verschiedene Punkte des Baufelds geführt bzw. gelenkt werden.

Mit zwei oder mehr Strahlquellen aufweisenden Herstelleinrichtungen sind vorliegend auch

Herstelleinrichtungen gemeint, die eine einzige Einrichtung zur eigentlichen Erzeugung eines Strahls aufweisen, wobei dieser Strahl wiederum bspw. mittels eines Strahlteilers (beam Splitter) in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird. Die einzelnen Teilstrahlen des aufgeteilten Strahls stellen dann die mehreren Strahlquellen im Sinne der vorliegenden Erfindung dar.

Die Herstelleinrichtung umfasst weiter eine Sensoreinheit. Die Sensoreinheit weist einen Überwachungsbereich auf, wobei die Sensoreinheit ausgebildet ist, um die im Überwachungsbereich vom Baufeld her emittierte Strahlung zu erfassen. Die Sensoreinheit kann bspw. als eine on-axis Sensoreinheit ausgebildet sein. Der Überwachungsbereich der Sensoreinheit kann jedoch auch unabhängig vom Zielpunkt der Strahlquelle bzw. Scaneinheit lenkbar sein. Beispielsweise kann die Sensoreinheit eine on-axis Sensoreinheit einer zweiten Scaneinheit mit oder ohne zweiter Strahlquelle sein. Die Sensoreinheit kann auch einen örtlich festen

Überwachungsbereich aufweisen. Eine derartige Sensoreinheit kann mit ihrem Überwachungsbereich bspw. das gesamte Baufeld erfassen. Vorgesehen sein kann auch, dass mehrere der eben beschriebenen Sensoreinheiten und/oder weiterer Sensoreinheiten in Kombination vorhanden sind und in der Durchführung der Verfahren eingesetzt werden.

Zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts sind sogenannte "Selective Laser Sintering" (SLS) oder "Selective Laser Melting" (SLM) Verfahren, also das selektive Lasersintern sowie das selektive Laserschmelzen bekannt. Dazu wird in der Objektbildungskammer das pulverförmige Aufbaumaterial, beispielsweise Metall- oder Keramikpulver, mit einer elektromagnetischen Strahlung aus der oben genannten Strahlquelle, insbesondere mit einem Laserlicht, bestrahlt.

Auf dem Baufeld der Kammer wird eine dünne Pulverschicht aufgebracht, die mit dem Laserlicht zur Herstellung des Objekts gesintert oder geschmolzen wird. Die Herstellung des Objekts erfolgt dabei schrittweise; Pulverschichten werden nacheinander aufgebracht und jeweils gesintert oder geschmolzen. Zwischen den Fertigungsschritten wird das pulverförmige Aufbaumaterial mit einer Aufbringungseinrichtung, beispielsweise einem Wischer, einer Walze, einer Bürste oder einer Klinge auf die Bauplattform aufgebracht bzw. aufgestrichen.

Verfahren zu Optimierung der Prozessparameter eines additiven Herstellungsverfahren sind in den Druckschriften DE 102018 200 721 Al und DE 102018 203 444 Al offenbart.

In DE 102018 200 721 Al ist ein Verfahren offenbart mittels dessen über das Baufeld hinweg örtlich angepasste Prozessparameter festgelegt werden in Abhängigkeit von der jeweils lokal zu schaffenden Bauteilgeometrie.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb der oben genannten Herstelleinrichtung mit möglichst genauer bzw. fehlervermeidender Einstellung der Prozessparameter zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst.

Entsprechend weist das Verfahren nach Anspruch 1 die folgenden Schritte auf:

Bestrahlen eines Teilbereichs des Aufbaumaterials innerhalb des Baufelds in dem der Strahl der Strahlquelle mittels der Scaneinheit auf das Aufbaumaterial gerichtet wird. Bei diesem Bestrahlungsvorgang wird die eingebrachte Energiemenge derart gewählt, dass das Aufbaumaterial verfestigt wird. Das Verfestigen kann durch Sintern des pulvertörmigen Aufbaumaterials erfolgen oder durch ein lokales Aufschmelzen (Bildung eines Schmelzpools/Meltpools) und anschließendes verfestigen. Hierdurch wird ein Teilbereich des herzustellenden dreidimensionalen Objekts gebildet.

Während dieser Herstellung des Teilbereichs des 3- dimensionalen Objekts wird wenigstens ein die Bestrahlung charakterisierender Bestrahlungsparameter jeweils lokal derart gewählt, dass er in einem sich über die Fläche des Baufelds ortsabhängig verändernden Prozessfenster liegt. Mit einem Prozessfenster ist damit ein Zusammenhang gemeint, der erlaubte Werte für den jeweiligen Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit von dem erfassten Sensorsignal vorgibt.

Mit anderen Worten, das Prozessfenster gibt einen Zusammenhang zwischen einem durch die Sensoreinheit erfassten Sensorsignal und zulässigen Werten für den Bestrahlungsparameter vor. Beispielsweise kann also vorgesehen sein, dass die Sensoreinheit die Temperatur im bestrahlten Punkt, (beispielsweise die lokale Temperatur des Meltpools, also des Pools an aufgeschmolzenem Aufbaumaterial) erfasst und dass das Prozessfenster in Abhängigkeit von dieser Temperatur einen zulässigen Wert bzw. einen Wertebereich für den Bestrahlungsparameter vorgibt der in der Prozessführung eingehalten wird.

Im Stand der Technik ist nicht bekannt, dass ein Prozessfenster einen Zusammenhang zwischen einem durch die Sensoreinheit erfassten Sensorsignal und zulässigen Werten für den Bestrahlungsparameter vorgibt. Das Prozessfenster gibt quasi je nach Position auf dem Baufeld verschiedene Auswahlmöglichkeiten für zulässige Werte für den Bestrahlungsparameter vor und aus diesen Werten wird der zu verwendende Wert des Bestrahlungsparameters basierend auf dem durch die Sensoreinheit erfassten Sensorsignal ausgewählt. An ein und derselben Position auf dem Baufeld gibt das Prozessfenster also ggf. mehrere unterschiedliche Werte für den Bestrahlungsparameter vor, wobei der zu verwendende anhand des lokal durch die Sensoreinheit erfassten Sensorsignals ausgewählt wird.

Es kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass das sich über die Fläche des Baufelds ortsabhängig verändernde Prozessfenster sich zusätzlich in Abhängigkeit von Teilbereichsarten in der Fläche der Objekte verändert. Im Baufeld werden also spezielle Teilbereichsarten definiert und in diesen Teilbereichsarten werden teilbereichsartabhängige Zusammenhänge zwischen Bestrahlungsparametern durch die Sensoreinheit erfassten Sensorsignal durch das Prozessfenster vorgegeben .

Die Teilbereichsarten in der Fläche der Objekte können umfassen: Kontur- und/oder Upskin- und/oder Downskin- und/oder Inskin-Teilbereiche mit vorbestimmten

Wärmeabflusseigenschaften, insbesondere einer Anzahl der unter einem Teilbereich bereits verfestigten Pulverschichten, und/oder Abschnitte der vorgenannten Teilbereiche in Abhängigkeit der Konturform. Ein Konturbereich ist ein Bereich der den in der Fläche äußeren Bereich eines verfestigten Bereichs bildet, dieser wird in einer sogenannten Konturfahrt gesondert belichtet bzw. bestrahlt, um in der Ebene eine glatte äußere Kontur zu erhalten. Upskin Bereiche sind Bereiche, die eine obere Grenze eines verfestigten Bereichs bilden, sie bilden quasi eine obere "Haut" bzw. Grenzfläche. In den darunterliegenden Schichten ist das Material verfestigt, in der nächst drüber liegenden Schicht folgt unverfestigtes Material. Downskin Bereiche im Gegensatz hierzu sind Bereiche, die eine untere Grenze eines verfestigten Bereichs bilden, sie bilden quasi eine untere "Haut" bzw. Grenzfläche. In den darüber liegenden Schichten ist das Material verfestigt, in der nächst darunterliegenden Schicht befindet sich unverfestigtes Material. Inskin Bereiche wiederum liegen innerhalb von verfestigtem Material, mit anderen Worten, das in der Ebene daneben liegende Material ist verfestigt (ansonsten wäre der Bereich eine Kontur Teilbereich), das unterhalb liegende Material wurde im letzten Belichtungsdurchlauf verfestigt (ansonsten wäre der Teilbereich ein downskin Teilbereich) und das oberhalb in der nächsten Schicht folgende Material wird im nächsten schichtweisen Belichtungsdurchlauf verfestigt (ansonsten wäre der Teilbereich ein upskin Teilbereich). Die Teilbereiche können auch ein Kontur Teilbereich und eine weitere der drei weiteren Teilbereichsarten sein. Eine weitere Teilbereichsart kann ein Stützteilbereich sein, der einen zu verfestigenden Materialabschnitt betrifft, der am fertigen Werkstück bzw. Objekt anschließend entfernt wird. In einem Stützteilbereich sind die Anforderungen an die Materialqualität gering und die Bestrahlung kann entsprechend angepasst werden. In den übrigen Teilbereichen beeinflusst das angrenzen oder nicht angrenzen an verfestigtes Material oder an pulverförmiges Aufbaumaterial die Wärmeabfluss Eigenschaften und es ist vorteilhaft die Bestrahlungsparameter entsprechend anzupassen.

Das sich über die Fläche des Baufelds ortsabhängig verändernde Prozessfenster kann unter Berücksichtigung zumindest eines Maschinenparameters gebildet werden, insbesondere eines der folgenden Maschinenparameter:

- der Winkel in dem der Strahl auf das Baufeld trifft,

- die Schutzgasströmungen, bevorzugt Geschwindigkeit, Volumen und Homogenität des Schutzgasstroms oder Schutzgasart,

- das Strahlprofil des verwendeten Laserstrahls, bevorzugt der Projektion des Laserstrahls auf das Pulverbett, und/oder

- Kalibrationsmessungen an Kalibrationsbauteilen, bevorzugt an der Position von Festpunkten. Damit können unterschiedliche Einflüsse der Maschinenkonfiguration berücksichtigt werden.

Es kann weiter vorgesehen sein, dass das sich über die Fläche des Baufelds ortsabhängig verändernde Prozessfenster zusätzlich unter Berücksichtigung zumindest eines Parameters des pulverförmigen Aufbaumaterials gebildet wird, insbesondere eines der folgenden Parameter des Aufbaumaterials:

- chemische Zusammensetzung,

- mittlere Korngröße und/oder

- Korngrößenverteilung.

Denkbar ist bzgl. der Abhängigkeit des Bestrahlungsparameters von dem erfassten Sensorsignal beispielsweise, dass die Leistung der Strahlquelle bzw. die mittels des Strahls in das pulverförmige Aufbaumaterial eingebrachte Energiemenge in Abhängigkeit von dem Sensorsignal eingestellt ist, sich also in einem durch das Prozessfenster vorgegebenen Wertebereich befindet. Zum anderen kann beispielsweise auch die Verfahrgeschwindigkeit des Lasers bzw. des bestrahlten Punkts in Abhängigkeit von der Temperatur des Meltpools oder einem anderen Sensorsignal vorgegeben sein. Ein weiteres Beispiel für einen möglichen vorgegebenen Parameter kann auch die Pulsdauer bei gepulster Bestrahlung sein.

Denkbar ist auch, dass eine Herstelleinrichtung mit mehreren Strahlquellen verwendet wird und dass für jede der Strahlquellen eigene Prozessfenster zur Festlegung der zulässigen Wertebereiche für die Bestrahlungsparameter der jeweiligen Strahlquellen verwendet werden.

Es kann bei dem vorliegenden Verfahren weiter vorgesehen sein, dass während der Bestrahlung mehrere die Bestrahlung charakterisierende Bestrahlungsparameter jeweils in parameterspezifischen Prozessfenstern liegen. Mit anderen Worten es können mehrere Parameter, die die lokale Bestrahlung charakterisieren, ortsabhängig derart gewählt sein, dass sie in einem jeweiligen sich über die Fläche des Baufelds ortsabhängig verändernden Prozessfenster liegen. Es können also verschiedene Prozessfenster für die verschiedenen Bestrahlungsparameter vorgesehen sein.

Die jeweiligen Prozessfenster geben dabei einen Zusammenhang zwischen einem durch die Sensoreinheit erfassten Sensorsignal und zulässigen Werten für den jeweiligen Bestrahlungsparameter vor.

Es kann weiter vorgesehen sein, dass neben den Sensorsignalen auch die Wahl der anderen Bestrahlungsparameter das erlaubte Prozessfenster für einen bestimmten Bestrahlungsparameter beeinflusst. Die Prozessfenster können also einen zulässigen Wertebereich für Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit von Sensorsignalen und weiteren Bestrahlungsparametern vorgeben. Dabei sind auch diese Zusammenhänge über die Fläche des Baufelds variierend durch das Prozessfenster vorgegeben.

Beispielweise kann vorgesehen sein, dass neben der Temperatur des Meltpools (Sensorsignal) auch die Verfahrgeschwindigkeit des Strahls (Bestrahlungsparameter) die erlaubten Werte für die Leistung der Strahlungsquelle beschränken.

Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Herstelleinrichtung mehrere Sensoreinheiten umfasst und das Prozessfenster des Bestrahlungsparameters den Bereich der erlaubten Werte des Bestrahlungsparameters in Abhängigkeit von mehreren Sensorsignalen, die durch die unterschiedlichen Sensoreinheiten erfasst werden vorgibt. Dabei sind auch diese Zusammenhänge über die Fläche des Baufelds variierend durch das Prozessfenster vorgegeben.

Es kann also wenigstens ein die Bestrahlung charakterisierender Bestrahlungsparameter, insbesondere mehrere die Bestrahlung charakterisierende

Bestrahlungsparameter, jeweils lokal derart gewählt sein, dass er in einem sich über die Fläche des Baufelds ortsabhängig verändernden Prozessfenstern liegt, wobei das (bzw. im Fall von mehreren Bestrahlungsparametern) die Prozessfenster jeweils einen Zusammenhang zwischen mehreren durch die Sensoreinheiten erfassten Sensorsignalen und zulässigen Werten für den bzw. die Bestrahlungsparameter vorgibt. Es kann dabei vorgesehen sein, dass wenigstens eine Sensoreinheit Überwachungsbereich mit dem bestrahlten Punkt (direkt auf den bestrahlten Punkt gerichtet oder zu diesem versetzt) mitbewegt, weiter kann vorgesehen sein, dass eine weitere Sensoreinheit einen stationären Überwachungsbereich aufweist.

Es kann vorliegend ebenso vorgesehen sein, dass das Prozessfenster durch örtlich vorgegebene Festpunkte definiert ist. Diese örtlich vorgegebenen Festpunkte sind über das Baufeld verteilt, sie entsprechen jedoch nicht der gesamten Fläche des Baufeldes. In den jeweiligen Festpunkten ist ein Zusammenhang zwischen einem oder mehreren erfassten Sensorsignalen (ggf. auch weiteren Bestrahlungsparametern) und zulässigen Werten für den oder die Bestrahlungsparameter definiert. Wie oben erläutert, so können die zulässigen Werte des Bestrahlungsparameters in diesen Festpunkten auch von den Werten eines oder mehrerer der übrigen Bestrahlungsparameter abhängen. Das Verfahren kann weiter umfassen, dass an Punkten auf dem Baufeld, die von diesen örtlich vorgegebenen Festpunkten abweichen, der entsprechende Zusammenhang durch lineare Interpolation der Zusammenhänge zwischen den Festpunkten ermittelt wird. Hierzu kann der Abstand eines zwischen mehreren Festpunkten liegenden Punkts zu diesen Festpunkten genutzt werden, um die Prozessfenster der umliegenden Festpunkte zu gewichten und so zu einem lokalen Prozessfenster in dem zwischen den Festpunkten liegenden Punkt zu gelangen. Zur Ermittlung des lokalen Prozessfensters in dem zwischen den Festpunkten liegenden Punkt werden typischerweise die drei am nächsten zu diesem Punkt liegenden Festpunkte berücksichtigt und eine lineare Interpolation zwischen deren Prozessfenstern durchgeführt. Die Gewichtung der einen zwischen mehreren Festpunkten liegenden Punkt umgebenden Festpunkte kann im Rahmen der Interpolation auch über zwischen dem Punkt und dem Festpunkt aufgespannte Dreiecke erfolgen, wobei einem jeweiligen Festpunkt das ihm bzgl. des Punktes gegenüberliegende aufgespannte Dreieck zugeordnet ist.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein örtlich variables Prozessfenster bspw. gemäß einer der hier beschriebenen Arten wenigstens die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls als Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit eines erfassten Sensorsignals vorgibt.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein örtlich variables Prozessfenster bspw. gemäß einer der hier beschriebenen Arten wenigstens die Leistung des Laserstrahls als Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit eines erfassten Sensorsignals vorgibt.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein örtlich variables Prozessfenster bspw. gemäß einer der hier beschriebenen Arten wenigstens die Pulsdauer des Laserstrahls als Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit eines erfassten Sensorsignals vorgibt.

Ein weiteres Beispiel eines entsprechenden Bestrahlungsparameters sind Werte der Scaneinheit.

Ein weiteres Beispiel eines entsprechenden Bestrahlungsparameters ist ein Strahldurchmesser.

Vorgesehen sein kann insbesondere, dass das Prozessfenster den entsprechenden Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit wenigstens eines den Schmelzpool charakterisierenden Sensorsignals vorgibt. "Den Schmelzpool charakterisierende Sensorsignale" in diesem Sinne umfassen wenigstens die lokale Temperatur im momentan bestrahlten Punkt (vor Aufschmelzen oder auch Temperatur des Schmelzpools), die lokale Temperatur an einem dem bestrahlten Punkt vorangeführten Messpunkt, die lokale Temperatur an einem dem bestrahlten Punkt nachgeführten Messpunkt, den Abkühlverlauf eines bereits bestrahlten Punkts und/oder das Aufheizverhalten eines Punktes auf den sich der bestrahlte Punkt zubewegt.

Das Sensorsignal, welches zur Ermittlung der zulässigen Werte des Bestrahlungsparameters verwendet wird, kann bspw. dadurch ermittelt werden, dass der Überwachungsbereich der Sensoreinheit während dem Bestrahlungsvorgang der Bewegung des Strahls bzw. der Bewegung des Zielpunkts des Strahls vorangeführt wird. Mit vorangeführt ist dabei gemeint, dass der Überwachungsbereich den später bestrahlten Bereich auf dem Baufeld vor dem Strahl abfährt. Dabei kann der Überwachungsbereich in einem konstanten Abstand zu dem Zielpunkt des Strahls geführt werden. Denkbar ist jedoch auch, dass der Überwachungsbereich mit einem bestimmten zeitlichen Vorlauf zu dem Zielpunkt des Strahls bewegt wird. Damit ist gemeint, dass der Überwachungsbereich eine Stelle auf dem Baufeld immer um genau den gleichen zeitlichen Versatz passiert, wie der Zielpunkt des Strahls. Anhand der erfassten Signale der Sensoreinheit können beispielsweise Rückschlüsse auf die Bedingungen, insbesondere Temperaturbedingungen, des noch pulvertörmigen und noch nicht verfestigten

Aufbaumaterials gezogen werden diese können dann im Rahmen des Prozessfensters bei der "Einstellung" der geeigneten Bestrahlungsparameter genutzt werden. Es ist auch möglich das Sensorsignal, welches zur Ermittlung der zulässigen Werte des Bestrahlungsparameters verwendet wird, mittels eines Überwachungsbereichs der Sensoreinheit, der während dem Bestrahlungsvorgang der Bewegung des Strahls nachgeführt wird, zu ermitteln. Mit "nachgeführt" ist dabei gemeint, dass der Überwachungsbereich dem Bewegungsmuster des Strahls folgt. Der Überwachungsbereich kann dabei dem Strahl in definiertem Abstand folgen. Der Abstand kann dabei zeitlich oder geometrisch definiert sein. Der Überwachungsbereich kann also in einem bestimmten zeitlichen Versatz nachfolgend zum Strahl über das Baufeld geführt werden oder in einer bestimmten räumlichen Distanz zum Strahl diesem nachfolgend bewegt werden. Anhand der erfassten Signale der Sensoreinheit können beispielsweise Rückschlüsse auf die Bedingungen, insbesondere Temperaturbedingungen, des erstarrenden oder abkühlenden Aufbaumaterials gezogen werden diese können dann im Rahmen des Prozessfensters bei der "Einstellung" der geeigneten Bestrahlungsparameter genutzt werden.

Die örtliche Anpassung des Prozessfensters ermöglicht es, ungleichförmige Bedingungen über die Fläche des Baufelds zu berücksichtigen. Selbst wenn die Sensorsignale an unterschiedlichen Stellen des Baufeldes identisch sind, so können an unterschiedlichen Stellen des Baufeldes doch unterschiedliche Bedingungen herrschen bzw. unterschiedliche Bestrahlungsparameter nötig sein die gleichen Ergebnisse zu erzielen. Dies kann beispielsweise durch unterschiedliche Winkel in denen der Strahl auf das Baufeld trifft bedingt sein oder durch unterschiedliche Schutzgasströmungen. Auch das Strahlprofil des verwendeten Laserstrahls kann ortsabhängig variieren. Insbesondere die Strömung des verwendeten Schutzgases kann ortsabhängig variieren und damit zu unterschiedlichen konvektiven Wärmeabfuhrverhältnissen an unterschiedlichen Stellen des Baufeldes führen. Es kann weiter der Fall sein, dass an unterschiedlichen Stellen des Baufelds Partikel, die in die Atmosphäre oberhalb des Aufbaumaterials gelangen, unterschiedlich effektiv abtransportiert werden, so dass die tatsächlich am Baufeld ankommende Energie sich trotz gleicher Sensorsignale an unterschiedlichen Stellen bei gleicher Ausgangsleistung der Strahlungsquelle unterscheiden kann. Gleiche Bedingungen (beispielsweise die Temperatur des Meltpools) können an unterschiedlichen Stellen des Baufelds auch zu unterschiedlichen Sensorsignalen führen, was beispielsweise durch unterschiedliche Transmission im optischen Feld begründet ist. All diese Effekte können durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt werden.

Erfindungsgemäß kann insbesondere vorgesehen sein, wenn das Prozessfenster bzw. die den einzelnen Bestandsparametern zugeordneten Prozessfenster gemäß einer der nachfolgenden Arten erstellt wird.

Das Erstellen eines Prozessfensters (Anspruch 8) zur Durchführung eines Verfahrens zum Betreiben einer Herstelleinrichtung bzw. zur Durchführung der Bestrahlung gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen kann dabei umfassen:

Aufbau mehrerer dreidimensionaler Referenzobjekte durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen von Aufbaumaterial innerhalb des Baufelds. Dabei wird bei den unterschiedlichen Aufbauvorgängen der Referenzobjekte jeweils wenigstens ein Bestrahlungsparameter verändert.

Während dem Aufbau der Referenzobjekte werden einer oder mehrere Bestrahlungsparameter erfasst und aufgezeichnet. Dabei wird neben den Werten des jeweiligen Bestrahlungsparameters auch die lokale Position auf dem Baufeld erfasst und aufgezeichnet . Es wird also quasi für jeden Aufbauvorgang eines Referenzobjekts eine Karte über das Baufeld erstellt, die den jeweiligen Wert der verwendeten Bestrahlungsparameter an den verschiedenen Punkten des Baufelds wiedergibt.

Mit anderen Worten das Verfahren zum Erstellen des Prozessfensters umfasst das Erfassen und Aufzeichnen eines oder mehrerer Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit von der bestrahlten Position auf dem Baufeld.

Weiter umfasst das Erstellen des Prozessfensters das Überwachen des Aufbauvorgangs durch Erfassen von Sensorsignalen mittels einer oder mehrerer Sensoreinheiten in Abhängigkeit von der bestrahlten Position auf dem Baufeld und das Aufzeichnen der Sensorsignale. Mit anderen Worten ähnlich wie bei den Bestrahlungsparametern, so werden auch die Sensorsignale in Abhängigkeit der jeweiligen Position auf dem Baufeld erfasst und gespeichert. Im Anschluss liegen also für die verschiedenen Positionen auf dem Baufeld die verwendeten Bestrahlungsparameter sowie die erfassten Sensorsignale in Abhängigkeit der Position vor.

Weiter werden die Referenzobjekte geprüft. Es kann also geprüft werden, ob der Aufbauvorgang an den Referenzobjekten jeweils zu einem zufriedenstellenden Ergebnis geführt hat, insbesondere an welchen Positionen auf dem Baufeld zufriedenstellende Ergebnisse erzielt wurden. Dadurch, dass verschiedene Referenzobjekte aufgebaut wurden und dabei die Bestrahlungsparameter verändert wurden kann ein Wertekorridor für zulässige Bestrahlungsparameter für die jeweiligen Orte auf dem Baufeld ermittelt werden. Beispielsweise kann identifiziert werden, wenn an einer bestimmten Stelle bei bestimmter Leistung der Laserquelle der Energieeintrag in das Aufbaumaterial nicht mehr ausreichend war, um das Material vollständig aufzuschmelzen und somit zu einem defektfreien Referenzobjekt zu führen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die "Prüfung" der Referenzobjekte durch eine Simulation basierend auf den erfassten Bestrahlungsparametern und Sensorsignalen erfolgt. Dabei kann analytisch bzw. numerisch ermittelt werden, ob die verwendeten Parameter und empfangenen Sensorsignale zu einer ausreichenden zufriedenstellenden Qualität des erzielten Referenzobjekts führen. Vorgesehen ist jedoch insbesondere die physische Analyse der Referenzobjekte, bspw. durch Schnittbilder, Sichtprüfung, Belastungsversuche und bspw. weitere metallurgische Untersuchungsmethoden.

Anschließend kann ein ortsabhängiges Prozessfenster erstellt werden. Dabei basiert dieses Erstellen des Prozessfensters auf den erfassten und aufgezeichneten Bestrahlungsparametern und Sensorsignalen sowie dem Ergebnis der Prüfung der Referenzobjekte. Das entsprechende Prozessfenster gibt einen Zusammenhang zwischen wenigstens einem Sensorsignal bzw. mehreren Sensorsignalen und zulässigen Werten für den Bestrahlungsparameter bzw. mehreren Bestrahlungsparametern vor. Es kann vorgesehen sein, dass das Baufeld bei der Erstellung des Prozessfensters in fiktive Teilbereiche unterteilt ist.

Die erfassten Bestrahlungsparameter und Sensorsignale können dann entsprechend über die jeweiligen Teilbereiche gemittelt werden und anhand der gemittelten Werte je Teilbereich ein Festpunkt mit einem vorgegebenen Zusammenhang zwischen einem oder mehreren erfassten Sensorsignalen und zulässigen Werten für die oder den Bestrahlungsparameter ermittelt werden. Die Festpunkte können dabei in ihrer räumlichen Anordnung auf dem Baufeld insbesondere den jeweiligen Flächenschwerpunkten der Teilbereiche entsprechen. Damit können lokale "Ausreißer" in den gemessenen Sensorsignalen "heraus gemittelt werden" und die Ermittlung der Prozessfenster ist weniger störanfällig.

Die verwendeten Teilbereiche können insbesondere eine hexagonale Form aufweisen.

Es kann vorgesehen sein, dass zur Ermittlung des Prozessfensters je Teilbereich eine Anzahl n an Sensorsignalen in einem Mittelwertvektor der Länge n, zusammengefasst werden. Jeder Eintrag des Vektors kann dabei einem bzgl. des Teilbereichs gemittelten Sensorsignals entsprechen. Neben dem Mittelwertvektor kann weiter eine Kovarianzmatrix erstellt werden. Die Kovarianzmatrix beschreibt dabei die jeweilige Varianz der einzelnen Sensorsignale des Mittelwertvektors sowie die jeweiligen Kovarianzen der Sensorsignale zueinander.

Die bei den Verfahren verwendeten Sensoreinheiten bzw. eine der verwendeten Sensoreinheiten kann als eine on-axis- Sensoreinheit ausgebildet sein. Möglich ist auch die Verwendung einer Sensoreinheit mit örtlich festem Überwachungsbereich oder Sensoreinheiten mit Überwachungsbereich, der von einer Strahlquelle unabhängig bewegbar ist.

Die Sensoreinheiten können bspw. durch photosensitive Sensoren, bspw. eine Photodiode, eine Kamera, ein Spektrometer und/oder ein Pyrometer gebildet sein.

Die Erstellung des Prozessfensters kann zusammenfassend auch damit umschrieben werden, dass Referenzbaujobs mit bestimmten bspw. teilweise bereits erprobten Bestrahlungsparametern erstellt und die Sensorwerte und Bestrahlungsparameter aufgezeichnet werden. Die Werte können dann anhand ihrer Position segmentiert (Bildung der Teilbereiche) werden. Anhand der segmentierten Werte können dann statistische Prozessfenster ermittelt werden. Durch die örtliche Segmentierung variieren diese Prozessfenster positionsabhängig. Gegenüber einer Mittelung über das gesamte Baufeld wird hierdurch ein genaueres Prozessfenster erzielt und lokale Gegebenheiten des Baufelds können berücksichtigt werden.

Die Erfassung und Aufzeichnung der Sensorsignale und Bestrahlungsparameter erfolgt typischerweise mit einer Frequenz im Bereich von 25-600kHz.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert sind. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Ansicht einer Herstelleinrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts auf der die erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden;

Figur 2 eine schematische Darstellung des Ablaufs des Verfahrens zur Bestrahlung;

Figur 3 eine schematische Darstellung des Ablaufs des Verfahrens zur Erstellung der Prozessfenster;

Figur 4 eine schematische Draufsicht auf das Baufeld der Herstelleinrichtung, wobei dieses in einzelne Teilbereiche unterteilt ist;

Figur 5 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt des Baufelds der Herstelleinrichtung, wobei den einzelnen Teilbereichen jeweilige Prozessfenster zugewiesen sind;

Figur 6 eine Illustration einer Gewichtung von unterschiedlichen Festpunkten; und

Figur 7 eine schematische Ansicht einer weiteren Herstelleinrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts auf der die erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden.

In Figur 1 ist eine Herstelleinrichtung 10 gezeigt, auf der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. Die Vorrichtung 10 weist eine Objektbildungskammer 12 auf. In der Objektbildungskammer 12 ist eine Arbeitsfläche 14 angeordnet, die ein Baufeld 16 aufweist. In der Objektbildungskammer 12 ist ebenso eine Aufbringungseinrichtung 18 angeordnet, die im vorliegenden Beispiel in Form einer Walze ausgebildet ist aber bspw. auch durch eine Rakel ausgebildet sein kann.

Pulverförmiges Aufbaumaterial 20, das vorliegend schichtartig auf dem Baufeld 16 angeordnet ist, ist lediglich schematisch und bereichsweise dargestellt, wobei die Darstellung stark vergrößert ist. Pro schichtweisem Aufbauvorgang werden typischerweise zwischen 1 gm und 200 gm, insbesondere zwischen 10 pm und 100 pm, insbesondere zwischen 20 pm und 40 pm, pulverförmiges Aufbaumaterial 20 schichtartig mittels der Aufbringungseinrichtung 18 über das Baufeld 16 verteilt.

Die Herstelleinrichtung 10 umfasst im vorliegenden Beispiel zwei Scaneinheiten 22. Eine primäre Scaneinheit 22a und eine weitere oder sekundäre Scaneinheit 22b. Der primären Scaneinheit 22a ist eine primäre Strahlquelle 24a zugeordnet und der weiteren bzw. sekundären Scaneinheit 22b ist eine weitere bzw. sekundäre Strahlquelle 24b zugeordnet.

Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Verfahren mittels einer Herstelleinrichtung 10 mit nur einer einzigen Scaneinheit 22 und Strahlquelle 24 durchgeführt wird.

Entsprechend ist den jeweiligen Scaneinheiten 22 eine jeweilige Sensoreinheit 26 sowie ein Strahlteiler 28 zugeordnet. Über den Strahlteiler 28 wird zum einen ein Überwachungsbereich 30 der Sensoreinheiten 26 auf die Scaneinheiten 22 geführt und zum anderen ein jeweiliger Strahl 32 der Strahlquellen 24 in den gleichen optischen Pfad eingekoppelt. Beide Sensoreinheiten 26 sind im vorliegenden Beispiel als on-axis-Sensoreinheiten 26 ausgebildet.

Die sekundäre Strahlquelle 24b ist dabei in Figur 1 im deaktivierten Zustand gezeigt, sodass von ihr kein Strahl 32b ausgeht.

Die primäre Strahlquelle 24a hingegen ist in Figur 1 im aktivierten Zustand gezeigt, sodass von ihr ein Strahl 32a ausgeht. Der Strahl 32a ist über die Scaneinheit 22a auf ein aufzubauendes Objekt 34 auf dem Baufeld 16 gerichtet, so dass er einen Zielpunkt 36a bestrahlt. Die Überwachungsbereiche 30 der Sensoreinheiten 26 sind über die jeweiligen Scaneinheiten 22 ebenfalls auf das Baufeld 16 gerichtet.

Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Verfahren mittels einer Herstelleinrichtung 10 durchgeführt wird, die keine sekundäre Strahlquelle 24b aufweist. Es kann jedoch weiter eine von der primären Strahlquelle 24a bzw. der primären Scaneinheit 22a unabhängige sekundäre Scaneinheit 22b vorgesehen sein, die es ermöglicht den Überwachungsbereich 30b der sekundären Sensoreinheit 26b über das Baufeld 16 zu bewegen.

Der Zielpunkt 36a der primären Scaneinheiten 22a wird vorliegend entlang einer Bewegungsrichtung 38 über das Baufeld 16 bewegt. Der Zielpunkt 36a ist dabei derjenige Bereich auf dem Baufeld 16 auf den die Scaneinheit 22 den entsprechenden Strahl 32 führt. Der Überwachungsbereich 30b wird dem Strahl 32a bzw. dem Zielpunkt 36a vorangeführt bewegt. Der Überwachungsbereich 30a hingegen ist auf den Zielpunkt 36a gerichtet und wird mit diesem mitbewegt.

Eine entsprechend Aufgebaute Herstelleinrichtung 10 mit nur einer Strahlquelle 24, Scaneinheit 22 und on-axis Sensoreinheit 26 ist in Figur 6 illustriert und kann ebenso das Verfahren durchführen.

In Figur 2 ist der Ablauf des Verfahrens zum Betrieb der Herstelleinrichtung illustriert.

Block 101 illustriert ein Bestrahlen eines Punkts auf dem Baufeld. Block 103 illustriert ein Bewegen des bestrahlten Punkts. Block 105 illustriert eine während der Bewegung durchgeführte Anpassung der Bestrahlungsparameter.

In Figur 3 ist der Ablauf des Verfahrens zum Erstellen eines Prozessfensters illustriert.

Block 201 illustriert ein Bestrahlen eines Punkts auf dem Baufeld zum Aufbau eines Referenzobjekts. Block 203 illustriert ein Erfassen und Aufzeichnen der lokalen Bestrahlungsparameter. Block 205 illustriert ein hierzu zeitgleich erfolgendes Überwachen des Aufbauvorgangs durch Erfassen und Aufzeichnen der lokalen Sensorsignale. Block 207 illustriert ein Prüfen der Referenzobjekte. Block 209 illustriert ein Erstellen eines ortsabhängigen Prozessfensters basierend auf den erfassten und aufgezeichneten Bestrahlungsparametern und Sensorsignalen sowie dem Ergebnis der Prüfung der Referenzobjekte. Das Prozessfenster gibt dabei einen Zusammenhang zwischen Sensorsignalen und zulässigen Werten für den Bestrahlungsparameter vor.

Wie in Fig. 3 durch die Verbindung zu dem Block 101 illustriert, können die erzeugten lokalen Prozessfenster anschließend genutzt werden, um die Bestrahlung mit den entsprechenden Bestrahlungsparametern durchzuführen.

In Figur 4 ist ein Blick auf das Baufeld 16 gezeigt, wobei dieses in Teilbereiche 40 unterteilt ist. Die Teilbereiche 40 sind vorliegend in hexagonaler Form ausgebildet. Jeder der Teilbereiche 40 weist einen Flächenschwerpunkt 42 auf. Die Flächenschwerpunkte 42 bilden jeweils Festpunkte 44.

Die im Schritt 203 und 205 erfassten Bestrahlungsparameter und Sensorsignale sind über die jeweiligen Teilbereiche 40 gemittelt worden. Anhand der gemittelten Werte wurde je Teilbereich 40 für den jeweiligen Festpunkt 44 ein Zusammenhang zwischen einem oder mehreren erfassten Sensorsignalen und Bestrahlungsparametern B und zulässigen Werten für die übrigen Bestrahlungsparameter ermittelt.

Figur 5 illustriert wie den unterschiedlichen Teilbereichen 40 bzw. Festpunkten 44 unterschiedliche Prozessfenster 46 zugeordnet sind. Die je Teilbereich 40 einem Sensorsignal S eine Menge 48 an zulässigen Bestrahlungsparametern B sowie eine Menge 50 an bevorzugt zu verwendenden Bestrahlungsparametern B zuweisen. Soll nun ein Punkt 52, der auf keinem der Festpunkte 44 liegt bestrahlt werden, um ein Objekt 34 aufzubauen so werden die durch die Prozessfenster 46 der benachbart liegenden Festpunkte 44a, 44b und 44c linear interpoliert und so ein Prozessfenster 46 mit zulässigen Werten für den Punkt 52 ermittelt.

Fig. 6 illustriert, dass für diese Interpolation den jeweiligen den Punkt 52 umgebenden Festpunkten 44a - 44c jeweils zwischen den Festpunkten und dem Punkt 52 aufgespannte Dreiecke 54a - 54c als Gewichtungen der Festpunkte 44a - 44c verwendet werden können. Dabei wird jedem der Festpunkte 44a - 44c das ihm bzgl. des Punkts 52 gegenüberliegende Dreieck 54a -54c zugeordnet. Der Festpunkt 44a wird also mit der Fläche des Dreiecks 54a gewichtet und der Festpunkt 44b wird mit der Fläche des Dreiecks 54b gewichtet und der Festpunkt 44c wird entsprechend mit der Fläche des Dreiecks 54c gewichtet.

Das Prozessfenster des Punkts 52 ergibt sich damit im vorliegenden Beispiel aus der Summe der der jeweiligen

Produkte der Prozessfenster der Festpunkte 44a -44c mit den Flächen des sie jeweils gewichtenden Dreiecks 54a - 54c dividiert durch die Summe der Fläche der Dreiecke 54a-54c.