DE102014204528A1

DE102014204528A1 - Verfahren und Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen

Info

Publication number: DE102014204528A1
Application number: DE102014204528.2A
Authority: DE
Inventors: Jan Münzer; Michael Ott; Sebastian Piegert; Dimitrios Thomaidis
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2015-09-17

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Erstellen eines Bauteils (14) durch Auftragen von Material auf einen Grundkörper mittels selektivem Laserschmelzen beschrieben. Dabei wird (a) Material auf eine Oberfläche (13) des Grundkörpers aufgetragen, indem auf der Oberfläche (13) befindliches Pulver eines Pulverbettes (12) mittels eines Belichtungslasers (11) gemäß einer Vorgabe belichtet wird. Weiterhin wird (b) die Kontur der Oberfläche des aufgetragenen Materials erfasst, (c) die erfasste Kontur hinsichtlich vorgegebener geometrischer Maße mit einem Sollwert verglichen, und (d) im Falle von Abweichungen zwischen dem Sollwert und den Maßen der erfassten Kontur eine Bearbeitungsvorgabe erzeugt, die den Ort und das Volumen von überschüssigem aufgetragenen Material definiert. Anschließend wird (e) das überschüssig aufgetragene Material gemäß der Bearbeitungsvorgabe abgetragen, und es werden (f) die Schritte (b) bis (e) wiederholt bis die Maße der erfassten Kontur dem Sollwert entsprechen. Anschließend werden (g) die Schritte (a) bis (f) wiederholt.

Description

Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen eines Bauteils durch Auftragen von Material auf einen Grundkörper mittels selektivem Laserschmelzen und eine Anlage zum selektiven Laserschmelzen. Das Verfahren und die Vorrichtung oder Anlage eignen sich insbesondere zur Herstellung oder zur Bearbeitung eines Bauteils.
Hintergrund der Erfindung
Zur Herstellung eines Produktes oder eines Bauteils mittels selektivem Laserschmelzen (SLM – selective laser melting) wird ein Pulverbett mittels eines Laserstrahles gemäß einer Vorgabe, typischerweise einem vorgegebenem Belichtungsfile (Slice), belichtet. Ist eine Pulverschicht belichtet, so wird die Bauplattform abgesenkt und eine neue Schicht Pulver mittels eines Schiebers oder Rechens aufgebracht und dann erneut mit dem Laser belichtet.
Abweichungen von der vorgesehenen Korngröße im Pulver, verursacht zum Beispiel durch Oxidpartikel, Schmelzperlen oder, in der Größe abweichende Pulverpartikel, können zu maßlichen Abweichungen in der belichteten Schicht führen. Solche Abweichungen können nicht nur in maßlicher Hinsicht kritisch sein, sondern auch im Hinblick auf die Mikrostruktur des Bauteils und damit in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften. Weiterhin können die genannten Abweichungen als Keim für Defekte wirken, die sich über die folgenden Lagen ausprägen. Derzeit werden vorwiegend visuelle Kontrollmechanismen eingesetzt, die aber die beschriebenen Defekte nur unzureichend erfassen können.
Ebenso ist eine hohe Oberflächenrauhigkeit von RZ > 120 ein typisches Merkmal von mittels selektivem Laserschmelzen hergestellten Komponenten. Die hohe Oberflächenrauhigkeit ist mitunter unerwünscht und macht gegebenenfalls eine Nachbearbeitung der Oberfläche erforderlich. Zum Beispiel wird die Oberflächenrauhigkeit wird durch nachfolgende Strahlprozesse, Gleitschleifen oder andere abtragende Prozesse reduziert.
Beschreibung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein vorteilhaftes Verfahren zum Erstellen eines Bauteils durch Auftragen von Material auf einen Grundkörper mittels selektivem Laserschmelzen und eine vorteilhafte Anlage zum selektiven Laserschmelzen zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Erstellen eines Bauteils durch Auftragen von Material auf einen Grundkörper mittels selektivem Laserschmelzen gemäß Patentanspruch 1 und eine Anlage zum selektiven Laserschmelzen gemäß Patentanspruch 6 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erstellen eines Bauteils durch Auftragen von Material auf einen Grundkörper mittels selektivem Laserschmelzen wird in einem Schritt (a) Material auf eine Oberfläche des Grundkörpers aufgetragen, indem auf der Oberfläche befindliches Pulver eines Pulverbettes mittels eines Belichtungslasers gemäß einer Vorgabe belichtet wird, zum Beispiel gemäß einer Belichtungsvorgabe. In einem Schritt (b) wird die Kontur der Oberfläche des aufgetragenen Materials erfasst. Die erfasste Kontur wird in einem Schritt (c) hinsichtlich vorgegebener geometrischer Maße mit einem Sollwert, zum Beispiel einer Schichtgeometrievorgabe verglichen. Im Falle von Abweichungen zwischen dem Sollwert und den Maßen der erfassten Kontur wird in einem Schritt (d) eine Bearbeitungsvorgabe erzeugt, die den Ort und das Volumen von überschüssigem aufgetragenem Material definiert. In einem Schritt (e) wird das überschüssig aufgetragene Material gemäß der Bearbeitungsvorgabe abgetragen. Als Schritt (f) werden die Schritte (b) bis (e) wiederholt bis die Maße der erfassten Kontur dem Sollwert entsprechen. Anschließend werden die Schritte (a) bis (f) wiederholt, zum Beispiel bis Material einer vorgegebenen Schichtdicke aufgetragen ist oder bis eine vorgegebene Sollkontur des Bauteils erreicht ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich grundsätzlich zur Herstellung eines Bauteils und/oder zur Bearbeitung oder zur Reparatur eines Bauteils.
Vorzugsweise wird die Kontur der Oberfläche des aufgetragenen Materials mittel eines Laser-Scanners erfasst. Vorteilhafterweise kann die Kontur der Oberfläche des aufgetragenen Materials dreidimensional erfasst werden, also sowohl in einer x-y-Ebene als auch in der z-Ebene. Dabei kann es sich bei der x-y-Ebene um die Ebene des Pulverbettes handeln und bei der z-Ebene um die belichtete Bauhöhe handeln.
Das überschüssig aufgetragene Material wird bevorzugt mit Hilfe eines Abtraglasers, zum Beispiel mit Hilfe eines Femto-Sekunden-Lasers, gemäß der Bearbeitungsvorgabe abgetragen. Die Verwendung eines Femto-Sekunden Lasers hat den Vorteil, dass sich der Femto-Sekunden Laser durch eine extrem kurze Impulsrate auszeichnet, was hohe Sublimationsgeschwindigkeiten bzw. hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten erlaubt.
Die erfindungsgemäße Anlage zum selektiven Laserschmelzen umfasst einen Belichtungslaser zur Belichtung eines Pulverbettes zum Materialauftrag auf eine Oberfläche eines Bauteils. Die Anlage umfasst zudem einen Laser-Scanner zum Erfassen der Oberflächenkontur, zum Beispiel der Geometrie, der belichteten Fläche und einen Abtragslaser zum Abtragen von Material von der Oberfläche des Bauteils, insbesondere zum Abtragen von zuvor aufgetragenem, überschüssigem Material.
Die erfindungsgemäße Anlage eignet sich grundsätzlich zum Erstellen eines Bauteils, insbesondere zur Herstellung eines Bauteils und/oder zur Bearbeitung oder zur Reparatur eines Bauteils. Bei der Oberfläche des Bauteils, auf welche Material aufgetragen wird, kann es sich um eine Grundplatte, auf welche das Bauteil aufgebaut wird, oder um eine Oberfläche eines bereits vorhandenen Bauteils handeln.
Der Laser-Scanner ist bevorzugt zum Erfassen der Oberflächenkontur, insbesondere der Geometrie, der belichteten Fläche in drei Dimensionen ausgelegt.
Bei dem Abtragslaser kann es sich vorteilhafterweise um einen Femto-Sekunden-Laser handeln. Dieser ermöglicht hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten.
Grundsätzlich kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anlage das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden.
Die erfindungsgemäße Kombination von Belichtungslaser, Laser-Scanner und Abtragslaser, zum Beispiel Femto-Sekunden-Laser, in einer Anlage ermöglicht eine maßliche in situ Prozesskontrolle. Daneben ermöglicht insbesondere der Femto-Sekunden-Laser eine hohe Abtragsrate, bei minimaler Grundmaterialbeeinflussung. Ein weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit des frühzeitigen Erkennens von Abweichungen von der Sollkontur und deren sofortiger Korrektur. Daneben kann in situ sofort die Oberflächenqualität von inneren und äußeren Oberflächen auf den gewünschten Rz Wert angepasst werden.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Alle bisher und im Folgenden beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in einer beliebigen Kombination miteinander vorteilhaft. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsvarianten stellen lediglich Beispiele dar, welche den Gegenstand der Erfindung jedoch nicht beschränken.
1 zeigt schematisch ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anlage zum selektiven Laserschmelzen.
In Folgenden wird zunächst das erfindungsgemäße Verfahren anhand des in der 1 gezeigten Flussdiagramms erläutert. Der Start des Verfahrens ist mit der Bezugsziffer 1 gekennzeichnet. Zunächst wird mittels selektivem Laserschmelzen Material auf eine Oberfläche eines Grundkörpers oder eine Oberfläche eines Bauteils aufgetragen, indem auf der Oberfläche befindliches Pulver eines Pulverbettes mittels eines Belichtungslasers gemäß einer Vorgabe belichtet wird. Dieser Schritt (a) ist in der 1 mit der Bezugsziffer 2 gekennzeichnet.
Anschließend wird im Schritt (b), der in der 1 mit der der Bezugsziffer 3 gekennzeichnet ist, die Kontur der Oberfläche des aufgetragenen Materials erfasst. Dies erfolgt zum Beispiel mit einem Laser-Scanner. Die Kontur der Oberfläche des aufgetragenen Materials wird vorzugsweise dreidimensional erfasst.
In Schritt (c), der in der 1 mit der der Bezugsziffer 4 gekennzeichnet ist, wird die erfasste Kontur hinsichtlich vorgegebener geometrischer Maße mit einem Sollwert, zum Beispiel einer Schichtgeometrievorgabe, verglichen. Dabei kann die erfasste Kontur den Vorgaben bzw. dem Sollwert entsprechen oder es wurden Abweichungen von den Vorgaben bzw. dem Sollwert festgestellt.
Falls keine Abweichungen von den Vorgaben bzw. dem Sollwert vorliegen, wird in Schritt 7 gefragt, ob der Materialauftrag fortgesetzt werden soll. Falls ja, wird das Verfahren bei Schritt 2, also mit weiterem Materialauftrag fortgesetzt. Falls nein, also zum Beispiel wenn bereits Material einer vorgegebenen Schichtdicke aufgetragen ist oder eine vorgegebene Sollkontur des Bauteils erreicht ist, wird das Verfahren beendet. Dies ist in der 1 mit der Bezugsziffer 8 gekennzeichnet.
Falls in Schritt (c), siehe Bezugsziffer 4, Abweichungen zwischen dem Sollwert bzw. einer Vorgabe und den Maßen der erfassten Kontur festgestellt werden, wird in Schritt (d), der in der 1 mit der Bezugsziffer 5 gekennzeichnet ist, eine Bearbeitungsvorgabe erzeugt, die den Ort und das Volumen von überschüssig aufgetragenem Material definiert. Die Bearbeitungsvorgabe kann in Form eines Bearbeitungsfiles erzeugt werden.
Anschließend wird in Schritt (e), der in der 1 mit der Bezugsziffer 6 gekennzeichnet ist, das überschüssig aufgetragene Material gemäß der Bearbeitungsvorgabe abgetragen. Das überschüssig aufgetragene Material wird zum Beispiel mit Hilfe eines Abtraglasers, bevorzugt mit Hilfe eines Femto-Sekunden-Lasers gemäß der Bearbeitungsvorgabe abgetragen.
Als Schritt (f), der in der 1 mit einem Pfeil 9 gekennzeichnet ist, werden die Schritte (b) bis (e), siehe Bezugsziffern 3 bis 6, wiederholt bis bei Schritt (c), siehe Bezugsziffer 4, die Maße der erfassten Kontur dem Sollwert entsprechen, und das Verfahren wie oben beschrieben mit Schritt 7 fortgesetzt werden kann.
Zur Durchführung des Verfahrens werden neben dem Laser zur Belichtung des Pulverbetts gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zwei weitere Laser in die Anlage zum selektiven Laserschmelzen integriert.
Wie in der 2 schematisch gezeigt umfasst die Anlage 10 einen Belichtungslaser 11 zum Belichten eines Pulverbettes 12 und damit zum Materialauftrag auf eine Oberfläche 13 des zu erstellenden Bauteils 14. Das Bauteil 14 bzw. ein Grundkörper, auf den das Bauteil aufgebaut wird, ist beispielsweise in einer mit Pulvermaterial gefüllten Vorrichtung 18 angeordnet. Der Boden der Vorrichtung 18 umfasst einen Stempel 19, der während des Verfahrens schrittweise abgesenkt werden kann. Dies ist durch einen Pfeil 20 gekennzeichnet.
Die Anlage 10 umfasst zudem einen Scan-Laser oder Laser-Scanner 15 zum Erfassen der Geometrie der belichteten Fläche 13, bevorzugt in drei Dimensionen, zum Beispiel sowohl in der Eben des Pulverbettes 12 als x-y-Ebene, als auch in der z-Ebene, also in Richtung der belichteten Bauhöhe.
Der Scan-Laser oder Laser-Scanner 15 ist ausgelegt zur Messung der Maße des Pulverbettes 12 und des darin befindlichen Bauteils oder Produktes 14. Der Laser-Scanner 15 scannt die Oberflächenkontur des Pulverbettes und des darin befindlichen Bauteils oder Produktes beispielweise in zwei diskreten Schritten ab.
Die Anlage 10 umfasst weiterhin einen Abtragslaser 16. Hierzu wird zum Beispiel ein Femto-Sekunden-Laser in die Anlage integriert. Dieser Laser ist dazu ausgelegt Abweichungen in der Geometrie des belichteten Volumens abzutragen.
Zudem kann die Anlage 10 eine Steuer- und Regelungseinheit 17 umfassen, die beispielsweise mit dem Belichtungslaser 11 und/oder dem Laser-Scanner 15 und/oder dem Abtragslaser 16 dergestalt verbunden ist, dass zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche Daten übertragen und ausgewertet werden können.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anlage in Schritt 1 das Pulverbetts gemäß einer Vorgabe, insbesondere gemäß einem Slice File oder Belichtungsfile, mittels des Belichtungslasers belichtet. Schritt 2 erfolgt unmittelbar nach der Belichtung des Pulverbettes. Hier nimmt der Laser-Scanner die Kontur des belichteten Bereichs auf, insbesondere in x-y-Ebene des Pulverbettes und in der z-Ebene aus dem Pulverbett heraus, und vergleicht die Maße mit dem Sollwert aus der Vorgabe, zum Beispiel dem Belichtungsfile. Entstehen Abweichungen wird ein Bearbeitungsfile erzeugt, wobei das Volumen und der Ort des überschüssigen Materials definiert werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Steuer- und Regelungseinheit 17 erfolgen. Schritt 3 erfolgt nach dem Erstellen der Vorgabe, zum Beispiel des Bearbeitungsfiles. Dieses gibt dem Femto-Sekunden Laser vor wo und wieviel Volumen abzutragen ist. Schritt 4 erfolgt nach dem Abtrag von überschüssigem Material. Hier prüft der Laser-Scanner oder Scan Laser 15 erneut die Kontur des Belichteten Bereichs und vergleicht diesen gegen die Sollkontur. Je nach Resultat erfolgt nun Schritt 1 oder Schritt 3.

Claims

Verfahren zum Erstellen eines Bauteils (14) durch Auftragen von Material auf einen Grundkörper mittels selektivem Laserschmelzen, wobei (a) Material auf eine Oberfläche (13) des Grundkörpers aufgetragen wird, indem auf der Oberfläche (13) befindliches Pulver eines Pulverbettes (12) mittels eines Belichtungslasers (11) gemäß einer Vorgabe belichtet wird, (b) die Kontur der Oberfläche des aufgetragenen Materials erfasst wird, (c) die erfasste Kontur hinsichtlich vorgegebener geometrischer Maße mit einem Sollwert verglichen wird, (d) im Falle von Abweichungen zwischen dem Sollwert und den Maßen der erfassten Kontur eine Bearbeitungsvorgabe erzeugt wird, die den Ort und das Volumen von überschüssigem aufgetragenen Material definiert, (e) das überschüssig aufgetragene Material gemäß der Bearbeitungsvorgabe abgetragen wird, (f)die Schritte (b) bis (e) wiederholt werden bis die Maße der erfassten Kontur dem Sollwert entsprechen, und anschließend (g) die Schritte (a) bis (f) wiederholt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Oberfläche (13) des aufgetragenen Materials mittels eines Laser-Scanners (15) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Oberfläche (13) des aufgetragenen Materials dreidimensional erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das überschüssig aufgetragene Material mit Hilfe eines Abtraglasers (16) gemäß der Bearbeitungsvorgabe abgetragen wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das überschüssig aufgetragene Material mit Hilfe eines Femto-Sekunden-Lasers gemäß der Bearbeitungsvorgabe abgetragen wird.
Anlage zum selektiven Laserschmelzen (10), welche einen Belichtungslaser (11) zur Belichtung eines Pulverbettes (12) zum Materialauftrag auf eine Oberfläche (13) eines Bauteils (14) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (10) einen Laser-Scanner (15) zum Erfassen der Oberflächenkontur der belichteten Fläche und einen Abtragslaser (16) zum Abtragen von Material von der Oberfläche (13) des Bauteils (14) umfasst.
Anlage (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser-Scanner (15) zum Erfassen der Oberflächenkontur der belichteten Fläche in drei Dimensionen ausgelegt ist.
Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Abtragslaser (16) um einen Femto-Sekunden-Laser handelt.