DE10231136A1

DE10231136A1 - Selektives Lasersintern mit verschachteltem Auffüllscan

Info

Publication number: DE10231136A1
Application number: DE10231136A
Authority: DE
Inventors: James F Darrah; Xiaoshu Xu
Original assignee: 3D Systems Inc
Current assignee: 3D Systems Inc
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2003-02-13
Also published as: GB2378151A; US6694207B2; ITTO20020685A0; JP2003127238A; US20030028278A1; FR2828423A1; GB0118652D0; ITTO20020685A1

Abstract

Eine computergesteuerte Vorrichtung und ein Verfahren zur schichtweisen Herstellung dreidimensionaler Gegenstände wird offenbart. Nach der Abgabe einer Schicht von schmelzbarem Pulver bestrahlt ein Laser ausgewählte Orte dieser Schicht, um das Pulver in einen Querschnitt eines in dieser Schicht zu bildenden Gegenstandes zu schmelzen, so dass die aufgeschmolzenen Querschnitte in den Gegenstand zusammenschmelzen. Der Laser wird in einer rasterartigen Scanweise über ausgewählte Bereiche der Pulverschicht gesteuert. Die Scanlinien des parallelen Rasters sind voneinander (Mittellinie-zu-Mittellinie) getrennt gemäß einem ausgewählten Zwischenraum oder einem Wert für den Auffüllscanabstand. Die Positionen der parallelen Scanlinien werden in Bezug auf ein Koordinatensystem an der Pulverschicht bestimmt, statt im Bezug auf Grenzen des Querschnitts, der gerade hergestellt wird. In alternierenden Schichten sind die parallelen Scanlinien zueinander um den halben Zwischenraum versetzt. Diese Anordnung der Scanlinien optimiert die strukturelle Stärke des herzustellenden Gegenstandes, während es die Anzahl der Scans, die zum Bilden des Gegenstands erforderlich sind, minimiert.

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft den Bereich der schnellen Herstellung von Prototypen (rapid prototyping) und ist insbesondere auf die Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch selektives Lasersintern gerichtet.
Der Bereich der schnellen Herstellung von Prototypen von Bauteilen hat in den letzten Jahren signifikante Fortschritte gemacht bei der Bereitstellung von Bauteilen einer hohen Festigkeit und einer hohen Dichte zur Verwendung bei der Konstruktion und der Pilotproduktion von vielen nützlichen Gegenständen. Der Begriff "rapid prototyping" bezeichnet im Allgemeinen die direkte Herstellung von Gegenständen, basierend auf Daten eines computergestützten Entwurfs (computer-aided design, CAD) in automatischer Weise anstelle der konventionellen Maschinenherstellung von Prototypen nach Konstruktionszeichnungen. Im Ergebnis ist die Zeit, die zur Herstellung von Prototyp-Bauteilen nach Konstruktionsentwürfen benötigt wird, von mehreren Wochen auf wenige Stunden reduziert worden.
Zur Erläuterung des Hintergrunds ist ein Beispiel einer Rapid-Prototyping- Technologie das Verfahren des selektiven Lasersintems, das in Systemen durchgeführt wird, die von der DTM Corporation aus Austin, Texas erhältlich sind. Dabei werden Gegenstände aus einem durch einen Laser verschmelzbaren Pulver schichtweise hergestellt. Nach diesem Verfahren wird eine dünne Lage eines Pulvers abgegeben und daraufhin durch Laserenergie zusammengeschmolzen oder gesintert, die auf die Bereiche gerichtet ist, die einem Querschnitt des Gegenstands entsprechen. Konventionelle Systeme zum selektiven Lasersintern wie z. B. das System SINTERSTATION 2500 Plus, das von der DTM Corporation erhältlich ist, positionieren den Laserstrahl durch von einem Galvanometer angetriebene Spiegel, die den Laserstrahl ablenken. Die Ablenkung des Laserstrahls wird in Kombination mit einer Modulation des Lasers selbst gesteuert, um Laserenergie auf die Bereiche in der zusammenschmelzbaren Pulverschicht zu richten, die dem Querschnitt des zu bildenden Gegenstandes in dieser Schicht entsprechen. Der Laser kann rasterartig über das Pulver gescannt werden, wobei eine Modulation des Lasers in Kombination damit bewirkt wird, oder der Laser kann in einer vektorartigen Weise ausgerichtet werden. In einigen Anwendungen werden Querschnitte von Gegenständen in einer Pulverschicht gebildet, indem das Pulver entlang des Umrisses des Querschnittes in einer vektorartigen Weise verschmolzen wird, entweder vor oder nach einem Rasterscan, der den Bereich innerhalb des mit dem Vektor gezogenen Umrisses "füllt". In jedem Fall wird nach dem selektiven Verschmelzen von Pulver in einer gegebenen Schicht eine zusätzliche Schicht an Pulver abgegeben und der Vorgang wiederholt, wobei zusammengeschmolzene Bereiche von späteren Lagen mit zusammengeschmolzenen Bereichen von vorausgehenden Lagen verschmelzen (so wie es für den Gegenstand geeignet ist), bis der Gegenstand vollständig ist.

Eine detaillierte Beschreibung der Technologie des selektiven Lasersinterns findet sich im US-Patent mit der Nummer 4,863,538, dem US-Patent mit der Nummer 5,132,143 und dem US-Patent mit der Nummer 4,944,817, die alle auf den Verwaltungsrat der Universität des Texassystems übertragen sind und im US-Patent mit der Nummer 4,247,508, das auf die DTM Corporation übertragen ist und die alle hiermit durch Referenz mitaufgenommen sind. Steuersysteme für die Laserleistung für Systeme zum selektiven Lasersintern sind in dem US-Patent mit der Nummer 6,985,122 beschrieben, das am 4. Juli 2000 erteilt worden ist und im US- Patent mit der Nummer 6,151,345, das am 21. November 2000 erteilt worden ist, die beide auf die DTM Corporation übertragen sind und hiermit ebenfalls durch Referenz aufgenommen werden. Zur weiteren Erläuterung des Hintergrunds beschreibt das US-Patent mit der Nummer 5,352,405, das am 4. Oktober 1994 erteilt worden ist und das auf die DTM Corporation übertragen worden ist und hiermit durch Referenz mitaufgenommen wird, ein Verfahren zum Scannen des Lasers über das Pulver in einer Vorrichtung zum selektiven Lasersintern, um eine gleichförmige Rückkehrzeit des Lasers über benachbarte Pulverbereiche bereitzustellen, wodurch gleichförmige thermische Bedingungen über den Querschnitt von jedem von verschiedenen Bauteilen innerhalb desselben Aufbauzylinders bereitgestellt werden.

Die Technologie des selektiven Lasersinterns hat die direkte Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen hoher Auflösung und Dimensionsgenauigkeit aus einer Vielzahl von Materialien inklusive Polystyrol, Nylon, anderen Kunststoffen und Verbundstoffen wie z. B. polymerbeschichteten Metallen und Keramiken ermöglicht. Bauteile aus Polystyrol können bei der Erzeugung von Werkzeugen durch das wohlbekannte Verfahren mit "verlorenem Wachs" verwendet werden. Zusätzlich kann selektives Lasersintern für die direkte Herstellung von Formen aus einer CAD-Datenbankdarstellung des in den hergestellten Formen zu formenden Objektes verwendet werden; in diesem Fall werden Computervorgänge die CAD-Datenbankdarstellung des herzustellenden Objekts "invertieren", um direkt die negativen Formen aus dem Pulver zu formen.

Fig. 1 erläutert zum Hintergrund die Konstruktion und den Betrieb eines konventionellen Systems 100 zum selektiven Lasersintern. Wie in Fig. 1 gezeigt umfasst ein System 100 zum selektiven Lasersintern eine Kammer 102, wobei der Klarheit wegen die Fronttüren und die Oberseite der Kammer 102 in Fig. 2 nicht gezeigt sind. Die Kammer 102 hält die geeignete Temperatur und die atmosphärische Bedingung (typischerweise eine inerte Atmosphäre, z. B. Stickstoff) für die Fabrikation des Gegenstandes aufrecht. Das System zur Lieferung des Pulvers im System 100 umfasst einen Zuführzylinder 114, der von einem Motor 116gesteuert wird, um sich nach oben zu bewegen und um ein Volumen des Pulvers in die Kammer 102 anzuheben. Für eine effiziente und flexible Ausbringung des Pulvers können zwei Zylinder 114 auf den beiden Seiten des Zylinders 106 für das Bauteil bereitgestellt werden, so wie es in dem System der SINTERSTATION 2500 Plus verwendet wird, die von der DTM Corporation erhältlich ist. Der Zylinder 106 für das Bauteil wird von einem Motor 108 gesteuert, um sich um ein geringes Maß unterhalb des Bodens der Kammer 102 zu bewegen, beispielsweise 0,12 Millimeter, um die Dicke von jeder zu verarbeitenden Pulverschicht zu definieren. Die Rolle 118 ist eine in Gegenrichtung rotierende Rolle, die Pulver vom Zuführzylinder 114 auf die Zieloberfläche 104 überträgt. Die Zieloberfläche 104 bezieht sich zum Zwecke der folgenden Beschreibung auf die Oberfläche des durch Hitze zusammenschmelzbaren Pulvers (einschließlich von zuvor gesinterten Bereichen, falls anwesend), das sich oberhalb des Zylinders 106 für das Bauteil befindet; das gesinterte und ungesinterte Pulver, das sich auf dem Zylinder 106 für das Bauteil befindet, wird im Folgenden als das Bauteilbett 107 bezeichnet. Ein weiteres bekanntes Zuführsystem führt das Pulver von oberhalb des Zylinders 106 für das Bauteil vor einer Abgabeeinrichtung zu, wie z. B. einer Rolle oder einem Abstreifer.
In dem konventionellen System 100 zum selektiven Lasersintern aus Fig. 1 wird ein Laserstrahl durch einen Laser 110 erzeugt und durch ein Scansystem 142, das im Allgemeinen durch Galvanometer angetriebene Spiegel umfasst, die den Laserstrahl ablenken, auf eine Zieloberfläche 104 gerichtet. Die Ablenkung des Laserstrahls wird in Kombination mit der Modulation des Laser 110 selbst gesteuert, um die Laserenergie auf die Bereiche der zusammenschmelzbaren Pulverschicht zu richten, die dem Querschnitt des in der Schicht zu bildenden Gegenstands entspricht. Das Scansystem 142 kann den Laserstrahl über das Pulver in einer rasterartigen Weise oder in einer vektorartigen Weise scannen. Querschnitte von Gegenständen werden in einer Pulverschicht häufig gebildet, indem der Laserstrahl in einer vektorartigen Weise entlang des Umrisses des Querschnittes gescannt wird, in Kombination mit einem Rasterscan, der den Bereich des innerhalb mit einem Vektor gezogenen Umrisses "auffüllt".
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2a bis 2c wird jetzt die Beziehung von aufeinanderfolgenden Auffüllscans unter verschiedenen Bauteilen im gleichen Aufbauzylinder und unter aufeinanderfolgenden gescannten Schichten in einem konventionellen Verfahren zum selektiven Lasersintern beschrieben werden. Fig. 2a ist eine schematische Aufsicht eines Teils einer Pulverschicht an der Zieloberfläche 104, an der Querschnitte 152a, 154a, 156a in einer gegenwärtigen Pulverschicht für drei unterschiedliche Bauteile oder Objekte, die in dem Aufbauzyklus hergestellt werden, gebildet werden. Diese Querschnitte 152a, 154a, 156a werden in diesem Beispiel durch eine Kombination eines Vektorumrisses und einer Rasterscanfüllung, wie oben erläutert, erzeugt. Wie in der Querschnittsansicht aus Fig. 2c gezeigt, definieren die vektorartigen Umrissscans 160 die äußeren Grenzen von jedem Querschnitt 152a, 154a, 156a und Auffüllscans 162 füllen das Innere von jedem der Querschnitte 152a, 154a, 156a in einer rasterscanartigen Weise. Die Vektorumrisse 160 sind in Fig. 2a (und Fig. 2b) der Einfachheit halber nicht gezeigt. Fig. 2b erläutert in Aufsicht das Scannen der Querschnitte 152b, 154b, 156b in der nächsten Pulverschicht.
Wie in den Fig. 2a bis 2c gezeigt, wird das Rastern der Auffüllscans 162 in einer "X-schnell"-Weise ausgeführt, in der jeder Scan des Laserstrahls parallel zur X- Achse verläuft. Umgekehrt ist die "langsame" Achse in diesem Beispiel die Y- Achse, da der Scanpfad in der Y-Richtung nach Abschluss von jedem Scan in X- Richtung zunimmt. Typischerweise wechselt die Richtung, in der die Scans zunehmen, von Schicht zu Schicht. In diesem Beispiel ist die Richtung der langsamen Achsen in den Querschnitten 152a, 154a, 156a (Fig. 2a) die +Y-Richtung, während die Richtung der langsamen Achse in den nächsten Querschnitten 152b, 154b, 156b (Fig. 2b) die -Y-Richtung ist. Der Abstand zwischen benachbarten Auffüllscans 162 wird durch einen Abstand L zwischen benachbarten Auffüllscans 162 definiert, so wie es in den Fig. 2a und c gezeigt ist. Der Abstand L oder zumindest sein maximal spezifizierter Wert wird definiert als ein Kompromiss zwischen struktureller Stärke des gesinterten Gegenstands (die mit abnehmendem L zunimmt) und der Herstellungsgeschwindigkeit (die natürlich mit zunehmendem L zunimmt). Es versteht sich, dass der Abstand L von der jeweiligen Anwendung des entstehenden Gegenstandes abhängt, vom spezifischen verwendeten Pulvermaterial und von anderen Faktoren.
Der Abstand zwischen benachbarten Auffüllscans 162 definiert natürlich nur partiell den Ort der Scans 162; die absolute Positionierung der Auffüllscans 162 innerhalb einer Lage hängt ferner vom Ort des Anfangsscans im Querschnitt ab. Gemäß dieses konventionellen Verfahrens wird die Position der Auffüllscans 162 innerhalb eines gegebenen Querschnitts 152a, 154a, 156a bestimmt, relativ zu den äußeren Grenzen dieses Querschnitts und hängt vom Abstand L ab. Dieses Positionieren basiert auf dem äußeren Umfang, selbst wenn dieser äußere Umfang nicht als ein Vektor durch den Laserstrahl gezeichnet wird. Fig. 2c erläutert für den Querschnitt 154a, in dem die +Y-Richtung die Zunahmerichtung der langsamen Achse ist, dass der erste Auffüllscan an eine Position gesetzt wird, die einen Abstand L vom am weitesten rechts gelegenen Vektorscan 160 hat (gemessen von der Mittellinie zur Mittellinie). Jeder nachfolgende Scan 160 im Querschnitt 154a wird daraufhin durch einen Abstand L von dem vorangegangenen Auffüllscan 162 getrennt (ebenfalls gemessen Mittellinie zu Mittellinie) solange fortfahrend, bis der letzte Auffüllscan 162 innerhalb des Querschnittes 154a durchgeführt wird. In Fig. 2c sind die Auffüllscans 162 zur Klarheit in einer nicht-überlappenden Weise schematisch dargestellt; tatsächlich werden sich benachbarte Auffüllscans 162 gegenseitig überlappen, so dass das Pulver bei benachbarten Auffüllscans 162 miteinander in eine Masse verschmelzen wird.
Unter erneuter Bezugnahme auf die Fig. 2a führt die Definition der Positionen der Auffüllscans 162 innerhalb der Querschnitte 152a, 154a, 156a basierend auf den Rändern von jedem Querschnitt dazu, dass die Auffüllscans 162 nicht notwendigerweise kollinear zueinander ausgerichtet sind. Beispielsweise sind die Auffüllscans des Querschnitts 154a in Y-Richtung gegenüber Auffüllscans 162 der Querschnitte 152a, 156a versetzt. Wie sich aus Fig. 2a ergibt, verursacht dieser Versatz unter den Querschnitten 152a, 154a, 156a, dass eine große Anzahl von Scanlinien bei der Herstellung dieser Gegenstände gezeichnet werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2b werden gemäß dieses konventionellen Verfahrens als nächstes Querschnitte 152b, 154b, 156b gebildet nach dem Aufbringen und Verteilen der nächsten Pulverschicht über die Schicht, in der die Querschnitte 152a, 154a, 156a gebildet wurden. Die Querschnitte 152b, 154b, 156b werden daraufhin durch Vektorscans 160 (Fig. 2c) und Auffüllscans 162 gebildet. In diesem Beispiel sind wie in Fig. 2c gezeigt die Querschnitte 152b, 154b, 156b identisch (in X- und Y-Richtungen) zu den Querschnitten 152a, 154a, 156a und somit liegen die Vektorscans 160 übereinander in den beiden Schichten.
Wie oben angegeben ist die Richtung der Zunahme entlang der langsamen Achse für die Querschnitte 152b, 154b, 156b relativ zu den Querschnitten 152a, 154a, 156a entgegengesetzt. In diesem Beispiel nehmen die Querschnitte 152b, 154b, 156b in -Y-Richtung inkremental zu, während die Querschnitte 152a, 154a, 156a in +y-Richtung inkremental zunehmen. Wie in Fig. 2c gezeigt wird der erste Auffüllscan 162, der vom Vektorscan 160, der am weitesten links liegt, entlang der -Y-Achse fortschreitet, von diesem Vektorscan 160 durch den Abstand L getrennt. Jeder nachfolgende Auffüllscan 162 ist vom vorangegangen Auffüllscan 162 durch den Abstand L getrennt, so wie im vorangegangen Fall 152a, 154a, 156a.
Es ist ferner im Zusammenhang mit dieser Erfindung beobachtet worden, dass diese konventionelle Definition des Ortes der Auffüllscans 162 basierend auf den äußeren Grenzen dazu führt, dass die Auffüllscans 162 keinen Bezug zueinander haben, wenn sie zwischen den Schichten betrachtet werden. Wie man aus Fig. 2c erkennen kann, ist beispielsweise der Abstand zwischen einem Auffüllscan 162 in einer oberen Schicht und den benachbarten Auffüllscans 162 in der unmittelbar darunter befindlichen Schicht nicht gleichmäßig. Im Beispiel aus Fig. 2c ist der Auffüllscan 162 im Querschnitt 154b von einem benachbarten Auffüllscan 162 im Querschnitt 154a durch einen Abstand d₁ getrennt und von dem anderen benachbarten Auffüllscan 162 im Querschnitt 154a durch einen Abstand d₂, der viel kleiner ist als der Abstand d₁. Die Stärke der Bindung zwischen den Querschnitten 154a, 154b wird daher durch den größeren Abstand d₁ begrenzt. Der schlimmste Fall dieses Abstands tritt auf, wenn Auffüllscans 162 in benachbarten Schichten exakt aufeinander liegen, so dass der Abstand d₂ minimal wird und der Abstand d₁ maximal wird.
Mit einer geometrischen Analyse ist im Zusammenhang mit der Erfindung beobachtet worden, dass der Abstand L zwischen benachbarten Scans in derselben Schicht den maximal möglichen Abstand d₁ definiert, der bei der Herstellung eines gegebenen Gegenstands auftreten kann. Umgekehrt begrenzt die strukturelle Stärke des gesinterten Gegenstandes, die zu einem großen Teil von dem maximalen Abstand d₁ zwischen benachbarten Auffüllscans 162 in benachbarten Schichten abhängt, den Abstand L zwischen Auffüllscans 162 in derselben Schicht. Um die gewünschte strukturelle Stärke zu garantieren, muss der Abstand L unter der Annahme der Bedingung des schlimmsten Falls für die Auffüllscans 162 ausgewählt werden, d. h. ein Fall indem die Auffüllscans 162 in aufeinanderfolgenden Schichten aufeinander liegen. Es werden jedoch viele Gegenstände gebildet, in denen die Bedingung des schlimmsten Falls nicht vorliegt und die tatsächlichen Abstände d₁ daher geringer sind als das Maximum. In diesen Fällen wird daher der Abstand L zwischen den Auffüllscans 162 in derselben Schicht, der gemäß der Bedingung für den schlimmsten Fall definiert worden ist, kleiner als nötig sein, was zu einer längeren Aufbauzeit für jeden Querschnitt des Gegenstandes führt, als es notwendig wäre, um eine geeignete strukturelle Stärke zu erzielen.
Als eine weitere Druckschrift zur Erläuterung des technischen Hintergrunds beschreibt das US-Patent mit der Nummer 5,711,911 zahlreiche Techniken, um Vektorscans bei der Bildung eines Objekts aus einem flüssigen Fotopolymer durch Stereolithografie zu bilden. Die in diesem Dokument offenbarte Technik betrifft verschiedene Begrenzungen bei der Textur und Dicke der durch Licht ausgehärteten Flüssigkeiten. Eine dieser offenbarten Techniken bringt das Verschachteln von Scans innerhalb derselben Schicht des flüssigen Fotopolymers mit sich. Insbesondere offenbart dieses Dokument, das eine Schicht eines flüssigen Fotopolymers in einer ersten Überstreichung unter der Verwendung von nicht- aufeinanderfolgenden Auffüllscanvektoren gescannt wird; eine zweite Überstreichung vervollständigt den Vorgang der Fotoexposition, indem die Scanlinien zwischen den Scans der ersten Überstreichung gescannt werden.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen von ein oder mehreren Gegenständen durch selektives Lasersintern bereitzustellen, in dem die Aufbauzeit in jeder Schicht minimiert wird.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, in dem die strukturelle Stärke der hergestellten Gegenstände nicht abnimmt trotz einer Verringerung der Anzahl der Auffüllscans.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, in dem die strukturelle Stärke der hergestellten Gegenstände gleichförmig ist.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird der Fachmann erkenne unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung zusammen mit ihren Zeichnungen.
Die vorliegende Erfindung kann beim selektiven Lasersintern eines dreidimensionalen Gegenstands implementiert werden, bei dem der Gegenstand schichtweise durch Sintern oder Schmelzen oder erneute Verfestigung eines Pulvers gebildet wird. Gemäß dieser Erfindung werden die Querschnitte von in einer gegebenen Schicht gebildeten Gegenständen rasterartig mit einem ausgewählten Linie-zu- Linie-Abstand zwischen Auffüllscans gescannt, ausgehend von einer beliebigen Position in der Schicht. In der nachfolgenden Pulverschicht, die über der vorangegangenen Schicht abgegeben wird, werden die Querschnitte der Gegenstände mit demselben Abstand rasterartig gescannt, wobei jedoch der Ort der Scanlinien im Wesentlichen in der Mitte zwischen den Orten der Scanlinien der vorangegangenen Schichten angeordnet wird. Indem Scanlinien in aufeinanderfolgenden Schichten relativ zueinander angeordnet werden anstatt relativ zu den Grenzen des Objektquerschnitts in dieser Schicht, kann die Anzahl der für die Bildung des Gegenstands oder der Gegenstände benötigten Scans reduziert werden, vielleicht um bis zu einem Faktor 2, ohne die strukturelle Stärke des auf diese Weise gebildeten Gegenstands zu verschlechtern.

Kurze Beschreibung der zahlreichen Ansichten der Zeichnung

Fig. 1 ist ein schematisches Diagram in perspektivischer Ansicht einer konventionelle Vorrichtung zum selektiven Lasersintern,
Fig. 2a und b sind Aufsichten, die schematisch das Scannen von aufeinanderfolgenden Pulverschichten beim konventionellen selektiven Lasersintern erläutern,
Fig. 2c ist eine Querschnittsansicht eines in den Fig. 2a und 2b erläuterten Gegenstandes gemäß dem konventionellen Lasersintern,
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm, das in einer perspektivischen Ansicht eine Vorrichtung zum selektiven Lasersintern zeigt, die das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet,
Fig. 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum selektiven Lasersintern gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung erläutert,
Fig. 5 ist ein Flussdiagramm, das die Erzeugung von Vektoren für Querschnitte von zu bauenden Gegenständen erläutert beim Verfahren des selektiven Lasersinterns gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 6a und b sind Aufsichten und Fig. 6c ist eine Querschnittsansicht, die den Vorgang des Verfahrens zum selektiven Lasersintern des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung bei aufeinanderfolgenden Pulverschichten erläutert.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Wie man aus der nachfolgenden Beschreibung erkennen kann, ist die vorliegende Erfindung nützlich, wenn sie auf Rapid Prototyping Systeme angewendet wird, die Laser verwenden, um Gegenstände aus computerlesbaren Darstellungen dieser Gegenstände herzustellen, beispielsweise Darstellungen, die durch Systeme zum computerunterstützten Entwerfen (Computer-Aided-Design, CAD) oder computerunterstützte Herstellung (Computer-Aided-Manufacturing, CAM) erzeugt worden sind. Es ist denkbar, dass die vorliegende Erfindung besonders nützlich ist, wenn sie auf Rapid Prototyping Verfahren angewendet wird, die auf thermischen Mechanismen basieren. Es ist dem Fachmann wohl bekannt, dass selektives Lasersintern ein Ansatz für das Rapid Prototyping ist, der den thermischen Mechanismus verwendet, um den Gegenstand zu bilden, wobei Pulverpartikel in ausgewählten Bereichen von jeder einer Abfolge von Schichten miteinander verschmolzen werden an Orten, die eine Laserenergie empfangen. Das Verschmelzen oder Binden der Partikel an ausgewählten Orten erfolgt durch Sintern (in seinem traditionellen Sinne), Verschmelzen oder erneute Verfestigung, den Start einer chemischen Reaktion (einschließlich der Aushärtung unter Wärmeeinfluss) oder irgendeinem anderen auf Wärme basierenden Mechanismus; für die Zwecke dieser Beschreibung und in Übereinstimmung mit dem Bereich des Rapid Prototyping werden alle diese Mechanismen als "Sintern" bezeichnet. Dementsprechend ist die folgende Beschreibung auf ein System zum selektiven Lasersintern gerichtet. Es versteht sich natürlich, dass die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, um bei anderen Arten von Rapid Prototyping Systemen, die einen thermischen Mechanismus mit sich bringen, Vorteile zu erzielen.
Die Herstellung eines Querschnitts des gewünschten Gegenstandes oder der Gegenstände wird durch einen Laser 110 bewirkt, der einen Strahl bereitstellt, der durch das Scansystem 142 in einer Weise ausgerichtet wird, wie es in den oben angegebenen US-Patenten beschrieben ist, und wie es im Folgenden in Bezug auf Fig. 3 beschrieben wird. Der Laser 110 umfasst zusätzlich zum Laser selbst solch konventionelle Steuerelemente, wie sie in dem oben genannten US-Patent mit der Nummer 4,863,538 beschrieben sind beispielsweise einschließlich einer Frontspiegeleinheit und Fokussierungselementen wie z. B. divergierenden oder konvergierenden Linsen. Die Art des Lasers 110 hängt von vielen Faktoren ab, und insbesondere von der Art des Pulvers, das gesintert werden soll. Für viele Arten von konventionellen Pulvern ist ein bevorzugter Laser ein 100 Watt CO₂- Laser mit kontrollierbarem Leistungsausgang, obwohl bei manchen Materialien Laser mit einer niedrigen Ausgangsleistung von bis zu 25 Watt nützlich sind. Wenn der Laser 110 angeschaltet ist, emittiert er einen Laserstrahl 105 der sich im Allgemeinen entlang des Pfades bewegt, der in Fig. 3 durch die Pfeile gekennzeichnet ist. Der Computer 140 und das Scansystem 142 steuern die Richtung des Laserstrahls 105, wenn er auf die Zieloberfläche 104 fällt. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst der Computer 140 einen steuernden Mikroprozessor für das Scansystem 142 und umfasst ferner ein System zum Speichern einer computerlesbaren Darstellung des Gegenstandes oder der Gegenstände die gerade hergestellt werden, wie z. B. eine CAD/CAM Datenbank oder Dateien, die aus solch einer Datenbank erzeugt worden sind, zumindest in einer schnittweisen Form, wenn nicht in ihrer Gesamtheit, um die Dimensionen des oder der gerade hergestellten Gegenstände zu definieren. Eine konventionelle PC- Arbeitsstation, wie z. B. ein auf einen Mikroprozessor basierender Personalcomputer, der Gleitkomma-Fähigkeiten umfasst, ist zur Verwendung als Computer 140 im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung geeignet. Der Computer 140 erzeugt Signale auf den Leitungen AIM an den Scanprozessor 103 im Scansystem 142, um den Laserstrahl 105 über die Zieloberfläche 104 gemäß dem Querschnitt des in der gegenwärtigen Pulverschicht zu bildenden Gegenstandes richtet. Das Steuersystem 150 für die Laserleistung steuert die Leistung des Lasers 110 in Antwort auf Steuersignale vom Computer 140 und Rückkopplungssignal vom Scanprozessor 103; ein Beispiel einer fortgeschrittenen Steuerung für die Laserleistung, das in Verbindung mit diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden, ist in dem oben durch Referenz mitaufgenommenen US-Patent mit der Nr. 6,151,345 beschrieben.
Das Scansystem 142 umfasst ein Prisma 144 um den Ausbreitungspfad des Laserstrahls 105 umzulenken; die Anzahl der Prismen 144 die erforderlich sind, um den Laserstrahl 105 auf den geeigneten Ort zu richten, basiert auf der physikalischen Anordnung der Vorrichtung. Alternativ dazu können - wie dem Fachmann wohl bekannt - ein oder mehrere feste Spiegel anstelle des Prismas 144 verwendet werden, um den Laserstrahl 105 umzulenken, in Abhängigkeit von der jeweiligen Anordnung des Systems 100. Das Scansystem 142 umfasst ferner ein Paar von Spiegeln 146, 147, die durch entsprechende Galvanometer 148, 149 angetrieben werden. Die Galvanometer 148, 149 sind mit ihren entsprechenden Spiegeln 146, 147 verbunden, um die Spiegel 146, 147 selektiv auszurichten und um das Ziel des Laserstrahls 105 zu steuern. Die Galvanometer 148, 149 sind senkrecht zueinander angeordnet, so dass die Spiegel 146, 147 nominal im rechten Winkel zueinander befestigt sind. Der Scanprozessor 103 im Scansystem 142 steuert die Bewegung der Galvanometer 148, 149, um das Ziel des Laserstrahls 105 innerhalb der Zieloberfläche 104 zu kontrollieren in Antwort auf Signale auf den Leitungen AIM vom Computer 140, die gemäß der computerlesbaren Darstellung erzeugt werden, die aus einer CAD/CAM Datenbank erzeugt worden ist, die den Querschnitt des in der Pulverschicht an der Zieloberfläche 104 zu bildenden Gegenstandes definiert.
Alternativ können andere Scansysteme in Verbindung mit dieser Erfindung verwendet werden, beispielsweise ein X-Y-Portalsystem (Gantry-System), das Energiestrahlen mit Hilfe eines faseroptischen Kabels liefert.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird im Folgenden der Betrieb des Computers 140 beim Steuern des Laserstrahls 105 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung detailliert beschrieben. Der Vorgang beginnt mit verschiedenen Prozessen, in denen Parameter für einen gegebenen Aufbauzyklus festgelegt werden. Wie dem Fachmann bekannt, bezeichnet ein Aufbauzyklus einen Betriebszyklus des Systems aus Fig. 3, in dem ein oder mehrere Gegenstände schichtweise in einem Bauteilbett 107 gebildet werden. Für diesen Aufbauzyklus wird das gewünschte Pulvermaterial wie im Stand der Technik üblich von einem menschlichen Anwender ausgewählt. Der Computer 140 wiederum liest eine Datei, um verschiedene Aufbauparameter zu laden, wie z. B. die Laserleistung, die Temperatur des Bauteilbetts u. ä.
Im Schritt 196 ermöglicht der Anwender des Systems 100 den verschachtelten Auffüllvorgang des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, indem er beispielsweise eine Flag im Computer 140 setzt. Nach dem Einschalten der verschachtelten Auffüllung setzt der Anwender des Systems 100 daraufhin im Schritt 198 einen Wert für den Parameter L des Auffüllscanabstands fest, der daraufhin vom Computer 140 für den Aufbauzyklus gespeichert wird. Der Parameter des Auffüllscanabstands ist der Abstand zwischen benachbarten Auffüllscanlinien beim Rasterscannen des Pulvers in diesem Aufbauzyklus. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Parameter L des Auffüllscanabstands der Zwischenraum oder die Distanz zwischen entsprechenden Punkten von benachbarten Rasterscans; beispielsweise entspricht der Parameter L für den Auffüllscanabstand einer Distanz einer Mittellinie zwischen benachbarten Scans. Alternativ dazu kann der Parameter L für den Auffüllscanabstand spezifiziert werden als ein Abstand zwischen benachbarten Scanlinien (wobei ein negativer Abstand im Allgemeinen eine Überlappung anzeigt) unter Berücksichtigung der Spot-Größe des Laserstrahls 105. Wie ferner weiter unten detailliert beschrieben wird, wird der Parameter L für den Auffüllscanabstand ausgewählt, um eine adäquate strukturelle Stärke des resultierenden Gegenstandes sicherzustellen und hängt von vielen Parametern des Aufbauzyklus ab, aber primär von der Schichtdicke. Andere wichtige Parameter, die den Parameter L für den Auffüllscanabstand beeinflussen, sind die Eigenschaften des Pulvermaterials, die übertragene Laserenergie (d. h. die Laserleistung und die Scanrate), die Kammertemperatur und die gewünschte Dichte des resultierenden Gegenstands. Beispielsweise werden einige Materialien wie z. B. auf NYLON-basierende Pulver beim Vorgang des selektiven Lasersintems vollständig aufgeschmolzen, während andere Materialien, wie z. B. polymerbeschichteter Stahl und amorphe Polymere nur am Umfang der Pulverpartikel aufgeschmolzen werden. Es wird angenommen, dass der Fachmann unter Bezugnahme auf diese Beschreibung leicht den Parameter L für den Auffüllscanabstand für ein gegebenes Material und einen Satz von Sinterbedingungen durch kleine Experimente ableiten kann. Es wird angenommen, dass der Parameter L für den Auffüllscanabstand im Allgemeinen einen Wert in der Größenordnung von einigen Zehnteln eines Millimeters haben wird.
Im Schritt 200 ordnet der menschliche Anwender des Systems 100 mit der Unterstützung des Computers 140 die herzustellenden Gegenstände innerhalb des Bauteilebetts 107 an. Typischerweise werden die herzustellenden Gegenstände angeordnet, um die Anzahl der in einem einzigen Aufbauzyklus herstellbaren Gegenstände zu maximieren. Im Schritt 202 lädt der Computer 140 die gewünschte Schichtdicke basierend auf einer Eingabe des Anwenders. Diese vorbereitenden Schritte 196, 198, 200 und 202 können natürlich in irgendeiner beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden.
Vor dem Schritt 204 in Fig. 4 empfängt der Computer 140 eine computerlesbare Darstellung der Gegenstände, die in dem gegenwärtigen Aufbauzyklus für das selektive Lasersintern gebildet werden sollen. Im Schritt 204 erzeugt der Computer 140 einen Satz von Umfangs- und Auffüllvektoren, die in einer gegebenen Pulverschicht gezogen werden, in Bezug auf ein Koordinatensystem des Bauteilbetts 107. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Schritt 204 in Realzeit während des Aufbaus selbst durchgeführt, beispielsweise indem die Vektoren für jede Schicht unmittelbar vor ihrem selektiven Lasersintern erzeugt wurden, oder alternativ dazu in einer zwischenspeichernden Weise, in der die Vektoren für die nächste Schicht während des selektiven Lasersinterns einer vorangehenden Schicht vorbereitet werden. Ferner kann alternativ dazu die Erzeugung der Vektoren im Schritt 104 als ein Stapelverarbeitungsvorgang für alle Schichten in dem Aufbauzyklus vor dem Beginn des selektiven Lasersinterns durchgeführt werden. Zusätzlich können alle oder Teile des Schritts 204 durch den Computer 140 im System 100 durchgeführt werden oder alternativ dazu durch einen separaten Off-Line-Computer. Für die Zwecke dieser Beschreibung wird der Schritt 204 beschrieben als ob er vom Computer 140 für jede Schicht k unmittelbar vor dem selektiven Lasersintern dieser Schicht durchgeführt wird.
Fig. 5 erläutert ausführlicher den Vorgang des Schritts 204 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie man unten erkennt, werden die Auffüllscans für jede Schicht gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im wesentlichen einer nach dem anderen erzeugt, für die gegenwärtige (oder nächste) Schicht des Pulvers, die vom Laserstrahl 105 selektiv gesintert werden soll. Um Speicher zu sparen wird daher der Schritt 222 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung als erstes durchgeführt, um die gespeicherten Auffüllscans für eine vorangegangene Schicht aus dem Speicher des Computers 140 zu löschen, sobald die gespeicherten Auffüllscans beim selektiven Lasersintern verwendet worden sind. Die Schicht für die die Auffüllscans gelöscht werden, kann die der gegenwärtigen Schicht unmittelbar vorausgehende Schicht sein, oder eine in dem Vorgang noch weiter zurückliegende Schicht, abhängig von den Speicherressourcen des Computers 140 und irgendeinem "Zwischenspeicher" der implementierten Vektorerzeugung. Im Schritt 224 "schneidet" der Computer effektiv die angeordneten CAD-Volumen-Darstellungen der in dem Aufbauzyklus zu bildenden Gegenstände für eine gegebene Pulverschicht, damit sie selektiv gesintert werden (die gegenwärtige Schicht hat den Index k), wodurch die Querschnitte der Gegenstände in der Schicht (k) definiert werden und die Positionen der Querschnitte innerhalb der entsprechenden Schicht (k) mit Bezug auf das Koordinatensystem des Bauteilbetts 107 bestimmt werden.
Wenn die Positionen der Querschnitte innerhalb des Bauteilbetts 107 für die gegenwärtige Schicht k bekannt sind, leitet der Computer 140 die vom Laserstrahl 105 in dieser Schicht zu ziehenden Vektoren daraus ab. Wie im Bereich des selektiven Lasersinterns bekannt ist, kann jeder Querschnitt des Gegenstandes ausschließlich durch einen Rasterscan des inneren Bereiches gebildet werden oder durch einen Rasterscan des Inneren in Verbindung mit dem Ziehen eines Vektors des Umfangs des Querschnitts. Solch ein Ziehen eines Vektors für den Umfang kann die Genauigkeit des Gegenstands verbessern und ferner eine glatte Oberflächentextur des Gegenstands insbesondere bei einigen Materialien bereitstellen. Wenn das Ziehen eines Umfangvektors für einen oder mehrere Gegenstände im Aufbauzyklus durchgeführt werden soll, wird der Schritt 226 vom Computer 140 durchgeführt und die Vektoren in der Schicht k, die vom Laserstrahl 105 beim Bestimmen des Umfangs für jeden Querschnitt gezogen werden, werden gespeichert.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Positionen der Auffüllscans für das Rasterscannen des Inneren der zu sinternden Querschnitte des Gegenstands von Schicht zu Schicht verschachtelt. Dementsprechend wird als nächstes die Entscheidung 227 durchgeführt, um festzulegen, ob die Schicht k eine ungerade oder eine gerade Nummer im gesamten Aufbauzyklus aufweist. Natürlich ist die Numerierung der Schicht beliebig, da die Durchführung des Schritts 227 lediglich eine verschachtelte Auffüllscanerzeugung für aufeinanderfolgende Schichten sicherstellen wird, wie man im Folgenden erkennen wird.
Bei einer Schicht k mit einer ungeraden Nummer, wird der Schritt 228O durchgeführt, um die langsame Scanrichtung für die erzeugten Auffüllscanvektoren festzulegen. In diesem Beispiel wird unter der Annahme, dass die gesinterte Schicht in der X-Y-Ebene liegt, die ±X-Richtung die sogenannte "Schnelle Scan"- Richtung sein, welches die Richtung ist, in der der Laserstrahl 105 sich beim Erzeugen eines einzelnen Rasterscans bewegt. Die "Langsam-Scan"-Richtung, d. h. die Richtung in der der Laserstrahl 105 von Scan-zu-Scan inkremental zunimmt, ist entweder die +Y-Richtung oder die -Y-Richtung abhängig von der Schicht k.
Im Schritt 228O wird die Langsam-Scan-Richtung auf die +Y-Richtung für Schichten k mit einer ungeraden Nummer festgesetzt.
Daraufhin wird vom Computer 140 der Schritt 230O durchgeführt, um die Position der Auffüllscans innerhalb der Schicht k mit einer ungeraden Nummer anzuordnen. Gemäß dieser beispielhaften Implementierung basieren diese Positionen auf der Koordinatenreferenz von Y = 0 wie im Folgenden mit Bezugnahme auf Fig. 6a beschrieben wird.
Wie in Fig. 6a gezeigt, werden drei Querschnitte 252a, 254a, 256a des Gegenstands in der Schicht k = a gebildet (wobei a eine ungerade Zahl ist). Die Umfänge der Querschnitte des Gegenstands 252a, 254a, 256a sind als gestrichelte Linien in diesem Beispiel gezeigt. Die Auffüllscans 262 werden durch den Computer 140 im Schritt 230O definiert. In dem Beispiel aus Fig. 6a sind die Auffüllscans 262 an Vielfachen des Parameters L für den Auffüllscanabstand von der Y = 0 Achse aus angeordnet, wobei Auffüllscans 262 möglicherweise bei Y = 0, Y = L, Y = 2L, . . ., Y = mL angeordnet sind (negative Vielfache von L sind natürlich ebenfalls erlaubt, abhängig vom beliebigen Ort von Y = 0 in der X-Y-Koordinatenebene des Bauteilbetts 107). Falls natürlich kein Querschnitt des Gegenstands entlang einer Linie geschnitten wird, die ein Vielfaches von L in der Koordinatenebene ist, wie im Fall von Y = 0 in Fig. 6a, wird kein Auffüllscan 262 für diese Linie definiert. Jeder Auffüllscan 262 wird im Schritt 230O nicht nur definiert im Bezug auf seine Linienposition in der Y-Dimension sondern auch in Bezug auf seine Anfangs- und Endpunkte entlang der Linie in der X-Dimension, wobei die Anfangs- und Endpunkte den Grenzen des Querschnitts des Gegenstandes entsprechen, der von dieser Linie geschnitten wird.
Da die Auffüllscans 262 relativ zu einer beliebigen Achse mit Y = 0 angeordnet werden, haben die Orte der Auffüllscans 262 keinen Bezug zu den Grenzen der Querschnitte 252a, 254a, 256a in dieser Schicht. Beispielsweise ist der (in +Y- Richtung) erste Auffüllscan 262 des Querschnitts 252a sehr nahe der Grenze des Gegenstandes, während der erste Auffüllscan 262 des Querschnitts 254a einen Abstand von seiner Grenze aufweist. Diese Auffüllscans 262 werden im Speicher des Computers 140 in einer ansteigenden Reihenfolge entsprechend der +Y- Langsam-Scan-Richtung gespeichert, so dass der Laserstrahl 105 in dieser Richtung des tatsächlichen Aufbauens fortschreitet. Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung erkennt man aus Fig. 6a. Da die Auffüllscans 262 relativ zu einer beliebigen Achse in der Ebene der Schicht k definiert sind, sind die Auffüllscans 262 kollinear zueinander, selbst wenn sie verschiedenen Querschnitten und Gegenständen zugeordnet sind. Wie in Fig. 6a gezeigt, hat jeder der Querschnitte 252a, 254a, 256a Auffüllscans 262, die bei und ausschließlich bei Mehrfachen des Parameters L des Auffüllscanabstands relativ zur Y = 0 Achse angeordnet sind.
Nach dem Abschluss des geeigneten Schrittes 230 schreitet die Steuerung fort zum Schritt 206 für das selektive Lasersintern dieser Schicht k, wie unten beschrieben wird.
Es ist sinnvoll, jetzt zu betrachten, wie die Auffüllscans in der Schicht k + 1 angeordnet sind relativ zu den Auffüllscans in der gegenwärtigen Schicht k. Falls der vorangegangene Index (k-1) eine ungerade Zahl ist, wird die nächste Fassung der Entscheidung 227 feststellen, dass der gegenwärtige Index k eine gerade Zahl hat. Im Schritt 228E wird der Computer 140 daraufhin die Langsam-Scan-Richtung auf die -Y-Richtung festlegen, die natürlich die entgegengesetzte Richtung derjenigen ist, die durch den Schritt 228O für Schichten k mit einer ungeraden Nummer festgelegt worden ist. Im Schritt 230E leitet der Computer 140 daraufhin die Positionen der Auffüllscans 262 ab. Für diese Schicht k mit einer geraden Nummer basieren diese Auffüllscanpositionen jedoch nicht auf der Y = 0 Achse sondern sind stattdessen um den halben Wert des Parameters L für den Auffüllscanabstand oder L/2 versetzt. Dieses Versetzten ordnet die Positionen der Auffüllscans 262 für Schichten k mit einer geraden Nummer (in der X-Y-Ebene) direkt zwischen den Auffüllscans 262 für die Schicht mit einer ungeraden Zahl unterhalb (und oberhalb) der gegenwärtigen Schicht k an.
Fig. 6b erläutert das Anordnen der Auffüllscans 262 in der Schicht k = b mit einer geraden Nummer (wobei b = a + 1). In Fig. 6b werden die Querschnitte 252b, 254b, 256b des Gegenstandes dargestellt; diese Querschnitte 252b, 254b, 256b entsprechen dem nächsten Querschnitt beim Aufbau ausgehend von entsprechend vorangegangenen Querschnitten 252a bzw. 254a, bzw. 256a. Die Auffüllscans 262 in Fig. 6b sind an Vielfachen des Parameters L für den Auffüllscanabstand angeordnet in Bezug auf eine Achse Y = L/2. Mit anderen Worten sind die Auffüllscans 262 bei Y = L/2 Y = 3L/2, Y = 5L/2, . . ., Y = mL + (L/2) angeordnet. Negative Positionen der Auffüllscans 262 können wiederum verwendet werden abhängig vom Ort der Y = 0 Achse. Wie zuvor werden ebenfalls Anfangs- und Endpunkte entlang der X-Dimension definiert und für jeden Auffüllscans 262 gespeichert. Zusätzlich werden die Vektoren der Auffüllscans 262 in eine negative Reihenfolge gebracht unter Berücksichtigung der -Y-Langsam-Scan-Richtung, damit sie beim Aufbau des Gegenstandes in dieser Zunahmerichtung gescannt werden.
Wie im Fall der Schicht k = a mit einer geraden Nummer, wird die Anordnung der Auffüllscans 262 in der Schicht k = b durchgeführt ohne Rücksicht auf den Ort der Grenzen der Querschnitte 252b, 254b, 256b. Dieser Mangel an Übereinstimmung zwischen den Auffüllscans 262 und den Querschnittsgrenzen erkennt man in Fig. 6b durch Auffüllscans 262 nahe einer Grenze der Querschnitte 254b, 256b aber nicht nahe der Grenzen des Querschnitts 252b. Zusätzlich sind die Auffüllscans 262 in verschiedenen Querschnitten 252b, 254b, 256b kollinear zueinander ausgerichtet aufgrund ihrer Anordnung relativ zur Y = L/2 Achse.
Unter Bezugnahme auf Fig. 6c wird die Beziehung der Auffüllscans 262 für zwei Schichten k = a und k = b innerhalb eines einzigen Gegenstands 252 im folgenden beschrieben. In dieser Querschnittsansicht sind sowohl Auffüllscans 262 und Umfangsvektoren 264 erläutert; in diesem Beispiel liegen die Grenzen der Querschnitte 252a, 252b übereinander, so wie es durch die übereinanderliegenden Umfangsvektoren angezeigt wird. Wie oben angegeben, zeigt Fig. 6c die Auffüllscans 262 zur Klarheit schematisch in eine nicht-überlappenden Weise. Benachbarte Auffüllscans 262 werden in der Praxis einander überlappen, so dass das Pulver bei benachbarten Auffüllscans 262 miteinander verschmelzen wird. In der niedrigeren Schicht k = a sind die Auffüllscans 262 voneinander durch den Wert des Parameters L für den Auffüllscanabstand voneinander getrennt, aber der Abstand der äußeren Auffüllscans 262 in Bezug auf die Umfangsvektoren 264 wird nicht spezifiziert (mit der Ausnahme, dass dieser Abstand notwendigerweise geringer ist als der Wert des Parameters L für den Auffüllscanabstand, anderenfalls würde ein weiterer Auffüllscan 262 eingefügt werden). In der nächsten Schicht k = b werden die Auffüllscans 262 wiederum durch den Wert des Parameters L für den Auffüllscanabstand voneinander beabstandet jedoch an Orten, die sich im wesentlichen zwischen den Y-Orten der Auffüllscans 262 in der darunter liegenden Schicht k = a befinden. Die Orte der Auffüllscans 262 haben wiederum keine Beziehung zu den Grenzen des Querschnitts 252b außer, dass sie innerhalb des Wertes des Parameters L für den Auffüllscanabstand liegen. Gemäß der vorliegenden Erfindung, in der Auffüllscans 262 relativ zu einer beliebigen Achse im Koordinatensystem des Bauteilbetts 107 und nicht im Bezug auf Gegenstandsgrenzen positioniert werden und in der Auffüllscans 262 von Schicht zu Schicht versetzt sind, ist der Abstand zwischen benachbarten Auffüllscans 262 in aufeinanderfolgenden Schichten gleichförmig. Fig. 6c erläutert, dass der Auffüllscan 262 in der Schicht k = b einen Abstand d_x zu seinen beiden benachbarten Auffüllscans 262 in der Schicht k = a aufweist. Dieser Abstand d_x wird in dieser Beziehung zwischen allen benachbarten Auffüllscans 262 in aufeinanderfolgenden Schichten aufrechterhalten. Der Abstand d_x hängt nur von der Schichtdicke ab und dem Wert des Parameters L für den Auffüllscanabstand. Er hängt nicht vom Ort des Umfangvektors 264 oder von den Grenzen irgendeines Querschnitts ab. Die strukturelle Stärke des Gegenstandes hängt vom Auffüllscanabstand d_x ab, da dieser Abstand das Maß bestimmt, indem selektiv gesintertes Pulver in einem Scan mit dem in einem benachbarten Scan verschmilzt. Wegen der Gleichförmigkeit im Auffüllscanabstand d_x und seiner Abhängigkeit von dem auswählbaren Parameter der Schichtdicke und dem Parameter L des Auffüllscanabstands kann der Anwender jetzt direkt einen Wert für den Parameter L für den Auffüllscanabstand basierend auf einer gewünschten Stärke auswählen ohne große Sicherheitsmargen dieses Parameters L beim Auffüllscanabstand zu benötigen zur Berücksichtigung des schlimmsten Abstands zwischen den Scans, wie in dem konventionellen Verfahren. Die Anzahl der Scans kann daher gegenüber konventionellen Verfahren verringert werden ohne die strukturelle Stärke des Gegenstandes zu beeinflussen.
Wie in Fig. 5 gezeigt, schreitet die Steuerung nach der Erzeugung der Vektoren für die gegenwärtige Schicht k = b fort zum Schritt 206 aus Fig. 4, um die tatsächliche Herstellung des Gegenstandes durchzuführen. Wie oben erläutert, kann der Schritt 204 wiederum in Realzeit durchgeführt werden während des Aufbaus oder er kann alternativ als eine Stapelverarbeitung für alle Schichten des Aufbauszyklus vor dem Start des tatsächlichen Aufbaus durchgeführt werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 4 in Verbindung mit Fig. 3 fährt das Verfahren des Herstellens eines Gegenstandes gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung fort, mit der Abgabe einer Pulverschicht an der Oberfläche des Bauteilbetts 107 im Schritt 206, beispielsweise durch die Verschiebung der gegenrotierenden Rolle 118 (Fig. 1), um die Pulverschicht mit minimaler Scherbelastung zu bilden, wie es in dem oben mitaufgenommenen US-Patent mit der Nummer 5,132,143 beschrieben ist. Andere Systeme zur Abgabe einer Pulverschicht können alternativ dazu verwendet werden, einschließlich beispielsweise der Abgabe eines Pulvervolumens von oberhalb der Oberfläche des Bauteilbetts 107 und vor einer sich bewegenden Rolle oder einem Abstreifer.
Sobald das Pulver abgegeben worden ist, wird im Schritt 208 die gegenwärtige Pulverschicht an der Oberfläche des Bauteilbetts 107 durch den Laserstrahl 105 unter der Steuerung des Computers 140 und des Scansystems 142 rasterartig gescannt, gemäß den Auffüllscanvektoren 262 die für diese Schicht im Schritt 204 erzeugt worden sind. Wie oben erläutert, basiert die Position der Auffüllscans 262 in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung auf einer Achse im Koordinatensystem der Oberfläche des Bauteilbetts 107 und nicht auf den Grenzen des gerade gebildeten Querschnitts. Die Scans des Laserstrahls 105 werden von Mittellinie zu Mittellinie durch den Wert des Parameters L für den Auffüllscanabstand getrennt. Wenn man die thermischen Effekte des Mechanismus des selektiven Lasersinterns berücksichtigt, wird natürlich das Pulver entlang der Auffüllscans 262 aufgeschmolzen, um einen festzusammenhängenden Querschnitt in dieser Schicht zu bilden, wobei dieser Querschnitt mit zuvor gescannten Bereichen desselben Gegenstandes in darunter liegenden Schichten verschmolzen wird. Zusätzlich sind Rasterscans von separaten Querschnitten in dieser gegenwärtigen Schicht kollinear zueinander wie oben beschrieben, was das schnelle Rasterscannen dieser Schicht unterstützt. Falls gewünscht, wird der Laserstrahl 105 daraufhin durch den Computer 140 und das Scansystem 142 ausgerichtet, um selektiv den Umfang der Querschnitte in der gegenwärtigen Pulverschicht im Schritt 210 zu Scannen, wenn die Erzeugung eines Vektorumfangs durchgeführt werden soll. Der Schritt 208 des Rasterscannens und der Schritt 210 des Erzeugen eines Vektorumfangs können alternativ dazu in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden, wobei der Schritt 210 des Erzeugen eines Vektorumfanges dem Schritt 208 des Rasterscannens vorangeht. In der Entscheidung 216, die dem Abschluss des Rasterscannens aller Querschnitte innerhalb der gegenwärtigen Schicht im Schritt 208 und irgendeinem gewünschten Erzeugen eines Umfangvektors im Schritt 210 folgt, stellt der Computer 140 fest, ob zusätzliche Schichten verbleiben, die in dem gegenwärtigen Aufbauzyklus selektiv gesintert werden sollen. Wenn dies der Fall ist (Entscheidung 211 ist JA) schreitet die Steuerung fort zum Schritt 204, um Auffüllvektoren für die nächste Schicht zu erzeugen; alternativ dazu schreitet die Steuerung fort zum Schritt 106, wenn die Auffüllvektoren in einem Stapelverarbeitungsvorgang erzeugt sind, um die nächste Pulverschicht über der zuvor gesinterten Schicht abzugeben. Nach der eventuellen Abgabe von Pulver wird daraufhin der Schritt 208 durchgeführt, falls gewünscht, um die Grenzen der Querschnitte in dieser neuen Schicht durch den Laserstrahl 105 rasterartig zu scannen.
Bei der nächsten Durchführung des Schritts 208 wird die gegenwärtige Pulverschicht durch den Laserstrahl 105 gemäß der Auffüllscans 262 gescannt, die im Schritt 204 für diese Schicht abgeleitet worden sind. Wie oben beschrieben, werden die Rasterscans in dieser Schicht zwischen den Scans in der vorangegangenen Schicht angeordnet sein und in einer entgegengesetzten Langsam-Scan-Richtung gegenüber der vorangegangenen Schicht durchgeführt. Dieses Rasterscannen stellt sicher, dass der Abstand zwischen benachbarten Scans in aufeinanderfolgenden Schichten gleichförmig ist, so wie oben beschrieben.
Das Verfahren schreitet über den optionalen Schritt 210 des Erzeugen eines Vektorumfangs und über die Entscheidung 211 fort, so lange, bis der Aufbauzyklus abgeschlossen ist (die Entscheidung 211 ist NEIN). Daraufhin wird das Abkühlen des Bauteilbetts 107 mit dem/den darin angeordneten Gegenstand/Gegenständen durchgeführt, sowie es für das verwendete Material geeignet ist, gefolgt vom Entfernen des lockeren Pulvers um die Gegenstände. Eine Nachbearbeitung wie z. B. ein Ausglühen oder das Tränken der Gegenstände mit einem weiteren Material um die Eigenschaften des Gegenstandes zu verbessern, wird daraufhin wie gewünscht durchgeführt.
Die vorliegende Erfindung stellt wichtige Vorteile beim selektiven Lasersintern bereit. Da der Auffüllscanabstand zwischen benachbarten Rasterscans jetzt mit einem hohen Maß an Zuverlässigkeit in Bezug auf die resultierende Stärke des Gegenstands ausgewählt werden kann, ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung beobachtet worden, dass weniger Auffüllscans erforderlich sind, um einen Gegenstand einer gewünschten strukturellen Stärke zu bilden. In einigen Fällen kann eine Verringerung um einen Faktor 2 erreicht werden. Dies führt nicht nur zu einem gleichmäßiger hergestellten Gegenstand, sondern diese Verringerung in der Anzahl der Rasterscans verringert gleichzeitig die für den Aufbau von Gegenständen durch selektives Lasersintern benötigte Zeit, da die Aufbauzeit in jeder Schicht durch die Anzahl der Auffüllscans dominiert wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung gemäß ihren bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, versteht es sich natürlich, dass die Modifikationen und Alternativen zu diesen Ausführungsbeispielen für den Fachmann erkennbar sind unter Bezugnahme auf diese Beschreibung und ihre Zeichnung, wobei diese Modifikationen und Alternativen die Vorteile und Verbesserungen dieser Erfindung erhalten. Es versteht sich, dass solche Modifikationen und Alternativen innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung liegen, so wie sie nachfolgend beansprucht ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes mit folgenden Schritten:
Abgabe einer ersten Pulverschicht an einer Zieloberfläche;
Scannen eines Energiestrahls an ausgewählten Orten der ersten Pulverschicht entsprechend einem Querschnitt des Gegenstands in einer ersten Vielzahl von parallelen Scanlinien, wobei benachbarte Scanlinien der ersten Vielzahl von parallelen Scanlinien einen ausgewählten Abstand haben und sich an Positionen der ersten Pulverschicht befinden, die relativ zu einer Koordinatenachse der Zieloberfläche definiert sind;
daraufhin Abgabe einer zweiten Pulverschicht über die erste Schicht;
Scannen des Energiestrahls an ausgewählten Orten der zweiten Pulverschicht entsprechend einem weiteren Querschnitt des Gegenstands in einer zweiten Mehrzahl von parallelen Scanlinien, wobei benachbarte Scanlinien der zweiten Mehrzahl von parallelen Scanlinien beim ausgewählten Abstand gescannt werden, wobei sich die zweite Mehrzahl von parallelen Scanlinien parallel zur ersten Mehrzahl von parallelen Scanlinien und an Orten der zweiten Pulverschicht befindet, die zu den Positionen der ersten Mehrzahl von parallelen Scanlinien um ungefähr eine Hälfe des ausgewählten Abstandes versetzt ist; und
Wiederholen der Abgabe- und Scanschritte für eine Mehrzahl von ersten und zweiten Pulverschichten, um den Gegenstand zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 ferner aufweisend:
nach der Abgabe der ersten Pulverschicht Richten des Energiestrahls an Orte der ersten Pulverschicht entsprechend einem Umfang des Querschnitts des Gegenstandes in dieser Schicht; und
nach der Abgabe der zweiten Pulverschicht Richten des Energiestrahls an Orte der zweiten Pulverschicht entsprechend einem Umfang des Querschnitts des Gegenstands in dieser Schicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Mehrzahlen von Scanlinien parallel zu einer Koordinaten-Achse in der Koordinaten-Ebene sind; wobei der Schritt des Scannens eines Energiestrahls an ausgewählten Orten der ersten Pulverschicht den Energiestrahl entlang der ersten Mehrzahl von parallelen Scanlinien in einer Weise scannt, die von Scanlinie zu Scanlinie in einer ersten Richtung senkrecht zur Koordinaten-Achse fortschreitet; und
wobei der Schritt des Scannens eines Energiestrahls an ausgewählten Orten der Pulverschicht den Energiestrahl entlang der zweiten Mehrzahl von parallelen Scanlinien in einer Weise scannt, die von Scanlinie zu Scanlinie in einer zweiten Richtung entgegengesetzt der ersten Richtung fortschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend:
vor dem Schritt der Abgabe der ersten Schicht Empfangen einer computerlesbaren Darstellung des zu bildenden Gegenstandes; und
vor jedem Scanschritt Betätigen eines Computers, um aus der computerlesbaren Darstellung eine Vielzahl von Vektoren für die entsprechende Schichtentsprechend der einen ersten und zweiten Mehrzahl von Scanlinien, die in diesem Scanschritt für diese Schicht gescannt werden sollen, abzuleiten und Speichern der abgeleiteten Vektoren im Speicher des Computers.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Betätigens umfasst:
Speichern im Computerspeicher eines Werts für einen Auffüllscanabstand als ausgewähltem Zwischenraum;
für jede Schicht in den Mehrzahlen von ersten und zweiten Schichten Durchführen der Schritte:
Definieren der Position von zumindest einem Querschnitt der in der Schicht gebildet werden soll;
Bestimmen, ob die Schicht der ersten Mehrzahl von Schichten oder der zweiten Mehrzahl von Schichten zugeordnet werden soll;
in Antwort darauf, dass die Schicht der ersten Mehrzahl von Schichten zugeordnet wird, Ableiten von Vektoren entsprechend dem Schnitt von zumindest einem Querschnitt mit Linien im Koordinatensystem, die an Vielfachen des Wertes für den Auffüllscanabstand relativ zur Koordinatenachse angeordnet sind; und
in Antwort darauf, dass die Schicht der zweiten Mehrzahl von Schichten zugeordnet ist, Ableiten von Vektoren mit dem Schnitt von zumindest einem Querschnitt mit Linien in dem Koordinatensystem, die gegenüber den Positionen der Vektoren, die der ersten Mehrzahl von Schichten zugeordnet sind um ungefähr eine Hälfte des Wertes für den Auffüllscanabstand versetzt sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, ferner aufweisen:
in Antwort darauf, dass die Schicht der ersten Mehrzahl von Schichten zugeordnet ist, Festlegen einer Langsam-Scan-Richtung in einer ersten Richtung; und
in Antwort darauf, dass die Schicht der zweiten Mehrzahl von Schichten zugeordnet ist, Festlegen der Langsam-Scan-Richtung in einer zweiten Richtung entgegengesetzt der ersten Richtung.

7. Verfahren nach Anspruch 5 ferner aufweisend:
für jede Schicht in der Mehrzahl von ersten und zweiten Schichten Ableiten, eines Umfangsvektors entsprechend dem Umfang des zumindest einen Querschnitts in dieser Schicht.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren gleichzeitig eine Mehrzahl von Gegenständen herstellt; und
wobei jeder der Scanschritte einen Energiestrahl an ausgewählten Orten der Pulverschicht entsprechend einer Mehrzahl von Querschnitten scannt, die jeweils einem der Mehrzahl von Gegenständen zugeordnet sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine oder mehrere parallele Scanlinien der ersten Mehrzahl von parallelen Scanlinien, die der ersten der Mehrzahl von Querschnitten zugeordnet sind, kolinear sind mit einem oder mehreren parallelen Scanlinien der ersten Mehrzahl von parallelen Scanlinien, die einem zweiten der Mehrzahl von Querschnitten zugeordnet sind.

10. Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes aufweisend:
ein Pulverabgabesystem zum Aufbringen von aufeinanderfolgenden Pulverschichten;
einen Laser zum Erzeugen eines Laserstrahls;
ein Scansystem, um den Laserstrahl gesteuert auf eine Zielebene an der Oberfläche einer Pulverschicht zu richten; und
einen Computer, der mit dem Scansystem verbunden und programmiert ist, um eine Mehrzahl von Vorgängen durchzuführen:
Speichern eines Wertes für einen Auffüllscanabstand im Computerspeicher; und
Steuern des Scansystems, um den Energiestrahl in ersten und zweiten Mehrzahlen von parallelen Scanlinien innerhalb von ausgewählten Orten von alternierenden Pulverschichten entsprechend einem Querschnitt des Gegenstandes in dieser Schicht zu scannen, wobei
benachbarte der ersten und zweiten Mehrzahlen von parallelen Scanlinien an einem ausgewählten Zwischenraum angeordnet sind entsprechend dem gespeicherten Wert für den Auffüllscanabstand und sich an Positionen befinden, die relativ zu einer Koordinatenachse der Zielebene definiert sind; und
benachbarte der zweiten Mehrzahl von parallelen Scanlinien parallel zur ersten Mehrzahl von parallelen Scanlinien an Positionen sind, die gegenüber den Positionen der ersten Mehrzahl von parallelen Linien um ungefähr eine Hälfte des ausgewählten Zwischenraums verschoben sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, ferner aufweisend:
einen beweglichen Bauteilzylinder zum Unterstützen der aufeinanderfolgenden Pulverschichten, wobei der bewegliche Bauteilzylinder betriebsbereit ist, um sich vom Scansystem zwischen dem Auftragen von aufeinanderfolgenden Pulverschichten hinweg zu bewegen, so dass die Zielebene, die durch jede neu aufgebrachte Pulverschicht gebildet wird, sich im wesentlichen im gleichen Abstand vom Scansystem befindet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Computer ferner programmiert ist, um das Scansystem zu steuern, um den Laserstrahl auf die Zielebene jeder Pulverschicht um einen Umriss des Querschnitts, der in dieser Schicht gebildet wird, zu richten.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Computer ferner programmiert ist, um eine Langsam-Scan-Richtung in entgegengesetzten Richtungen festzulegen, senkrecht zur ersten und zweiten Mehrzahl von parallelen Scanlinien für aufeinanderfolgende Pulverschichten.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Computer ferner programmiert ist, um eine Abfolge von Vorgängen durchzuführen, aufweisend:
vor dem Schritt der Abgabe einer ersten Schicht Empfangen einer computerlesbaren Darstellung des zu bildenden Gegenstands;
Ableiten einer Mehrzahl von Vektoren für jede der Mehrzahl von Schichten aus der computerlesbaren Darstellung, wobei die Vektoren in jeder Schicht einer der ersten oder zweiten Mehrzahl von Scanlinien, die in dieser Schicht gescannt werden sollen, entsprechen; und
Speichern der abgeleiteten Vektoren im Computerspeicher.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Computer programmiert ist, um den Vorgang des Ableitens für jede der Mehrzahl von Schichten durchzuführen, durch:
Definieren der Position von zumindest einem in der Schicht zu bildenden Querschnitt;
Bestimmen, ob die Schicht der ersten oder zweiten Mehrzahl von parallelen Scanlinien zugeordnet werden soll;
in Antwort darauf, dass die Schicht der ersten Mehrzahl von Schichten zugeordnet werden soll, Ableiten von Vektoren entsprechend dem Schnitt des zumindest einen Querschnitts mit Linien in dem Koordinatensystem, die an Mehrfachen des Wertes für den Auffüllscanabstand relativ zu der Koordinatenachse angeordnet sind; und
in Antwort darauf, dass die Schicht der zweiten Mehrzahl von Schichten zugeordnet ist, Ableiten von Vektoren entsprechend dem Schnitt des zumindest einen Querschnitts mit Linien in dem Koordinatensystem, die gegenüber den Positionen der Vektoren, die dieser ersten Mehrzahl von Schichten zugeordnet sind, um ungefähr eine Hälfte des Wertes für den Auffüllscanabstand verschoben sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Computer das Scansystem steuert, um den Laserstrahl an ausgewählten Orten zumindest einer Pulverschicht zu scannen, entsprechend einer Mehrzahl von Querschnitten, die jeweils einer Mehrzahl von Gegenständen zugeordnet sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei einer oder mehrere parallele Scanlinien einer Mehrzahl von parallelen Scanlinien, die einer ersten der Mehrzahl von Querschnitten zugeordnet sind, kolinear sind mit einer oder mehreren parallelen Scanlinien der Mehrzahl von parallelen Scanlinien, die einem zweiten der Mehrzahl von Querschnitten zugeordnet sind.