DE102017113485A1

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Info

Publication number: DE102017113485A1
Application number: DE102017113485.9A
Authority: DE
Inventors: Vasily Ploshikhin
Original assignee: AMSIS GMBH
Current assignee: AMSIS GMBH
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2018-12-20
Also published as: WO2018233866A1

Abstract

Translated fromGerman

Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils (1; 21; 31) aus mehreren Bauteilschichten durch mehrfaches inkrementelles, insbesondere schichtweises, Hinzufügen von pulverdraht- oder bandförmigem, insbesondere metallischem, Bauteilausgangsmaterial und insbesondere inkrementelles formgebendes Konsolidieren durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern des Bauteilausgangsmaterials mittels mindestens einer Energiequelle, wobei zusammen mit dem mindestens einen Bauteil (1; 21; 31) eine Stützstruktur (5) additiv hergestellt wird, die das mindestens eine Bauteil an einer oder mehreren Stützstellen bzw. Stützflächen stützt, und wobei die Stützstruktur auf Basis von, insbesondere simulationsbasiert, ermittelten Werten eines physikalischen, insbesondere eines thermischen, Feldes oder einer Funktion davon an der Oberfläche (3) und/oder im Inneren des Bauteils ausgelegt wird, Stützstruktur oder Element einer Stützstruktur, Bauteil mitderselben/demselben und Anlage zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.Method for the additive production of a three-dimensional component (1; 21; 31) from a plurality of component layers by multiple incremental, in particular layered, addition of powder-wire or ribbon-shaped, in particular metallic, component starting material and in particular incremental shaping consolidation by respectively selective melting and / or sintering of the component starting material by means of at least one energy source, wherein together with the at least one component (1; 21; 31) a support structure (5) is produced additively, which supports the at least one component at one or more support points or support surfaces, and wherein the support structure is based on , in particular simulation-based, determined values of a physical, in particular a thermal, field or a function thereof is designed on the surface (3) and / or inside the component, support structure or element of a support structure, component with the same and An able to carry out such a process.

Description

Translated fromGerman

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur, insbesondere Pulverbettbasierten, additiven Fertigung von mindestens einem Bauteil, eine, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigte plattenförmige Stützstruktur und ein, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigtes plattenförmiges Element einer Stützstruktur, eine, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigte stabförmige Stützstruktur und ein, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigtes stabförmiges Element einer Stützstruktur, ein, insbesondere Pulverbett-basiert, additiv gefertigtes Bauteil mit einer Stützstruktur oder einem Element einer Stützstruktur und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a method for, in particular powder bed-based, additive production of at least one component, one, in particular powder bed-based, additively manufactured plate-shaped support structure and a, in particular powder bed-based, additively manufactured plate-shaped element of a support structure, one, in particular powder bed-based , additively manufactured rod-shaped support structure and a, in particular powder bed-based, additively manufactured rod-shaped element of a support structure, a component, in particular powder bed-based, additively manufactured component with a support structure or an element of a support structure and a system for carrying out the method.

Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur automatisierten Auslegung von bauteilspezifischen Stützstrukturen für ein additiv gefertigtes Bauteil.More specifically, the present invention relates to a method for the automated design of component-specific support structures for an additively manufactured component.

Stützstrukturen werden eingesetzt, um eine thermische und mechanische Stabilität des Aufbauprozesses vor allem bei der Herstellung von sogenannten „Down-Faces“ (wie z. B. Überhänge) zu gewährleisten.Support structures are used to ensure thermal and mechanical stability of the building process, especially in the production of so-called down-faces (such as overhangs).

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

- Anhaftung von Pulver an der Bauteiloberfläche durch Sintereffekte
- Instabilitäten im Schmelzbad und daraus resultierende Defekte
- vermehrte Bildung von Spritzern.

An important task of a support structure is to derive the process heat from the component surface in order to avoid heat build-up. Heat accumulation on a built-up surface can lead to the following unwanted effects, which can significantly degrade the quality of the component:

- Adherence of powder to the surface of the component due to sintering effects
- Instabilities in the molten bath and resulting defects
- increased formation of splashes.

Da die Wärmeleitfähigkeit von Pulvern um Größenordnungen kleiner ist als die des konsolidierten Materials, erfolgt der Wärmetransport im Prozess fast ausschließlich über bereits verfestigte Bereiche, d. h. über das Bauteil selbst und vor allem über die Stützstellen.Since the thermal conductivity of powders is orders of magnitude smaller than that of the consolidated material, the heat transfer in the process takes place almost exclusively over already solidified areas, ie. H. about the component itself and above all about the support points.

Eine weitere wichtige Funktion einer Stützstruktur besteht in einer Gewährleistung der mechanischen Prozessstabilität. Nach dem Aufschmelzen des Pulvers erstarrt das konsolidierte Material. Beim weiteren Abkühlen zieht sich der Werkstoff entsprechend seiner thermischen Dehnung weiter zusammen und übt somit Druck auf die unteren Schichten des Bauteils aus. Die Spannungen, die dabei entstehen, führen zu Verformungen im Bauteil bereits während des Aufbauprozesses. Im Bereich von bspw. Überhängen müssen die Bauteile daher mit einer Stützstruktur versehen werden, um diesen Spannungen entgegenzuwirken. Andernfalls würden die entstehenden Spannungen dazu führen, dass das Bauteil sich aus dem Pulverbett hebt. Beim Auftragen der nächsten Pulverschicht würde dann der Pulverschieber (z. B. Rakel oder Walze) mit dem Bauteil kollidieren, was in der Regel zum Prozessabbruch führt.Another important function of a support structure is to ensure mechanical process stability. After melting the powder solidifies the consolidated material. During further cooling, the material continues to contract according to its thermal expansion and thus exerts pressure on the lower layers of the component. The stresses that arise in this case lead to deformations in the component already during the build-up process. In the area of, for example, overhangs, the components must therefore be provided with a support structure in order to counteract these stresses. Otherwise, the resulting stresses would cause the component to lift out of the powder bed. When the next powder layer is applied, the powder slide (eg doctor blade or roller) would then collide with the component, which as a rule leads to the process being aborted.

Eine Stützstruktur stellt lediglich ein Hilfsmittel dar, um die Fertigung zu ermöglichen. Sie muss nach Prozessende wieder entfernt werden. Es wird daher angestrebt, die Masse der Stützstruktur auf ein Minimum zu reduzieren. Damit werden geringere Aufbauzeiten, ein geringerer Nachbearbeitungsaufwand bzw. geringere Nachbearbeitungszeiten und ein geringerer Materialeinsatz erreicht.A support structure is merely an aid to facilitate manufacturing. It must be removed after the end of the process. It is therefore desirable to reduce the mass of the support structure to a minimum. This achieves lower set-up times, less reworking and / or lower reworking times and less use of material.

Nach dem heutigen Stand der Technik werden die Stützstrukturen rein geometrisch auf Basis von empirischen Erfahrungen ausgelegt und normalerweise überdimensioniert, um die oben beschriebenen Funktionen gewährleisten zu können.According to the current state of the art, the support structures are designed purely geometrically on the basis of empirical experience and usually oversized in order to ensure the functions described above.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Stützstruktur optimaler auszulegen, so dass die Basisfunktionen einer Stützstruktur wie der Wärmetransport von gestützten Oberflächen von Bauteilen sowie die mechanische Prozessstabilität effizienter erfüllt werden.It is therefore an object of the present invention to optimally design the support structure so that the basic functions of a support structure, such as the heat transport of supported surfaces of components, as well as the mechanical process stability, are fulfilled more efficiently.

Erfindungsgemäß wird dies gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils aus mehreren Bauteilschichten durch mehrfaches inkrementelles, insbesondere schichtweises, Hinzufügen von pulverdraht- oder bandförmigem, insbesondere metallischem, Bauteilausgangsmaterial und insbesondere inkrementelles formgebendes Konsolidieren durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern des Bauteilausgangsmaterials mittels mindestens einer Energiequelle, wobei
zusammen mit dem mindestens einen Bauteil eine Stützstruktur additiv hergestellt wird, die das mindestens eine Bauteil an einer oder mehreren Stützstellen bzw. Stützflächen stützt, und
wobei die Stützstruktur auf Basis von, insbesondere simulationsbasiert, ermittelten Werten eines physikalischen, insbesondere eines thermischen, Feldes oder einer Funktion davon an der Oberfläche und/oder im Inneren des Bauteils ausgelegt wird.This is achieved according to a first aspect by a method for the additive production of a three-dimensional component of several component layers by multiple incremental, in particular layers, adding pulverdraht- or bandförmigem, in particular metallic, component starting material and in particular incremental shaping consolidation by each selective melting and / or Sintering the component starting material by means of at least one energy source, wherein
together with the at least one component, a support structure is produced additively, which supports the at least one component at one or more support points or support surfaces, and
wherein the support structure is designed on the basis of, in particular simulation-based, determined values of a physical, in particular a thermal, field or a function thereof on the surface and / or in the interior of the component.

Im Gegensatz zu einer empirischen, rein geometrischen Auslegung einer Stützstruktur, beruht die vorliegende Erfindung auf einer wissensbasierten Auslegung einer Stützstruktur ausgehend von einem bestimmten physikalischen Feld, i.e. quantitativer Verteilung einer bestimmten physikalischen Größe im Bauteil. Zu den betrachteten physikalischen Größen gehören vor allem „thermische“ Größen, wie z.B. Temperatur, Abkühlgeschwindigkeit oder Wärmeableitungsfähigkeit, sowie „mechanische“ Größen, wie z.B. Spannung, Dehnung oder Verschiebung.In contrast to an empirical, purely geometrical design of a support structure, the present invention is based on a knowledge-based design of a support structure based on a specific physical field, ie quantitative distribution of a certain physical size in the component. Among the considered physical quantities are mainly "thermal" variables, such as temperature, cooling rate or Heat dissipation capability, as well as "mechanical" quantities, such as stress, strain or displacement.

Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch eine additiv gefertigte plattenförmige Stützstruktur oder ein additiv gefertigtes plattenförmiges Element einer Stützstruktur, wobei ihre/seine Dicke an einer Verbindungstelle zwischen der Stützstruktur oder dem Element und der gestützten Oberfläche des Bauteils mindestens in einem Teilbereich der Stützstruktur bzw. des Elementes variabel ist.Furthermore, this object is achieved by an additively manufactured plate-shaped support structure or an additively manufactured plate-shaped element of a support structure, wherein its thickness at a connection point between the support structure or the element and the supported surface of the component at least in a partial region of the support structure or of the element is variable.

Außerdem wird diese Aufgabe gelöst durch eine additiv gefertigte stabförmige Stützstruktur oder ein additiv gefertigtes stabförmiges Element einer Stützstruktur, wobei die Fläche der Stützstruktur oder des Elements im Schnitt quer zur Aufbaurichtung mindestens in einem Teilbereich der Stützstruktur bzw. des Elementes in Richtung gegen die Aufbaurichtung abnimmt.In addition, this object is achieved by an additively manufactured rod-shaped support structure or an additively manufactured rod-shaped element of a support structure, wherein the surface of the support structure or the element decreases in cross-section to the mounting direction at least in a partial region of the support structure or the element in the direction against the mounting direction.

Zudem wird diese Aufgabe gelöst durch eine Anlage zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18, umfassend ein Bauraumgehäuse mit einer Bauplattform zur Abstützung eines oder mehrerer Pulverbett-basiert additiv zu fertigenden Bauteils/Bauteile, eine Schichtenpräparierungseinrichtung zur Präparierung jeweiliger Pulverschichten auf der Bauplattform, eine Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung der jeweils zuletzt präparierten Pulverschicht auf der Bauplattform nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des oder der zu fertigenden Bauteils/Bauteile nach Anspruch 23 und/oder einer zugehörigen Stützstruktur nach einem der Ansprüche 19 bis 22 und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Bestrahlungseinrichtung nach Maßgabe der Geometriebeschreibungsdaten.In addition, this object is achieved by a system for carrying out a method according to one ofclaims 1 to 18, comprising a package housing with a build platform for supporting one or more powder bed-based additive to be manufactured component / components, a layer preparation device for preparing respective powder layers on the build platform , an irradiation device for irradiating the respectively last-prepared powder layer on the construction platform in accordance with Geometriebeschreibungsdaten of or to be manufactured component / components according to claim 23 and / or an associated support structure according to any one of claims 19 to 22 and a control device for controlling the irradiation device in accordance with the geometry description data.

Im Übrigen liefert die vorliegende Erfindung ein oder mehrere computerlesbare(s) Medium/Medien, das/die durch Computer ausführbare Befehle umfasst/umfassen, die, wenn sie durch einen Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 durchzuführen und/oder die Stützstruktur oder das Element einer Stützstruktur nach einem der Ansprüche 19 bis 22 auszulegen.Incidentally, the present invention provides one or more computer-readable media / media that includes computer-executable instructions that, when executed by a computer, cause the computer to perform the method of any one ofclaims 1 to 18 perform and / or interpret the support structure or the element of a support structure according to any one of claims 19 to 22.

Die Stützstruktur kann ein- oder mehrteilig sein. Sie kann aus einem oder mehreren Elementen bestehen.The support structure may be one or more parts. It can consist of one or more elements.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens wird die Stützstruktur auf Basis einer, insbesondere simulationsbasiert, ermittelten lokalen Wärmeableitungsfähigkeit oder anhand einer Funktion derselben ausgelegt.According to a particular embodiment of the method, the support structure is designed on the basis of a, in particular simulation-based, determined local heat dissipation capability or based on a function thereof.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Stützstelle(n) bzw. Stützfläche(n) anhand eines Vergleichs der simulationsbasiert ermittelten Werte des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, an der Oberfläche des Bauteils mit einem vorab festlegbaren Grenzwert des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, definiert wird/werden.Furthermore, provision may be made for the support point (s) or support surface (s) to be based on a comparison of the simulation-based values of the physical field, in particular the field of local heat dissipation capability, on the surface of the component with a limit value of the physical field which can be defined in advance of the field of local heat dissipation capability.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Stützstellen bzw. Stützflächen als Bereiche definiert werden, in denen die lokale Wärmeableitungsfähigkeit niedriger als ein vordefinierbarer Grenzwert ist.In particular, it may be provided that the support points or support surfaces are defined as regions in which the local heat dissipation capability is lower than a predefinable limit value.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mindestens ein Element der Stützstruktur so ausgelegt, dass die Linie seines Kontaktes mit der Oberfläche des Bauteils senkrecht mit einer Abweichung von maximal ± 45 Grad zu den Isolinien des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, auf der Oberfläche verläuft. Die Orientierung des Elements/ der Elemente der Stützstruktur senkrecht zu den Isolinien eines physikalischen Feldes bedeutet automatisch die Orientierung in Richtung des Gradienten (i.e. in Richtung der maximalen Steigung der physikalischen Größe) dieses Feldes. Damit werden über den kürzesten Weg die Bereiche mit den unterschiedlichen Werten einer bestimmten physikalischen Größe überspannt. Z.B. im Fall einer Wärmeableitungsfähigkeit bedeutet dies einen sehr effizienten Wärmeabtransport aus den überhitzten Bauteilbereichen in die Bauteilbereiche, welche die Wärme besser abführen können.According to a particular embodiment of the present invention, at least one element of the support structure is designed so that the line of its contact with the surface of the component is perpendicular with a maximum deviation of ± 45 degrees to the physical field isolines, in particular the local thermal dissipation capability field the surface runs. The orientation of the element (s) of the support structure perpendicular to the isolines of a physical field automatically means the orientation in the direction of the gradient (i.e., in the direction of the maximum slope of the physical quantity) of that field. In this way, the areas with the different values of a specific physical size are spanned over the shortest path. For example, In the case of a heat dissipation capability, this means a very efficient heat removal from the overheated component areas in the component areas, which can dissipate the heat better.

Alternativ wird mindestens ein Element der Stützstruktur so ausgelegt, dass die Linie seines Kontaktes mit der Oberfläche des Bauteils entlang den Isolinien des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, auf dieser Oberfläche mit einer Abweichung von maximal ± 45 Grad verläuft. Die Orientierung der Elemente der Stützstruktur entlang den Isolinien eines physikalischen Feldes führt zu einer Stabilisierung dieser Elemente. Damit werden die Bereiche mit den gleichen Werten einer bestimmten physikalischen Größe überspannt. Z.B. im Fall einer mechanischen Dehnung bedeutet dies die gleichbleibende mechanische Belastung (Dehnung) des Elementes der Stützstruktur entlang seiner Kontaktfläche mit dem Bauteil.Alternatively, at least one element of the support structure is designed so that the line of its contact with the surface of the device along the isolines of the physical field, in particular the field of local heat dissipation capability, extends on that surface with a maximum deviation of ± 45 degrees. The orientation of the elements of the support structure along the isolines of a physical field leads to a stabilization of these elements. This spans the areas with the same values of a given physical size. For example, in the case of mechanical stretching, this means the constant mechanical stress (strain) of the element of the support structure along its contact surface with the component.

Vorteilhaft ist auch eine Kombination mindestens eines Elements, das senkrecht zu den Isolinien eines physikalischen Feldes orientiert ist, und mindestens eines Elements, das entlang den Isolinien desselben oder eines anderen physikalischen Feldes orientiert ist. Senkrecht zu den Isolinien orientierte Elemente führen zu einem effizienten Ausgleich (Stabilisierung) des physikalischen Feldes durch Überspannung der Bereiche mit unterschiedlichen Werten der physikalischen Größer über den möglichst kürzesten Weg. Entlang zu den Isolinien orientierte Elemente verbinden über den kürzesten Weg die senkrechten Elemente und dienen damit zur Stabilisierung der gesamten Stützstruktur.Also advantageous is a combination of at least one element oriented perpendicular to the isolines of a physical field and at least one element oriented along the isolines of the same or another physical field. Elements oriented perpendicular to the isolines lead to an efficient balancing (stabilization) of the physical field Overvoltage the areas with different values of the physical size over the shortest possible way. Along the isolines oriented elements connect over the shortest way the vertical elements and thus serve to stabilize the entire support structure.

Vorteilhafterweise wird der räumliche Abstand oder die räumliche Dichte der Stützstellen bzw. Stützflächen auf der Oberfläche des Bauteils als Funktion des lokalen Wertes des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, berechnet.Advantageously, the spatial distance or the spatial density of the support points or support surfaces on the surface of the component is calculated as a function of the local value of the physical field, in particular of the field of local heat dissipation capability.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass sich der räumliche Abstand zwischen den Stützstellen bzw. Stützflächen auf der Oberfläche des Bauteils bei einem abnehmenden Wert des physikalischen Wertes, insbesondere bei einer abnehmenden lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, verringert oder sich die räumliche Dichte der Stützstellen bzw. Stützflächen erhöht.In particular, it can be provided that the spatial distance between the support points or support surfaces on the surface of the component decreases with a decreasing value of the physical value, in particular with a decreasing local heat dissipation ability, or increases the spatial density of the support points or support surfaces.

Vorteilhafterweise verringert sich der räumliche Abstand zwischen den Stützstellen bzw. Stützflächen auf der Oberfläche des Bauteils bei einem zunehmenden Wert des physikalischen Wertes, insbesondere bei einer zunehmenden lokalen mechanischen Verschiebung auf der Oberfläche oder sich die räumliche Dichte der Stützstellen erhöht.Advantageously, the spatial distance between the support points or support surfaces on the surface of the component decreases with an increasing value of the physical value, in particular with an increasing local mechanical displacement on the surface or increases the spatial density of the support points.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mindestens ein geometrischer Parameter der Stützstelle bzw. Stützfläche, insbesondere deren Breite, zwischen einem Element der Stützstruktur und der gestützten Oberfläche des Bauteils als Funktion des lokalen Wertes des physikalischen Wertes, insbesondere des Feldes der Wärmeableitungsfähigkeit, berechnet.According to a further particular embodiment of the present invention, at least one geometric parameter of the support surface, in particular its width, between an element of the support structure and the supported surface of the component is calculated as a function of the local value of the physical value, in particular the field of heat dissipation capability ,

In einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden mindestens zwei nicht benachbarte lokale Stellen bzw. Flächen auf der Oberfläche des Bauteils, die ungleiche Werte eines physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit aufweisen, durch die Stützstruktur oder ein Element derselben miteinander verbunden.In a further particular embodiment of the present invention, at least two non-adjacent local areas on the surface of the component having unequal values of a physical field, in particular the field of local heat dissipation capability, are interconnected by the support structure or an element thereof.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass eine lokale Stelle bzw. Fläche auf einer Oberfläche eines Bauteils mit einem minimalen Wert eines physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, mit einer anderen lokalen Stelle bzw. Fläche auf der Oberfläche des Bauteils, insbesondere mit einem maximalen Wert des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, durch die Stützstruktur oder ein Element derselben verbunden wird.Alternatively or additionally, it may be provided that a local location or area on a surface of a component having a minimum value of one physical field, in particular the field of local heat dissipation capability, with another local location or surface on the surface of the component, in particular with a maximum value of the physical field, in particular the field of local heat dissipation capability, is connected by the support structure or an element thereof.

Weiterhin ist denkbar, dass mindestens eine lokale Stelle bzw. Fläche auf einer Oberfläche eines Bauteils und eine lokale Stelle bzw. Fläche auf einer Oberfläche eines anderen Bauteils, welche ungleiche Werte eines physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit aufweisen, durch die Stützstruktur oder ein Element derselben miteinander verbunden werden.Furthermore, it is conceivable that at least one local area or area on one surface of a component and a local area on a surface of another component, which have unequal values of a physical field, in particular the field of local heat dissipation capability, through the support structure or an element of the same are interconnected.

Außerdem oder alternativ kann vorgesehen sein, dass mindestens eine lokale Stelle bzw. Fläche auf einer Oberfläche eines Bauteils, welche einen niedrigeren Wert des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, aufweist als eine lokale Stelle auf der Oberfläche einer Bauplatte, mit der Stelle bzw. Fläche auf der Bauplatte durch die Stützstruktur oder ein Element derselben verbunden wird.Additionally or alternatively, it can be provided that at least one local area or surface on a surface of a component which has a lower value of the physical field, in particular the field of local heat dissipation capability, than a local location on the surface of a building board, with the location or surface on the building board is connected by the support structure or an element thereof.

Vorteilhafterweise wird die lokale Wärmeableitungsfähigkeit anhand einer zeitlichen Ableitung der lokalen Temperatur oder anhand einer Funktion derselben, insbesondere als Zeitintegral des negativen Produktes der zeitlichen Ableitung der lokalen Temperatur, der Wärmekapazität des Bauteilausgangsmaterials und der Dichte des Bauteilausgangsmaterials in einem bestimmten Zeitintervall, berechnet.Advantageously, the local heat dissipation capability is calculated by a temporal derivative of the local temperature or by a function thereof, in particular as a time integral of the negative product of the temporal derivative of the local temperature, the heat capacity of the component starting material and the density of the component starting material in a specific time interval.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zur Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeiten eine numerische Simulation der Temperaturverteilung im ganzen Bauteil ausgehend von einer anfänglichen Temperaturverteilung durchgeführt.According to a further particular embodiment of the present invention, a numerical simulation of the temperature distribution in the entire component based on an initial temperature distribution is performed to determine the local heat dissipation capabilities.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass für die Simulation die anfängliche Temperatur als in Aufbaurichtung steigend angenommen wird.In particular, it can be provided that for the simulation, the initial temperature is assumed to increase in the body direction.

Zudem kann dabei vorgesehen sein, dass für die Simulation die anfängliche Temperatur quer zur Aufbaurichtung als konstant angenommen wird.In addition, it can be provided that the initial temperature is assumed to be constant across the construction direction for the simulation.

In einer besonderen Ausführungsform der Stützstruktur oder des Elements nach Anspruch 19 verläuft ihre/seine Mittellinie im Schnitt quer zur Aufbaurichtung mindestens in einem Teilbereich der Stützstruktur bzw. des Elementes nicht geradlinig.In a particular embodiment of the support structure or of the element according to claim 19, its / its center line does not extend in a straight line transversely to the construction direction at least in a partial region of the support structure or of the element.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass ihre/seine Dicke in Richtung entgegen der Aufbaurichtung mindestens in einem Teilbereich der Stützstruktur oder des Elementes abnimmt.In particular, it may be provided that its / its thickness decreases in the direction opposite to the construction direction at least in a partial region of the support structure or of the element.

Vorteilhafterweise weist die Stützstruktur oder das Element im Bereich zwischen den von ihr/ihm verbundenen Flächen mindestens eine Sollbruchstelle auf.Advantageously, the support structure or element in the area between the her / him connected surfaces at least one predetermined breaking point.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass eine Sollbruchstelle einen vordefinierten, insbesondere einen konstanten, Abstand zu der, von der Stützstruktur oder dem Element gestützten Oberfläche des Bauteils aufweist.In particular, it may be provided that a predetermined breaking point has a predefined, in particular a constant, distance from the surface of the component supported by the support structure or the element.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen der Sollbruchstelle und der Oberfläche des Bauteils anhand eines Wertes des physikalischen Feldes, insbesondere des Feldes der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit, bestimmt ist.In particular, it may be provided that the distance between the predetermined breaking point and the surface of the component is determined based on a value of the physical field, in particular the field of local heat dissipation ability.

Der vorliegenden Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch eine geeignete, vorzugsweise automatisierte, Auslegung von bauteilspezifischen Stützstrukturen die Wärme von den gestützten Oberflächen der Bauteile effizienter abtransportiert werden kann und dies zumindest in einer besonderen Ausführungsform sogar mit einer Materialersparnis bei den Stützstrukturen im Vergleich mit konventionellen Stützstrukturen gelingt. Zumindest in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird darüber hinaus die Kontaktfläche zwischen der Stützstruktur bzw. den Elementen der Stützstruktur und dem Bauteil so ausgelegt, dass die Stützstruktur bzw. die Elemente den Verzug des Bauteils während des Aufbauprozesses effizienter verhindert/verhindern und damit eine bessere Prozessstabilität gewährleistet/gewährleisten. Zudem wird zumindest in einer besonderen Ausführungsform durch die geringere Masse bzw. Gesamtmasse der Stützstruktur die gesamte Aufbauzeit reduziert und teures Material eingespart.The present invention is based on the surprising finding that the heat can be removed more efficiently from the supported surfaces of the components by a suitable, preferably automated, design of component-specific support structures, and this even with a material saving in the support structures in comparison with FIG conventional support structures succeed. In addition, at least in one particular embodiment of the invention, the contact surface between the support structure or the elements of the support structure and the component is designed so that the support structure or the elements more efficiently prevent / prevent the distortion of the component during the building process and thus a better process stability ensure / guarantee. In addition, at least in a particular embodiment, the reduced mass or total mass of the support structure reduces the overall assembly time and saves expensive material.

Das Verfahren kann bei allen additiven Verfahren eingesetzt werden, bei denen Stützstrukturen eingesetzt werden.The method can be used in all additive processes in which support structures are used.

Ein sehr relevantes Anwendungsgebiet stellen vor allem strahlbasierte additive Verfahren dar, wie z. B. Verfahren zum selektiven Laserschmelzen und das Verfahren zum selektiven Elektronenstrahlschmelzen.A very relevant field of application are primarily jet-based additive methods, such. B. Selective laser melting method and selective electron beam melting method.

Als weitere Anwendungsgebiete können zudem additive Herstellungsverfahren betrachtet werden, bei denen auch andere Energiequellen (zum Beispiel Lichtbogen oder Plasma) und/oder andere Materialauftragsverfahren (zum Beispiel Pulver- oder Drahtauftragsschweißen bei additiver Fertigung metallischer Werkstoffe oder Fused Deposition Modelling-Technologien zur Generierung von Kunststoffbauteilen) verwendet werden.In addition, additive manufacturing processes may be considered as further areas of application, in which other energy sources (for example arc or plasma) and / or other material application processes (for example powder or wire-wound welding with additive production of metallic materials or fused deposition modeling technologies for the generation of plastic components) be used.

Die Erfindung ist für alle Materialien und Materialklassen (Metalle, Kunststoffe, Keramiken), welche in der additiven Fertigung verwendet werden, anwendbar.The invention is applicable to all materials and classes of materials (metals, plastics, ceramics) used in additive manufacturing.

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

1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Definition der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit;
2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Begriffen;
3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Auslegung einer Stützstruktur gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung zur Auslegung einer Stützstruktur in einem Hohlraum eines Bauteils gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung zur Auslegung einer Stützstruktur mit Elementen variabler Dicke gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Darstellung zur Auslegung einer Stützstruktur mit Elementen variabler Dicke gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Darstellung zur Auslegung einer Stützstruktur mit Elementen variabler Dicke gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 zwei Beispiele (a und b) für plattenförmige Stützstrukturen bzw. plattenförmige Elemente einer Stützstruktur gemäß besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
9 zwei Beispiele (a und b) für Stützstrukturen aus stabförmigen Elementen gemäß besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Further features and advantages of the invention will become apparent from the appended claims and from the following description in which several embodiments are explained with reference to the schematic drawings. Showing:

1 a schematic representation for explaining the definition of the local heat dissipation ability;
2 a schematic representation for explaining terms;
3 a schematic illustration for explaining the design of a support structure according to a particular embodiment of the present invention;
4 a schematic representation of the design of a support structure in a cavity of a component according to a particular embodiment of the present invention;
5 a schematic representation of the design of a support structure with elements of variable thickness according to a particular embodiment of the present invention;
6 a schematic representation of the design of a support structure with elements of variable thickness according to another particular embodiment of the present invention;
7 a schematic representation of the design of a support structure with elements of variable thickness according to another particular embodiment of the present invention;
8th two examples (a and b) for plate-shaped support structures or plate-shaped elements of a support structure according to particular embodiments of the present invention; and
9 two examples (a and b) for support structures of rod-shaped elements according to particular embodiments of the present invention.

Nachfolgend werden besondere Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen die Auslegung der Stützstrukturen anhand der berechneten Verteilung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit erfolgt. Die Verteilung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit kann durch eine thermische Berechnung für ein bestimmtes Bauteil numerisch ermittelt werden. Deshalb folgen hiernach zunächst einmal Ausführungen zur Wärmeableitungsfähigkeit als Quantifizierungswert.In the following special embodiments are described in which the design of the support structures is based on the calculated distribution of the local heat dissipation capability. The local heat dissipation capability distribution can be numerically determined by a thermal calculation for a particular component. For this reason, comments on the heat dissipation capability as a quantification value will follow.

Die Auslegung der Trajektorien und der Reihenfolgen des Wärmeeintrags erfolgen auf Basis der simulationsbasierten Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit in einer Bauteilschicht. Die lokale Wärmeableitungsfähigkeit charakterisiert die Fähigkeit eines bestimmten Bauteilbereichs, die Wärme in das Innere des Bauteils abzutransportieren. Generell wird die Wärmeableitungsfähigkeit D („Dissipation“) der Bauteilschicht als Integral des Wärmeflusses q über die Oberfläche s definiert (1): The design of the trajectories and the orders of the heat input are based on the simulation-based determination of the local heat dissipation capability in a component layer. The local heat dissipation capability characterizes the ability of a particular device area to carry away heat to the interior of the device. In general, the heat dissipation capability D ("dissipation") of the device layer is defined as the integral of the heat flow q over the surface s ( 1 ):

Die lokale Wärmeableitungsfähigkeit kann aufgrund der Wärmeleitungsgleichung berechnet werden: $D = \int_{V} d i v (q) = \int_{V} (Q - c ρ \frac{δ T}{δ t}) d V$

The local heat dissipation capability can be calculated from the heat equation:

D = \int_{V} d i v (q) = \int_{V} (Q - c ρ \frac{δ T}{δ t}) d V

Q ist die Leistung der Wärmequelle im Volumen V, c ist die Wärmekapazität, ρ ist die Dichte, t ist die Zeit.Q is the power of the heat source in volume V, c is the heat capacity, ρ is the density, t is the time.

In einem bestimmten Punkt P des Bauteils (V→o) wird dann die lokale Wärmeableitungsfähigkeit D^loc wie folgt definiert: $D^{l o c} = d i v (q) = Q - c ρ \frac{δ T}{δ t}$

At a certain point P of the component (V → o), the local heat dissipation capability D^loc is then defined as follows:

D^{l O c} = d i v (q) = Q - c ρ \frac{δ T}{δ t}

Die lokale Wärmeableitungsfähigkeit hängt nicht nur von den Werkstoffeigenschaften (Wärmeleitung, Wärmekapazität, Dichte) und vom Wärmeeintrag ab. Sie wird auch von den Randbedingungen, wie z. B. die lokale Bauteilgeometrie, stark beeinflusst.The local heat dissipation capability depends not only on the material properties (heat conduction, heat capacity, density) and heat input. It is also affected by the boundary conditions, such. As the local component geometry, strongly influenced.

Wie die obigen Ausführungen zeigen, bestehen somit zumindest zwei mögliche unabhängige Wege zur Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit eines Punktes einer Bauteilschicht darin, $D^{l o c} = d i v (q) = d i v (- λ g r a d (T))$

oder

D^{l o c} = Q - c ρ \frac{δ T}{δ t}

zur Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit zu verwenden, wobei in beiden Fällen auch noch die lokale Bauteilgeometrie zu berücksichtigen ist.Thus, as the above discussion shows, there are at least two possible independent ways of determining the local heat dissipation capability of a point of a device layer therein;

D^{l O c} = d i v (q) = d i v (- λ G r a d (T))

or

D^{l O c} = Q - c ρ \frac{δ T}{δ t}

to use for determining the local heat dissipation ability, in both cases, the local component geometry is also taken into account.

Für die Zeiten einer reinen Abkühlung eines Punktes der Bauteilschicht, d.h. für die Zeiten, in denen die Wärmequelle in dem betrachteten Punkt nicht mehr wirkt (Leistung der Wärmequelle Q = o) ergibt der zweite aus den oben genannten Berechnungswegen eine noch einfachere Form der Darstellung: $D^{l o c} = - c ρ \frac{δ T}{δ t}$

For the times of a pure cooling of a point of the component layer, ie for the times in which the heat source in the considered point no longer works (power of the heat source Q = o) gives the second of the above-mentioned calculation paths an even simpler form of representation:

D^{l O c} = - c ρ \frac{δ T}{δ t}

Diese Darstellung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit ermöglicht eine einfache Ermittlung der Fähigkeit eines bestimmten Punktes zur Dissipation der Wärme in einem bestimmten Zeitpunkt. Je höher die Abkühlgeschwindigkeit in dem betrachteten Punkt in einem bestimmten Zeitpunkt ist, desto höher ist die lokale Wärmeableitungsfähigkeit.This representation of the local heat dissipation capability allows a simple determination of the ability of a particular point to dissipate the heat at a given time. The higher the cooling rate at the point under consideration at a certain time, the higher the local heat dissipation capability.

Generell ändert sich die Temperaturverteilung und die Abkühlgeschwindigkeit im Bauteil und dementsprechend die lokale Wärmeableitungsfähigkeit mit der Zeit. Daher ist es sinnvoll, die lokale Wärmeableitungsfähigkeit über eine bestimmte Zeit zu integrieren und den resultierenden Wert für die Charakterisierung der Wärmedissipation in einem bestimmten Punkt zu verwenden. Unter Annahme der Abwesenheit einer Wärmequelle ergibt sich ein folgender Wert: $D_{i n t}^{l o c} = - \int_{0}^{τ} c ρ \frac{δ T}{δ t} d t = - \int_{0}^{τ} \frac{δ H}{δ t} d t = - Δ H$

In general, the temperature distribution and the cooling rate in the component and, accordingly, the local heat dissipation capability change with time. Therefore, it makes sense to integrate the local heat dissipation capability over a certain time and to use the resulting value for the characterization of the heat dissipation at a certain point. Assuming the absence of a heat source, the following value results:

D_{i n t}^{l O c} = - \int_{0}^{τ} c ρ \frac{δ T}{δ t} d t = - \int_{0}^{τ} \frac{δ H}{δ t} d t = - Δ H

ΔH ist die Änderung der Enthalpie im Zeitintervall vom o bis τ.ΔH is the change in enthalpy in the time interval from o to τ.

Unter Annahme der temperaturunabhängigen Materialeigenschaften kann die lokale Wärmeleitungsfähigkeit durch die Änderung der Temperatur charakterisiert werden: $D_{i n t}^{l o c} = - Δ H = - c ρ Δ T$

Assuming the temperature-independent material properties, the local thermal conductivity can be characterized by the change in temperature:

D_{i n t}^{l O c} = - Δ H = - c ρ Δ T

Die beiden Darstellungen der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit können im Rahmen einer Berechnung des Temperaturfeldes (thermische Berechnung) leicht ermittelt werden.The two representations of the local heat dissipation capability can be easily determined by calculating the temperature field (thermal calculation).

Indirekte physikalische Interpretation des Wertes der lokalen WärmeableitungsfähigkeitIndirect physical interpretation of the value of local heat dissipation capability

Die Wärme in einem additiven Prozess wird normalerweise hauptsächlich nach unten, von einer generierten Bauteilschicht in das Innere des Bauteils, abtransportiert. Dabei deutet der Wert einer lokalen Wärmeableitungsfähigkeit indirekt auf die Menge der unter dem bestimmten Punkt der Bauteilschicht befindlichen Masse des „kalten“ konsolidierten Materials. Je mehr „kalte“ Materialmasse sich unter einem bestimmten Punkt einer Bauteilschicht befindet, desto höher ist der Wert einer lokalen Wärmeableitungsfähigkeit.The heat in an additive process is normally removed mainly downwards, from a generated component layer into the interior of the component. The value of local heat dissipation capability indirectly indicates the amount of mass of "cold" consolidated material below the particular point of the device layer. The more "cold" material mass is below a particular point of a device layer, the higher the value of local heat dissipation capability.

Berechnungsmethode zur Ermittlung von lokaler Wärmeableitungsfähigkeit Calculation method for determining local heat dissipation capability

Die thermischen Simulationen zur Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit können mit allen numerischen Methoden für die Lösung der partiellen Wärmeleitungsgleichung durchgeführt werden, wie z. B. die Methode der Finiten Elemente oder die Methode der finiten Differenzen.The thermal simulations for determining the local heat dissipation capability can be performed with all numerical methods for the solution of the partial heat equation, such. For example, the finite element method or the finite difference method.

In einer vereinfachten Ausführung der numerischen Simulation kann die Ermittlung der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit schneller erfolgen. Dafür wird als Anfangsbedingung eine künstliche Temperaturverteilung, mit der in Aufbaurichtung aufsteigenden Temperatur und einem konstanten Temperaturgradienten, verwendet. Eine solche Anfangsbedingung imitiert die Temperaturverteilung im realen Aufbauprozess. Der Wärmefluss am Anfang der Berechnung erfolgt ausschließlich nach unten (in Z-Richtung).In a simplified implementation of the numerical simulation, the determination of the local heat dissipation capability can be faster. For this purpose, an artificial temperature distribution, with the temperature rising in the direction of construction and a constant temperature gradient, is used as the initial condition. Such an initial condition mimics the temperature distribution in the real building process. The heat flow at the beginning of the calculation takes place exclusively downwards (in the Z direction).

Eine solche vereinfachte Simulation wird zur drastischen Reduzierung der erforderlichen Rechenzeiten führen. Für die Bestimmung der o. g. Temperaturverteilung können u.a. vereinfachte Lösungen (wie z.B. 1- oder 2-dimensionale Berechnungen des Aufbauprozesses) eingesetzt werden.Such a simplified simulation will drastically reduce the required computation times. For the determination of o. G. Temperature distribution can u.a. simplified solutions (such as 1- or 2-dimensional calculations of the build process) can be used.

2 dient zur Erläuterung bzw. Definition einer zu stützenden Oberfläche eines Bauteils. Ein Bauteil1 weist einen Hohlraum (bzw. eine Öffnung) 2 auf. Der Hohlraum2 weist eine Oberfläche3 auf. In der2 sind auch berechnete Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit D_int^loc eingezeichnet. Durch Vergleich der berechneten Werte der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit an der Oberfläche3 mit einem vorgebbaren Grenzwert kann ermittelt werden, welche Stelle(n) oder Fläche(n) der Oberfläche3 abgestützt werden sollen. Wäre zum Beispiel der Grenzwert gleich Null, dann sollte im vorliegenden Beispiel die mit der Bezugszahl4 gekennzeichnete Fläche im oberen Bereich des Hohlraumes2 gestützt werden. 2 serves to explain or define a surface to be supported of a component. Acomponent 1 has a cavity (or opening) 2. Thecavity 2 has asurface 3 on. In the 2 also calculated isolines of local heat dissipation capability D_int^{loc are} plotted. By comparing the calculated values of local heat dissipation capability at thesurface 3 with a predefinable limit value it can be determined which position (s) or surface (s) of thesurface 3 should be supported. For example, if the threshold were zero, then in the present example, the one with thereference number 4 marked surface in the upper region of thecavity 2 be supported.

Eine sehr vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf der Auslegung von Kontaktlinien7 zwischen den einzelnen Elementen einer Stützstruktur und eines zu stützenden Bereiches40 der unteren Oberfläche11 eines Bauteils senkrecht zu Isolinien8 der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit auf der in diesem Beispiel unteren Oberfläche11 (siehe3).A very advantageous embodiment of the method according to the invention is based on the design ofcontact lines 7 between the individual elements of a support structure and an area to be supported 40 the lower surface 11 a component perpendicular to isolines 8th the local heat dissipation capability on the lower surface in this example 11 (please refer 3 ).

Die Orientierung der Elemente der Stützstruktur senkrecht zu den Isolinien8 der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit bedeutet automatisch die Orientierung in Richtung des Gradienten der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit. Durch eine solche Orientierung der Elemente der Stützstruktur werden die Bereiche mit einer höheren und mit einer niedrigeren Wärmeableitungsfähigkeit über den kürzesten Weg überspannt. Dies bedeutet einen sehr effizienten Wärmeabtransport aus den erhitzten Bauteilbereichen in die Bauteilbereiche, welche die Wärme besser abführen können.The orientation of the elements of the support structure perpendicular to the isolines 8th The local heat dissipation capability automatically means the orientation toward the gradient of local heat dissipation capability. By thus orienting the elements of the support structure, the regions with higher and lower heat dissipation capability are spanned over the shortest path. This means a very efficient removal of heat from the heated component areas in the component areas, which can dissipate the heat better.

Darüber hinaus wird die an den Gradienten der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit angepasste Orientierung der Elemente der Stützstruktur einen weiteren, sehr positiven mechanischen Effekt hervorrufen. Im Aufbauprozess auftretende Spannungen werden vor allem durch die thermisch-bedingte Wärmekontraktion (Schrumpfung des Materials während der Abkühlung) verursacht. Im Allgemeinen sind diese Spannungen ein Resultat eines lokalen Unterschieds der Wärmekontraktionen in zwei benachbarten Bereichen. Die Spannungen sind umso höher, je größer eine lokale Differenz der Wärmekontraktion zwischen den benachbarten Bauteilbereichen ist. Dabei ist die Wärmekontraktion in jedem Bereich linear von der lokalen Änderung der Temperatur abhängig. Eine ähnliche lineare Abhängigkeit von der Temperaturänderung zeigt auch die lokale Wärmeableitungsfähigkeit (siehe oben). Die Stützstellen mit der oben beschriebenen Orientierung werden somit senkrecht zu den Isolinien der Wärmekontraktion orientiert. Ist die kürzeste Überbrückung der Bereiche mit einer niedrigeren Wärmekontraktion mit den Bereichen einer höheren Wärmekontraktion, werden die dabei auftretenden Spannungen besser ausgeglichen. Daher ist zu erwarten, dass die senkrecht zu den Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit orientierten Elemente der Stützstruktur einen besseren mechanischen Widerstand gegen die im Prozess auftretenden Spannungen und Verzug leisten werden. Damit wird die mechanische Prozessstabilität automatisch erhöht.In addition, the orientation of the elements of the support structure adapted to the gradients of the local heat dissipation capability will produce a further, very positive mechanical effect. In the build-up process occurring stresses are mainly caused by the thermally induced thermal contraction (shrinkage of the material during cooling). In general, these stresses are a result of a local difference in thermal contraction in two adjacent regions. The tensions are higher, the greater a local difference of the thermal contraction between the adjacent component areas. The thermal contraction in each area is linearly dependent on the local change in temperature. A similar linear dependence on the temperature change also shows the local heat dissipation capability (see above). The support points with the orientation described above are thus oriented perpendicular to the isolines of thermal contraction. The shortest bridging of the areas with a lower thermal contraction with the areas of a higher thermal contraction, the resulting stresses are better balanced. Therefore, it is to be expected that the elements of the support structure oriented perpendicular to the isolines of the local heat dissipation capability will provide better mechanical resistance to the stresses and distortion occurring in the process. This automatically increases the mechanical process stability.

Eine besonders einfache Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine Stützstruktur die Bauteilbereiche mit einer niedrigeren Wärmeableitungsfähigkeit mit den Bereichen einer höheren Wärmeableitungsfähigkeit verbindet (siehe4 (insbesondere (b)). Somit erfolgt ein effektiver Abtransport der Wärme von den überhitzten Bereichen.A particularly simple embodiment of the method according to the invention provides that a support structure connects the component regions with a lower heat dissipation capability to the regions of a higher heat dissipation capability (see FIG 4 (in particular (b)). Thus, there is an effective removal of heat from the overheated areas.

Sowohl vorangehend als auch nachfolgend soll unter dem Begriff „Bauteil“ nicht nur ein Bauteil im herkömmlichen Sinne, sondern auch das gesamte Konstrukt aus mehreren Bauteilen inklusive Bauplatte in einer Aufbaucharge eines 3D-Druckers (der sogenannte „Baujob“) gemeint sein. In allen Figuren wird als „z“ die Aufbaurichtung dargestellt.Both above and below, the term "component" is intended to mean not only one component in the conventional sense, but also the entire construct of several components, including a structural panel in a buildup batch of a 3D printer (the so-called "build job"). In all figures, the construction direction is shown as "z".

Die automatisierte Auslegung der Stützstruktur5 bzw. eines Elements derselben kann so erfolgen:

- Es werden die zu stützende Oberfläche16 des Bauteils1 (eine Oberfläche mit einer niedrigen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit), eine Basisoberfläche17 (eine Oberfläche mit einer hohen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit) der Oberfläche3 eines Hohlraums (bzw. einer Öffnung)2im Bauteil1 und ein Überbrückungsraum zwischen diesen beiden Oberflächen16 und17 definiert (siehe4(a)); und
-eine Stützstruktur5 bzw. ein Element der Stützstruktur verbindet die Stelle mit der niedrigen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit (der zu stützenden Oberfläche16) des Bauteils1 mit der Stelle der hohen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit auf derBasisoberfläche17.

The automated design of thesupport structure 5 or an element of the same can be done as follows:

- It will become the surface to be supported 16 of the component 1 (a surface with a low local heat dissipation capability), a base surface 17 (a surface with a high local heat dissipation capability) of the surface 3 a cavity (or opening) 2 in thecomponent 1 and a bridging space between these twosurfaces 16 and 17 defined (see 4 (a) ); and
- asupport structure 5 or an element of the support structure connects the site with the low local heat dissipation capability (the surface to be supported 16 ) of thecomponent 1 with the site of high local heat dissipation capability on thebase surface 17 ,

Wenn die Stützstruktur mehrere derartige Elemente umfassen soll, so würde das Verfahren in der Form fortgesetzt werden, dass ein nächstes Element eine Stelle mit einer niedrigen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit auf der verbliebenen zu stützenden Oberfläche16 mit einer Stelle einer hohen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit auf der verbliebenen Basisfläche17 verbindet, wobei darauf geachtet wird, dass sich dieses Element mit dem bereits ausgelegten Element im Überbrückungsraum nicht überkreuzt. Dieser Prozess wiederholt sich, bis die gesamte zu stützende Oberfläche16 des Bauteils1 mit einer vorab definierbaren räumlichen Dichte bzw. mit einem vorab definierbaren räumlichen Abstand der Stützstellen abgedeckt worden ist.If the support structure is to comprise a plurality of such elements, the process would be continued in the form that a next element would be a site with a low local heat dissipation capability on the remaining surface to be supported 16 with a site of high local heat dissipation capability on the remainingbase area 17 Attention is paid to the fact that this element does not cross over with the already designed element in the bridging space. This process repeats until the entire surface to be supported 16 of thecomponent 1 has been covered with a pre-definable spatial density or with a pre-definable spatial distance of the support points.

Die5,6 und7 dienen zur beispielhaften Darstellung der Auslegung einer Stützstruktur zwischen einem Bauteil31 und einer Bauplatte30, wobei die Stützstruktur mehrere Elemente5 mit variabler Dicke aufweist. Die5(a),6(a) bzw.7(a) und5(b),6(b) bzw.7(b) zeigen jeweilige unterschiedliche Seitenansichten. In den Figuren sind auch ein Bereich36 mit einer niedrigen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit im Bauteil31 und ein Bereich37 mit einer hohen lokalen Wärmeableitungsfähigkeit in der Bauplatte30 dargestellt. Die Kontaktlinien der Elemente5 mit dem Bauteil31 verlaufen quer zu Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit38. Die Dicke der Elemente5 an der Kontaktfläche51 verringert sich mit der entlang der Oberfläche des Bauteils31 abnehmenden Wärmeableitungsfähigkeit und mit der Bezugszahl52 ist eine Seitenfläche eines jeweiligen Elements5 gekennzeichnet. Die7 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Elemente5 der Stützstruktur. Diese Elemente kontaktieren nur die Bauteiloberfläche und haben keinen Kontakt mit der Bauplatte. Bei Gewährleistung der notwendigen Wärmeableitungsfähigkeit ermöglicht diese Ausführungsform eine starke Einsparung der gesamten Masse der Stützstruktur. Im mechanischen Sinne stellen sie eine Versteifung des Bauteils31 dar und tragen damit automatisch zur Erhöhung der mechanischen Prozessstabilität bei.The 5 . 6 and 7 serve to exemplify the design of a support structure between acomponent 31 and abuilding board 30 wherein the support structure comprises a plurality ofelements 5 having variable thickness. The 5 (a) . 6 (a) respectively. 7 (a) and 5 (b) . 6 (b) respectively. 7 (b) show respective different side views. In the figures are also anarea 36 with a low local heat dissipation capability in thecomponent 31 and anarea 37 with a high local heat dissipation capability in thebuilding panel 30 shown. The contact lines of theelements 5 with thecomponent 31 run across isolines of localheat dissipation capability 38 , The thickness of theelements 5 at thecontact surface 51 decreases with the along the surface of thecomponent 31 decreasing heat dissipation capability and with thereference number 52 is a side surface of arespective element 5 characterized. The 7 shows a particularly advantageous embodiment of theelements 5 the support structure. These elements only contact the component surface and have no contact with the building board. By providing the necessary heat dissipation capability, this embodiment allows a large saving in the overall mass of the support structure. In the mechanical sense, they provide a stiffening of thecomponent 31 thus automatically increasing the mechanical process stability.

Die8 zeigt Beispiele für plattenförmige bzw. plattenartige Stützstrukturen bzw. Elemente5 von Stützstrukturen. In der8(a) verläuft die Stützstruktur bzw. das Element5 geradlinig, während die Stützstruktur bzw. das Element5 in der8(b) bogenförmig bzw. wellenförmig verläuft. Mit den Bezugszahlen52 und53 sind Seitenflächen der Stützstruktur bzw. des Elements5 gekennzeichnet. Die Bezugszahlen50 und51 geben Kontaktflächen zwischen der Stützstruktur bzw. dem Element5 und einem Bauteil (nicht gezeigt) an. Die Dicke der Kontaktfläche51 variiert in Abhängigkeit von der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit. Die Mittellinie57 der Kontaktfläche51 richtet sich nach den Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit.The 8th shows examples of plate-shaped or plate-like support structures orelements 5 of support structures. In the 8 (a) runs the support structure or theelement 5 straight, while the support structure or theelement 5 in the 8 (b) arcuate or wavy runs. With thereference numbers 52 and 53 are side surfaces of the support structure or of theelement 5 characterized. Thereference numbers 50 and 51 give contact surfaces between the support structure or theelement 5 and a component (not shown). The thickness of thecontact surface 51 varies depending on the local heat dissipation ability. Themidline 57 thecontact surface 51 depends on the isolines of local heat dissipation ability.

Schließlich zeigt die9 Beispiele für Stützstrukturen aus stabförmigen Elementen65. In der9(a) verläuft die Stützstruktur aus Elementen65 geradlinig, während die Stützstruktur in der9(b) bogenförmig bzw. wellenförmig verläuft. Die Bezugszahlen60 und61 geben Kontaktflächen zwischen den Elementen65 und einem Bauteil (nicht gezeigt) an. Die Kontaktfläche61 variiert in Abhängigkeit von der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit. Die Mittellinie67 der Kontaktfläche61 richtet sich nach den Isolinien der lokalen Wärmeableitungsfähigkeit.Finally, the shows 9 Examples of support structures of rod-shapedelements 65 , In the 9 (a) The support structure consists ofelements 65 straight, while the support structure in the 9 (b) arcuate or wavy runs. Thereference numbers 60 and 61 give contact areas between theelements 65 and a component (not shown). Thecontact surface 61 varies depending on the local heat dissipation ability. Themidline 67 thecontact surface 61 depends on the isolines of local heat dissipation ability.

Die Prozesswärme wird nicht nur über die Elemente der Stützstruktur, sondern auch über das an diese Elemente angrenzende Pulver (nicht gezeigt) abtransportiert. Die Hilfswirkung von Pulver in der gesamten Wärmedissipation wird durch die Abnahme des Querschnitts der Stützelemente5 (8) und 65 (9) in Richtung gegen die Aufbaurichtung widergespiegelt. Dadurch wird an Masse der gesamten Stützstruktur gespart.The process heat is removed not only via the elements of the support structure but also via the powder adjacent to these elements (not shown). The auxiliary effect of powder in the total heat dissipation is due to the decrease in the cross section of the support elements 5 ( 8th ) and 65 ( 9 ) reflected in the direction against the direction of construction. This saves on the mass of the entire support structure.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in den beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The features of the invention disclosed in the foregoing description, in the drawings and in the claims may be essential both individually and in any desired combinations for the realization of the invention in its various embodiments.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Bauteilcomponent
22: Hohlraumcavity
33: Oberflächesurface
44: abzustützende Flächesurface to be supported
55: Stützstruktur/Element(e)Support structure / element (s)
77: KontaktlinienContact lines
88th: Isolinien der lokalen WärmeableitungsfähigkeitIsolines of local heat dissipation ability
1111: untere Oberflächelower surface
1616: zu stützende Oberflächeto be supported surface
1717: Basisoberflächebasic interface
2020: Bauplattebuilding board
2121: Bauteilcomponent
2626: Bereich mit einer niedrigen lokalen WärmeableitungsfähigkeitArea with a low local heat dissipation capability
2727: Bereich mit einer hohen lokalen WärmeableitungsfähigkeitArea with a high local heat dissipation capability
3030: Bauplattebuilding board
3131: Bauteilcomponent
4040: zu stützender Bereicharea to be supported
5050: Kontaktflächecontact area
5151: Kontaktflächecontact area
5252: Seitenflächenfaces
5353: Seitenflächenfaces