CN107820459A - 具有测量装置的可生产的制造装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种装置(10,100,150,200,250,300)，特别是用于逐层增材制造复杂的三维部件(12)，所述装置具有用于在部件(12)的制造期间连续地监测质量参数的测量装置(30,202,252,302)，所述质量参数特别地为保护性气体(24)的温度和/或化学组成。测量装置(30,202,252,302)和具有材料粉末(16)的床(14)至少在一些区域被填充有保护性气体(24)的加工单元(22)围绕，并且可以通过至少一个激光器(32,204,254,304)使最上层(18)的材料粉末(16)在熔化区域(42)中以空间受限的方式熔化。根据本发明，测量装置(30,202,252,302)具有至少一个激光器(32,204,254,304)和至少一个光学传感器(34,206,218,256,306,308)，所述光学传感器用于提前检测熔化区域(42)的范围内的质量参数，特别是通过拉曼光谱。因此，可以立即检测、评估并可选地通过节省资源的方式纠正部件(12)中可能的结构错误。

Description

具有测量装置的可生产的制造装置
技术领域
本发明涉及一种装置，特别是用于复杂的三维部件的逐层增材制造，该装置具有用于在部件的制造期间连续地监测质量指标的测量机构，该质量指标特别地为保护性气体的温度和/或化学组成，其中，测量机构和具有材料粉末的床至少在一些区域被填充有保护性气体的加工单元围绕，并且可以通过至少一个激光器使最上层的材料粉末在熔化区域中以局部受限的方式熔化。
背景技术
现有技术中已知有增层制造(ALM)方法，在该方法中激光器简单地以有针对性的方式局部熔化平坦床中的材料粉末。然后，已经被逐点熔化的材料粉末再次硬化或凝固，使得复杂的三维部件可以由许多层叠的粉末层制造，其中各层含有材料粉末的二维硬化的几何形状。在每层熔化和硬化的过程之后，需要通过刮刀或滑块在每种情况下其下方具有局部硬化的粉末材料的层上铺设材料厚度均匀的新的粉末层。施加的粉末层的厚度在高达100μm的范围内。重复整个过程直到形成三维部件的所有粉末层均已通过激光器进行处理或部分熔化。在除去没有被熔化和凝固过程刚性地结合的材料粉末后，保留完成的三维部件。例如，材料粉末可以是细小颗粒、灰尘状金属粉末、热塑性粉末、热固性塑料材料粉末等。
通过ALM方法制造的部件的质量受到许多因素的影响。例如，工艺质量的重要影响因素为主要取决于激光器输出的熔点温度和每种情况下用作原材料的金属或塑料材料粉末的均匀性。此外，该方法基本上必须在惰性保护性气体下进行，以避免氧化。
另外，已知用于ALM工艺的机器借助于激光功率间接地检测输入到材料粉末中的热量。此外，装置内的保护性气体的化学组成(如果有的话)仅被逐点检测。因此，可能出现在熔点温度太高。此外，氧气可能不被注意地进入保护性气体中，或可能超过允许的残留氧浓度。
发明内容
因此，本发明的目的在于说明一种用于执行ALM方法的装置，其中特别避免了熔点温度的升高，并且监测了熔点区域中的氧浓度。
上述目的首先通过下述方式实现，即测量机构具有至少一个激光器和至少一个光学传感器，该光学传感器用于优先检测熔化区域范围内的质量指标，特别是通过拉曼光谱优先检测熔化区域范围内的质量指标。
由此可以在进行的ALM工艺过程的早期阶段以高空间分辨率识别工艺错误，例如，部件的氧化或熔融的材料粉末的飞溅，并且可以通过适当调整工艺参数来为将来进行补救。所谓的旋转拉曼散射优选通过至少一个传感器来检测。例如，从拉曼光谱的测量可以看出材料粉末的熔化是否稳定地进行，换言之，在预定的容差范围内进行。另外，熔化区域范围内的温度可以基于旋转拉曼线的大小来确定。而且，拉曼光谱还可用于确定熔化区域中的能量或温度。
在本说明书的上下文中，术语“质量指标”尤其限定对下述的度量：熔化区域范围内的温度、不期望气体的存在、任何不期望的部件的氧化、熔化区域中熔融材料粉末的结晶度或结晶程度、熔化过程的稳定性、材料的任何飞溅以及在热固性或热塑性材料粉末的情况下，特别是其交联程度和纤维增强件的影响。测量机构尤其允许检测熔化区域相对于要通过ALM方法制造的部件的空间位置、激光器发射的激光辐射在熔化区域中的强度、熔化区域的范围和强度分布、保护性气体中氧的存在、熔化区域中温度测量用的旋转拉曼散射以及熔化区域的光谱。
在一种实施方式的情况下，光学传感器可以通过导向系统追踪熔化区域。由此可以在熔化区域中进行非常精确的测量。
在另一种有利的实施方式中，可以通过光学传感器检测激光器的工作区域。由此可以实现平面测量。术语“工作区域”可以被认为是指具有材料粉末的床的区域，其可以通过导向系统对激光器进行对应的定位而被激光辐射照射。
根据另一种实施方式，可以通过光学传感器检测至少一个预定且固定的区域。因此，制造出测量机构简化的设计结构，其允许以这种构造(constellation)随机地对部件的至少一个预定区域进行测量。
根据一种改进，在每种情况下，光学系统均与激光器和/或传感器相关联。因此，可能存在有针对性的综合光束影响由激光器发射的激光辐射。例如，这种光学系统可以包括透镜(特别是凸透镜或凹透镜)、滤光器、偏光片、反光镜等。
在另一种改进中，光学传感器集成在至少一个激光器的导向系统中，以便相对于部件在空间中定位激光器。因此，制造出了设计结构大大简化的装置，因为(熔化)激光器的导向系统也可以用于使测量机构移动。
在另一种实施方式的情况下，至少一个激光器发射的激光辐射可以通过半透镜偏转到床的最上层的材料粉末上，并且材料粉末散射的测量辐射在无偏转地通过半透镜之后可以被馈送到至少一个光学传感器。因此，提供了节省空间的装置结构。
根据另一种实施方式，由至少一个激光器发射的激光辐射以无偏转的方式穿过半透镜，并且床的最上层的材料粉末散射的测量辐射在通过半透镜偏转之后可以被馈送到至少一个光学传感器。因此，省去了要偏转由激光器发射的特别强的激光辐射的需要。
根据另一种实施方式，在每种情况下，至少一个光学传感器及与之相关联的光学系统均与至少一个激光器同轴设置。因此，可以实现空间更紧凑的装置结构。
电子评估单元优选与测量机构相关联。因此，可以对至少一个传感器提供的测量值进行深入数值评估和分析，以便在进行的ALM过程中可以监测复杂的质量分析，出于此目的该质量分析优选实时地或在线地进行。
优选可以通过至少一个光学传感器来无接触式地检测熔化区域相对于部件的空间位置和/或熔化区域中的温度。因此，测量值可以与限定的部件的坐标相关联，使得可以在任何时间进行进一步研究部件的已经发现质量指标不允许的偏离的区域。
熔化区域的范围内的温度优选可以通过利用至少一个传感器检测红外辐射量或旋转拉曼辐射来检测。结果，可以高精度地检测熔化区域的范围内的局部温度。这里通过光学传感器在熔化区域中测量红外光谱内的普朗克热辐射，在这种情况下，例如该光学传感器被配置为辐射热测量计或高温计，并且由此借助于评估单元计算熔化区域的温度。可替代地，可以通过至少一个传感器检测保护性气体内的拉曼散射。根据由激光器发射的激光辐射所限定的测量点处气体的温度，旋转拉曼辐射具有不同的宽度和强度。通过滤除原始激光辐射的窄带滤光器，可以通过光学传感器测量余下的光谱辐射，并因此可以确定温度。
在另一种配置的情况下，保护性气体内的氧和/或其他气体可以通过利用至少一个传感器和测量激光器得到的红外线吸收或拉曼位移来检测。因此，可以可靠地检测保护性气体中不期望的气体。为此，例如，然后通过加工单元引导与光谱中的氧线匹配的、用作测量激光器的另一个激光器。在测量激光器发射的激光辐射的路径的一个端部处为对应配置的光学传感器，其检测氧分子存在时所发生的激光辐射的吸收。
保护性气体中的氧和/或其他气体优选可以通过至少一个传感器和至少一个激光器利用染料和/或材料粉末上散射的测量辐射的强度来检测。因此，可以可靠地检测“毒害”保护性气体的不期望的气体或气体分子。在这种构造中，激光器或熔化激光器同时用作测量激光器。当氧或氧分子出现在保护性气体中时，在光谱中产生Q分支的旋转振动拉曼线，其可以通过窄带滤光器和对应配置的光学传感器检测到。在这种情况下，可以发出警告信号，例如通过评估单元发出警告信号。
根据一种有利的配置，可以通过评估单元确定质量指标，特别是部件的氧化和熔化区域中的结晶度。因此，可以连续地以高精度监测通过熔化和凝固材料粉末所逐层形成的部件的质量。在质量指标明显恶化(其表明ALM过程中与质量有关的错误)的情况下，可以重新调整制造工艺并且还可以完全中断它。
附图说明
图1为装置的第一实施方式的视图；
图2为装置的第二实施方式的视图；
图3为装置的第三实施方式的视图；
图4为装置的第四实施方式的视图；
图5为装置的第五实施方式的视图；
图6为装置的第六实施方式的视图。
具体实施方式
图1为装置的第一实施方式的示意图。用于通过ALM方法制造复杂的三维部件12的装置10尤其包括由许多材料粉末16的薄层形成的平面床14，在此仅绘制出了其两个层18、20。材料粉末16可以为热塑性材料粉末、热固性材料粉末或金属材料粉末。此外，装置10包括填充有惰性保护性气体24的加工单元22。此外，装置10具有由激光器32和光学传感器34形成的测量机构30。可选的光学系统36、38可以连接在激光器32和传感器34二者的上游。床14的最上层18中的熔化区域42可以通过激光器32发射的单色激光辐射40暂时熔化。在熔化过程之后，熔化区域42通常自动硬化或凝固，并形成要通过ALM过程制造的部件12的硬化或硬质层。测量辐射46被熔化区域42散射回或反射回并被传感器34检测，以确定开始提到的ALM过程的质量指标。
质量指标尤其通过利用传感器34得到的散射测量辐射46的拉曼光谱来确定，但是也可以通过其他光学测量方法进行。
光学传感器34提供的测量值优选通过数字电子评估单元50进行实时评估。在这里示出的装置的第一实施方式的情况下，如由两个白色双箭头所示，包括光学系统36的光学传感器34可以通过导向系统52相对于床14自由地定位，因此可以追踪同样也可以通过导向系统54自由地在空间定位的激光器32及其光学系统38，使得优选总是在熔化区域的范围内确定质量指标。此外，如果需要的话，可以通过评估单元50为部件12的每个坐标分配至少一个质量指标，以便查找错误，空间分辨力基本上仅受导向系统52、54的定位精度的限制。两个导向系统52、54及需要调节装置10的所有其他部件的控制或调节同样优选通过评估单元50进行。
例如，非接触式光学温度测量可以通过利用传感器34检测熔化区域42中的红外辐射量来进行。这里在激光束的熔点处光学检测普朗克热辐射，并且通过配置为辐射热测量计或高温计的传感器34检测红外光谱内的辐射量，并且由此通过评估单元50计算温度。
此外，非接触式光学温度测量可以通过测量旋转拉曼散射来进行。为此，测量熔化区域42的范围内的激光辐射40在保护性气体24中的拉曼散射，并通过评估单元50进行评估。根据保护性气体24的温度，旋转拉曼散射具有不同的宽度和强度。在这种类型的构造中，设置在用光学传感器34上游的光学系统36被配置为滤除原始激光辐射40的窄带滤光器，使得可以通过传感器34测量余下的光谱辐射，并且可以利用评估单元50计算温度。
另外，保护性气体24中的氧分数可以通过利用传感器34得到的拉曼位移来识别。为此，(熔化)激光器32本身也用作测量激光器。当保护性气体24中出现氧分子时，光谱中将出现Q分支的旋转振动拉曼线，该拉曼线又可以用窄带滤光器检测到，使得可以从评估单元50发出警告和/或可以通过评估单元50自动地中断ALM过程。
图2示出了装置的另一种实施方式。装置100基本上具有与根据图1的装置的第一实施方式相同的设计结构。具有上游光学系统38的激光器32和具有上游光学系统36的传感器34又形成测量机构30。然而，与图1的实施方式相比，激光器32和光学系统38的工作区域102完全可以通过传感器34及与之相关联的光学系统36来检测，使得传感器34及其光学系统36不需要用于相对于床14定位的导向系统。熔化区域42在这里总是位于工作区域102内。工作区域102为可以通过激光器32的激光辐射40检测到的床14的区域。
图3示出了装置的另一种实施方式。装置150又基本上包括与图2的实施方式相同的设计元件。然而，与之相反，只有相对于床14固定的预定区域152可以通过传感器34及与之相关联的光学系统36来检测，使得只能进行随机的逐点测量。根据激光器32及其光学系统38相对于床14的相应位置，融化区域42可以与预定区域152一致或位于其外部。在图3所示的实施方式中，当激光器32与光学系统(由白色箭头表示)一起采取由虚线表示的相对于床14的位置时，融化区域42仅到达预定区域152。
通常，需要许多区域152，其优选位于部件12的质量指标更频繁地超出预定规定或限制值的那些部分。
图4示出了装置的第四实施方式。装置200尤其包括测量机构202，该测量机构由激光器204、光学传感器206和半透镜208构成。除了其作为用于熔化床14的熔化区域42的范围内的两层18、20的最上面的材料粉末16的(熔化)激光器204的主要功能之外，激光器204还同时用作测量激光器，以与光学传感器206配合来监测熔化区域42的范围内的质量指标。为此，激光器204产生的激光辐射210通过半透镜208在这里例如偏转90度，并且被输入到床14的熔化区域42中。熔化区域42散射或反射回的测量辐射212部分平行于激光辐射210传播，穿过半透镜208，而不经历方向的改变，并且落在光学传感器206上，该光学传感器206的测量值又被馈送到电子数字评估单元50，以便计算质量指标或质量特性。激光器204和测量机构202可以通过导向系统214相对于床14自由地移动，因此可以在逐层增材处理ALM过程中以高精度制造部件12。为了更好的图形清晰度，没有示出避免氧化过程所必需的具有保护性气体的加工单元。
此外，可以提供测量激光器216和另外的光学传感器218。例如，测量激光器216与光谱中的氧线匹配，因此以对应的频率发射(测量)激光辐射220。这种激光辐射220由具有保护性气体的加工单元(这里没有示出)平行于床14引导，并且在通过熔化区域42之后，照射到相应灵敏配置的光学传感器218，该光学传感器检测不希望的氧分子存在时所发生的激光辐射220的吸收，并且还将其传递至评估单元50。
与前三个实施方式相比，这里示意性示出的第四实施方式允许节省空间的结构模式，因为激光器204作为熔化激光器和测量激光器执行了双重功能。
图5示出了装置的第五实施方式，其体现了第四实施方式的子变型。装置250又包括测量机构252，该测量机构具有激光器254、光学传感器256、半透镜258和评估单元50。两层18、20的最上面的材料粉末16通过激光器254产生的激光辐射260在熔化区域42的范围内被熔化。然后，材料粉末16在熔化区域42中凝固。因此，要制造的部件12以逐层增加的方式构造。第五实施方式的结构对应于根据图4的装置的第四实施方式的结构，其中基本区别在于激光器254和传感器256的布置相对于半透镜258调换。
图6示出了装置的第六实施方式。与上述配置相比，装置300包括测量机构302，该测量机构具有激光器304、两个光学传感器306、308(各自具有上游光学系统310、312)以及评估单元50。测量机构302同时具有熔化功能，测量机构302至少可以借助于导向系统(没有示出)在空间中平行于床14移动。两层18、20的最上面的材料粉末16通过激光器304发射的激光辐射314主要在熔化区域42的范围内暂时熔化，然后在ALM工艺过程中又自动硬化，从而形成部件12。熔化区域42散射或反射回的测量辐射316、318穿过相关联的光学系统310、312到达分别相关联的光学传感器306、308，传感器306、308的测量值经过处理借助于评估单元50形成质量指标。与上述配置相反，例如，两个光学传感器306、308与测量机构302中的激光器304同轴设置，因此尤其可以进一步减小安装空间，并且还可以使用激光器304的导向系统。
此外，可以通过第一传感器306(例如，通过测量辐射316的拉曼光谱)检测熔化区域42的温度，并且例如借助于第二测量辐射318和第二传感器308并结合合适的测量方式，可以同时得出有关加工单元内保护性气体(这里没有示出)中存在不期望的氧原子或其他气体的结论。
此外，在激光辐射314照射到熔化区域42之前，可以通过两个传感器306、308中的至少一个来进行拉曼线的测量。
使用根据本发明的ALM装置10，可以同时检测构造的部件12的质量，因此，在实际制造过程中节省了时间。在与预定限制值存在不允许的偏离，由此通常表示质量下降时，ALM制造工艺可以由评估单元40控制而自动中断。这可以避免资源浪费或施加新的材料粉末16的层以及通过光学传感器进行重新扫描或测量。此外，由装置10确定的质量指标(优选与指定的部件坐标相关联)允许可靠地估计是否将结构错误分为关键性错误类。
附图标记列表
10装置 12部件 14床 16材料粉末 18层(材料粉末) 20层(材料粉末) 22加工单元 24保护性气体 30测量机构 32激光器 34光学传感器 36光学系统 38光学系统 40激光辐射 42熔化区域 46测量辐射 50评估单元 52导向系统(传感器) 54导向系统(激光器)100装置(第二变型) 102工作区域 150装置(第三变型) 152预定区域 200装置(第四变型)202测量机构 204激光器 206光学传感器 208半透镜 210激光辐射 212测量辐射 214导向系统 216测量激光器 218光学传感器 220(测量)激光辐射 250装置(第五变型) 252测量机构 254激光器 256光学传感器 258半透镜 260激光辐射 262测量辐射 264导向系统300装置(第六变型) 302测量机构 304激光器 306光学传感器 308光学传感器 310光学系统 312光学系统 314激光辐射 316测量辐射 318测量辐射

Claims (15)

1.一种装置(10,100,150,200,250,300)，特别是用于复杂的三维部件(12)的逐层增材制造，所述装置具有用于在部件(12)的制造期间连续地监测质量指标的测量机构(30,202,252,302)，所述质量指标特别地为保护性气体(24)的温度和/或化学组成，其中，测量机构(30,202,252,302)和具有材料粉末(16)的床(14)至少在一些区域中被填充有保护性气体(24)的加工单元(22)围绕，并且能够通过至少一个激光器(32,204,254,304)使最上层(18)的材料粉末(16)在熔化区域(42)中以局部受限的方式熔化，所述装置的特征在于，测量机构(30,202,252,302)具有至少一个激光器(32,204,254,314)和至少一个光学传感器(34,206,218,256,306,308)，所述光学传感器用于优先检测熔化区域(42)的范围内的质量指标，特别是通过拉曼光谱检测熔化区域(42)的范围内的质量指标。
2.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，光学传感器(34)能够通过导向系统(52)追踪熔化区域(42)。
3.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，通过光学传感器(34)能够检测激光器(32)的工作区域(102)。
4.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，通过光学传感器(34)能够检测至少一个预定和固定的区域(152)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置(10)，其特征在于，在每种情况下，光学系统(36,38)均与激光器(32)和/或光学传感器(34)相关联。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置(200,250)，其特征在于，光学传感器(206,256)集成在至少一个激光器(204,254)的导向系统(214,264)中，以便相对于部件(12)在空间中定位激光器(204,254)。
7.根据权利要求6所述的装置(200)，其特征在于，由至少一个激光器(204)发射的激光辐射(210)能够通过半透镜(208)偏转到床(14)的最上层(18)的材料粉末(16)上，并且材料粉末(16)散射的测量辐射(212)在无偏转地通过半透镜(208)之后能够被馈送到至少一个光学传感器(206)。
8.根据权利要求6所述的装置(250)，其特征在于，由至少一个激光器(254)发射的激光辐射(260)以无偏转的方式穿过半透镜(258)，并且床(12)的最上层(18)的材料粉末(16)散射的测量辐射(262)在通过镜(258)偏转之后能够被馈送到至少一个光学传感器(256)。
9.根据权利要求1所述的装置(300)，其特征在于，在每种情况下，至少一个光学传感器(306,308)及与之相关联的光学系统(310,312)均与至少一个激光器(304)同轴设置。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置(10,100,150,200,250,300)，其特征在于，电子评估单元(50)与测量机构(30,202,252,302)相关联。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置(10,100,150,200,250,300)，其特征在于，能够通过至少一个光学传感器(34,206,218,256,306,308)非接触式地检测熔化区域(42)相对于部件(12)的空间位置和/或熔化区域(42)的范围内的温度。
12.根据权利要求11所述的装置(10,100,150,200,250,300)，其特征在于，熔化区域(42)的范围内的温度能够通过利用至少一个传感器(34,206,218,256,306,308)检测红外辐射量或旋转拉曼辐射来检测。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的装置(200)，其特征在于，保护性气体(24)内的氧和/或其他气体能够通过利用至少一个传感器(218)和测量激光器(216)得到的红外线吸收或拉曼位移来检测。
14.根据权利要求1至10中任一项所述的装置(10,100,150,200,250,300)，其特征在于，保护性气体(24)中的氧和/或其他气体能够通过至少一个传感器(34,206,256,306,308)和至少一个激光器(32,204,254,314)借助于染料和/或材料粉末(16)上散射的测量辐射(46,212,262,316,318)的强度来检测。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置(10,100,150,200,250,300)，其特征在于，能够通过评估单元(50)来确定质量指标，特别是部件(12)的氧化和熔化区域(42)中的结晶度。
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