CN112074361A - 用于相对于能量束的中心纵轴调节粉末流的装置 - Google Patents
用于相对于能量束的中心纵轴调节粉末流的装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112074361A CN112074361A CN201980013223.2A CN201980013223A CN112074361A CN 112074361 A CN112074361 A CN 112074361A CN 201980013223 A CN201980013223 A CN 201980013223A CN 112074361 A CN112074361 A CN 112074361A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- energy beam
- region
- powder
- particles
- longitudinal axis
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/20—Direct sintering or melting
- B22F10/25—Direct deposition of metal particles, e.g. direct metal deposition [DMD] or laser engineered net shaping [LENS]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/30—Process control
- B22F10/31—Calibration of process steps or apparatus settings, e.g. before or during manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/40—Radiation means
- B22F12/41—Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/40—Radiation means
- B22F12/44—Radiation means characterised by the configuration of the radiation means
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/50—Means for feeding of material, e.g. heads
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/50—Means for feeding of material, e.g. heads
- B22F12/53—Nozzles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/40—Radiation means
- B22F12/46—Radiation means with translatory movement
- B22F12/47—Radiation means with translatory movement parallel to the deposition plane
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/50—Means for feeding of material, e.g. heads
- B22F12/55—Two or more means for feeding material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
Abstract
本发明涉及用于相对于工作头的能量束的中心纵轴调节粉末流的装置,所述装置被设计成用于粉末沉积焊接,其中,存在用于使粉末进给部相对于能量束的中心纵轴在垂直于能量束的中心纵轴取向的平面内二维或三维对准的设备。线性光束从一侧引导到其中粉末状材料的颗粒彼此汇合的区域。垂直于此布置有用于空间分辨地检测强度的光学检测器阵列,且光学检测器阵列连接到电子评估单元,该电子评估单元被设计成确定照射区域的形状、尺寸和/或长度,在该照射区域中,通过光学检测器阵列空间分辨地检测了超出指定阈值的强度。照射区域从调节期间激光束以减小的功率撞击到的颗粒的表面延伸到在工件表面加速的粉末状颗粒的方向上布置的照射区域的部分区域,其中由激光束加热的颗粒发散地移动。
Description
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的装置。粉末沉积焊接是一种可以在工件表面上形成涂层的方法,以便例如获得具有特定有利性能的涂层或补偿在部件上由磨损导致的材料去除。然而,粉末沉积焊接方法也可以用于形成三维部件或轮廓。
背景技术
使用粉末状的通常为金属的材料,并利用能量束的能量(大多数情况下为激光束的能量)将该材料熔化,以便在材料固化后,涂层或三维轮廓可以一个叠加一个地形成多层涂层。
粉末状材料是高成本的,因此避免了粉末损失,并且设想最大程度地利用所输送的粉末状材料。
通常,使用其中容纳有粉末输送部、粉末进给部和用于影响作为能量束的激光束的光学部件的工作头。
在此,能量束通常在中心穿过工作头并垂直地指向将在上面沉积材料的表面。出于有效性的考虑,按以下方式进给粉末状材料:从各个侧面(如有可能,同时从外部)将该粉末状材料进给到能量束的影响范围。优选包围能量束的环形进给。
为此,粉末进给部被设计成使得粉末状材料经由环形缝隙式喷嘴、多个环形布置的喷嘴或彼此指向的相对地布置的喷嘴进给到布置在平面上方的区域中,在该平面上将出现实际材料沉积与固化材料。为此,通常使用环形缝隙式喷嘴,该环形缝隙式喷嘴在平面方向上被实施成圆锥形的,在该平面上将出现实际材料沉积与固化材料。多个环形布置的喷嘴可以按照圆锥体倾斜地取向。也可以在粉末进给部上使用至少两个以一定角度倾斜的相对布置的喷嘴,并且它们的排出口彼此面对。
因此,以此方式输送的粉末从一个或多个喷嘴流出,并且粉末状材料的颗粒以锐角从多个方向朝向彼此流到一个区域。该区域布置在上面沉积材料的表面的上方。在该区域中,由于能量辐射在单个颗粒上的吸收而发生了相互作用,从而颗粒部分地加热到熔化温度以上,并且在产生的焊池中,液体材料撞击将在上面沉积材料的表面并在此固化。
在粉末与能量束相互作用的区域中,粉末被预先加热并随后吸收到由能量束产生的焊池中。激光束的位置与熔焊池的位置相关。
在这种粉末同心地供应到发生相互作用的能量束的影响区域的情况下,重要的是要保持对称关系。这特别适用于能量束的中心纵轴的对准。对于激光束,这是光轴。中心纵轴应布置在所述区域的中心处或中间。即使在能量束的中心纵轴相对于进给的粉末状材料的颗粒汇合的区域的中心的横向位移较小的情况下,也会发生沉积材料的质量劣化或出现粘附问题。另外,这种位移具有不利的效果,因为更小比例的进给粉末被吸收在焊池中并因此可用于沉积材料,从而降低了涂覆或沉积速率。因此,出现粉末损失,然而期望避免该损失。
图1和图2以示意性的形式在剖视图中示出了粉末进给部如何定心(图1)以及粉末进给部如何相对于能量束4的中心纵轴发生偏移。特别是在区域3中可以看到这种效果。因此,图2示出了粉末进给部横向向右偏移的效果。能量束4在此处比在右侧撞击到所输送的粉末状材料的颗粒的时间点更早的时间点在左侧撞击到所输送的粉末状材料的颗粒。因此,与根据图1的中心进给相比,输送到区域3中的粉末的加热明显更不均匀。另外,焊池中包括更少数量的由能量束预先加热的颗粒。
到目前为止,该问题是通过在调节期间的手动影响以及操作员的视觉和主观色彩评估而解决的,因此无法排除错误,特别是在更长的时间段内或在工艺条件改变的情况下,无法获得可比较的调节结果。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种改进的调节的可能性,该调节特别可以客观地且以可比较的方式执行,并且还能够用于自动化解决方案。
根据本发明,该目的通过具有权利要求1的特征的装置实现。本发明的有利实施例和改进可以通过从属权利要求说明的特征来实现。
在根据本发明的用于相对于工作头的能量束的中心纵轴调节粉末流的装置中,所述能量束特别是激光束,所述装置被设计成用于粉末沉积焊接,粉末流是通过布置在工作头的面向工件的一侧上的粉末进给部实现的,并且该粉末进给部形成有被实施为在工件的方向上呈圆锥形的环形缝隙式喷嘴、多个环形布置的喷嘴或至少两个以一定角度倾斜且其排出口彼此面对的相对布置的喷嘴,且该粉末进给部被设计成使得粉末状材料的颗粒以锐角从多个方向汇合在一个区域中,该区域布置在上面将要沉积通过能量束的能量熔化的粉末状材料的表面的上方。
能量束相对于上面将要沉积熔化的粉末状材料的平面对准。优选地垂直于所述平面对准。
用于使粉末进给部相对于能量束的中心纵轴,特别是相对于激光束的光轴二维对准的设备在垂直于能量束的中心纵轴取向的平面中设置在在工作头上。
来自辐射源的电磁辐射作为线性光束从一侧引导到其中粉末状材料的颗粒汇合的区域。可以优选为相机系统的光学检测器阵列布置在垂直于线性光束取向的平面中。
光学检测器阵列被设计成用于空间分辨地捕获电磁辐射的强度,并且连接到电子评估单元。在这种情况下,电子评估单元被设计成用于确定照射区域的形状、尺寸和/或长度,其中利用光学检测器阵列以空间分辨的方式捕获所述照射区域中的超出指定阈值的强度。
照射区域从在调节期间以减小的功率操作的能量束撞击的粉末状材料的颗粒表面开始延伸,直到在工件表面加速的粉末状颗粒的方向上布置的照射区域的部分区域,其中由能量束加热的颗粒发散地移动。在粉末状材料的颗粒运动方面,该可评估区域被设计成类似于在其焦平面区域中的聚焦激光束。在此,颗粒至少类似于聚焦的电磁辐射移动。在焦平面中以及在其附近,它们形成最小的横截面面积,其在撞击焦平面之前减小,而在撞击焦平面之后由于发散而再次增大。在此,横截面面积随着距焦平面的距离的增大而呈二次方地增大。
照射区域应当至少等于,优选大于颗粒从不同方向汇合并且随后不会发散地彼此远离的区域和/或能够利用光学检测器阵列捕获的区域的尺寸。
辐射源应当以波长间隔发射电磁辐射,和/或应当在照射区域和检测器阵列之间布置有对于该波长间隔来说是透明的带通滤波器。相应的波长间隔应当优选在700nm至1200nm的范围内,特别优选在715nm至780nm的波长范围内。由此,可以避免或显著减小检测期间的散射和反射影响。用作能量束的激光束的波长也应当在所述波长间隔以外。线性光束的波长应当在所述波长间隔内。
在调节期间,能量束以减小的功率操作,优选地最大为粉末沉积焊接所使用的功率的50%,特别优选地通常最大为所述功率的15%。在此,应当有利地将功率选择为仅足以使得粉末颗粒由于从能量束转移到颗粒的能量而加热到一定程度,从而使得来自被选择用于能量束的辐射源或者为其设计了带通滤波器的波长间隔的电磁辐射由受能量束影响的颗粒发射。调节期间应避免颗粒的熔化。
特别有利地,具有线性光束的辐射源应当可以平行于布置有检测器阵列的平面移动。至少应当在粉末状材料的颗粒汇合的区域的中心区域中,使用相应设计的电子评估单元对在移动期间的强度进行空间分辨地捕获和评估。这也是其中将能量束用于粉末沉积焊接的精确调节位置和对准中的中心。当然,在所述辐射源的移动期间也可以在其它位置进行捕获,由此可以更精确地确定在中心处的期望位置,在该位置处在任何情况下都将对以空间分辨的方式捕获的强度进行评估。在该中心位置,使用检测器阵列捕获的照射区域的范围最小。
电子评估单元可以是光学和/或声学指示单元,其能够用于通过使粉末进给部二维对准的设备进行手动调节。在这种情况下,可以向操作员显示在该设备的哪个方向上需要精确调节以及移动到什么程度。单独地或额外地,电子评估单元可以被设计成使得可以获得用于使粉末进给部二维对准的设备的受控的自动的调节。为此,有利的是,用于使粉末进给部相对于能量束的中心纵轴二维或三维对准的设备形成有两个平台,该两个平台可以在彼此垂直对准的两个方向上彼此独立地移动,并且在该平台上固定有粉末进给部和/或使能量束平行于其中心纵轴位移的光学单元。两个平台应均可以通过驱动器移动,优选通过线性驱动器移动,特别优选通过步进马达移动,并且应当可以由电子评估单元控制。然后,电子评估单元可以相应地影响各个驱动器,以便能够实现最佳调节。
优选地,平台还可以使用第三驱动器在垂直于上述方向的轴向(z轴方向)上移动以用于三维调节。
电子评估单元也可以被设计成使得确定并评估在照射区域内捕获的各个捕获的图像点的强度值或超出指定的强度阈值的捕获的图像点的数量。在整个照射区域或在照射区域的部分区域中超出或未达到的图像点的数量可以被用作进行可能需要的任何调节的陈述。在调节期间,具有一个或多个喷嘴的粉末进给部相对于相应能量束的中心纵轴的相对运动借助于为此目的设计的设备实现,所述粉末状材料从该一个或多个喷嘴排出。通常,粉末进给部的位置通过特别是粉末进给部在工作头上的平移运动而相应地适配,以便获得用于沉积焊接的最佳条件。
单独地或额外地,可以利用在照射区域内捕获的图像点来进行图案识别。优选地,这可以在考虑最佳图案的情况下进行。例如,最佳图案可以在校准期间通过良好的,特别是最佳的调节获得,并存储在存储器中以用于图案识别和评估。
电子评估单元也可以具有存储器,在该存储器中可以存储用于检验已在工作头上进行的调节的数据,并且该数据可以与本发明一起使用。
当在被照射的区域内捕获图像点时,可以选择相应的时间(曝光时间),在该时间期间,同时捕获并随后评估由检测器阵列捕获的测量信号,从而可以实现足够的精度。考虑到在被照射区域中捕获的具有最大强度的图像点,可以自动适配用于可评估的捕获的相应时间段。
在进行调节时,所有过程参数应保持恒定,或应考虑到变化的参数。例如,这涉及可以通过粉末进给部与粉末状材料一起进给的气体流的体积流量和/或流速。该气体流对于粉末进给部具有有利的影响,并且可选地还可以用作保护气体。
除了已经说明的可能的平行移动之外,线性光束在调节期间不应更改其对准方式。这也适用于辐射源发射线性光束的功率,并且适当地,还适用于为此目的使用的光束成形和光束偏转元件。
激光辐射源可以有利地用于发射线性光束。
为了减小所需的安装空间,可以将线性光束引导到反射线性光束并使之偏转的元件上。如所说明的,然后将反射的线性光束引导到待照射的颗粒汇合的区域中。
单独地或额外地,同样可以在检测器阵列和被照射区域之间布置反射元件,利用检测器阵列从被照射区域中捕获测量信号,通过反射元件将被照射区域的图像相应地偏转并引导到相应布置和取向的检测器阵列上。
具有上面发生偏转的反射面的一个或多个反射元件可以优选地以45°的角度取向。
众所周知地,在沉积粉末时,特别是在激光粉末沉积焊接(LPD:laser powderdeposition welding)期间,一个或多个粉末喷嘴对于处理结果具有重要影响。但是,到目前为止,只有在独立的测试系统中才能对喷嘴排出后的颗粒流进行评估。然而,利用本发明,可以实现粉末流相对于加工机器内的能量束的位置和对准的客观的且可能自动的测量。
粉末沉积焊接区域中的另一干扰是激光辐射和颗粒流的轴的几何偏差。对于恒定的、与方向无关的粉末状材料沉积,必须将喷嘴与激光光学单元同轴地对准或与能量束的中心纵轴同轴地对准,以使粉末可以进入在能量辐射,特别是在激光辐射的影响下的圆锥形的特定区域或从两个相对侧进入,随后可以利用能量束的能量熔化到表面上以进行材料沉积。
然而,特别是在当前的LPD系统中,该设置是通过手动设置所谓的调节单元而实现的。为了自动对准,利用本发明可以设计和制造机械电子调节系统,该调节系统使得能够通过相对于能量束的中心纵轴,特别是激光束的光轴的粉末进给部对喷嘴位置进行可调节的调节。以此方式,可以校正粉末流相对于能量束的中心纵轴的不正确对准,而不会像迄今为止进行的手动校正一样发生主观影响。
与测量系统相结合,可以在确定的公差极限内通过图像分析对通过至少一个喷嘴进给到能量束影响区域的粉末流的对准进行自动校正。
根据用户确定的标准,可以使用图像处理算法最大化颗粒束的相互作用,以实现颗粒和能量束的同轴对准。可以计算出颗粒相对于能量束的自动几何对准。然后可以借助于位移设备实现自动或手动调节。高精度甚至可以通过迭代反复而进一步提高。
以此方式,可以进行粉末施加设备的原地位移(例如,一个或多个喷嘴的移动),粉末状材料从该粉末施加设备排出并进入能量束影响区域,或者可以对于能量束的横截面区域进行适配。
可以校准新的喷嘴系统,以补偿粉末施加系统的磨损。
本发明还可以用于质量控制/磨损监测的测量,以及通过完全自动记录所确定的特征图、用于过程开发的能量束-颗粒相互作用的材料相关和几何相关的特征的研究。
下面将通过示例更详细地说明本发明。
附图说明
图1以示意性的形式示出了粉末状材料进给到具有正确调节的激光束的区域的剖视图,在该区域中粉末状材料的颗粒从粉末进给部的一个喷嘴或两个喷嘴从不同方向汇合。
图2以示意性的形式示出了粉末状材料进给到具有不正确调节的激光束的区域的剖视图,在该区域中粉末状材料的颗粒从粉末进给部的一个喷嘴或两个喷嘴从不同方向汇合。
图3示出了为激光沉积焊接和集成的测量单元设计的机构的示例的示意图。
图4示出了使用光学阵列捕获的其中进给的粉末流相对于激光束具有不同的对准方式的区域的图像,在该区域中粉末状材料的颗粒从粉末进给部的喷嘴从不同方向汇合。
图5示出了二维检测器阵列的布置的立体图,该检测器阵列可以捕获一个区域,在该区域中粉末状材料的颗粒从粉末进给部的喷嘴从不同方向汇合且该区域被线性光束照射。
具体实施方式
图1和图2示意性地示出了通过环形缝隙式喷嘴1进给粉末状材料,该环形缝隙式喷嘴在工件(未示出)和区域3的方向上呈锥形地逐渐变细。然而,也可以存在两个缝隙式喷嘴,它们彼此相对地布置并相对于彼此成一定角度倾斜。
环形缝隙式喷嘴1在其整个长度上具有恒定的缝隙宽度。借助于来自环形缝隙式喷嘴1的气流,粉末状材料沿工件方向加速。从环形缝隙1中排出的颗粒从不同的方向汇合在区域3中,并且在颗粒的运动方向发散地变化之前,至少沿特定的路径彼此几乎平行地移动。在区域3中,还存在与作为能量束4的示例的激光束相互作用的区域。该激光束的光轴或中心纵轴由点划线表示。
在相互作用的区域中,颗粒通过激光束的能量加热,当在沉积焊接过程中沉积材料时,颗粒通常在此部分地熔化。其中颗粒汇合、与激光束相互作用以及彼此平行移动的区域3布置在将要沉积材料的表面上方。
图1示出了通过正确的调节经由环形缝隙式喷嘴1对激光束和粉末进给部的对准,其中激光束的光轴被精确地引导通过区域3的中心。
在图2所示的示例中,激光束的光轴在图中横向向左位移,从而在区域3和相互作用区域中出现不对称的条件。这导致区域3中颗粒的不均匀加热,因此导致材料在相应表面上的不均匀沉积。这也降低了单位面积的粉末沉积速率。因此,位于图2中更右侧的部分颗粒无法被充分加热和熔化,或者不会撞击焊池,这意味着这些颗粒不能用于材料沉积或是在材料沉积的区域中的沉积质量不符合要求。
在图1中单独示出了由二维光学检测器阵列(在此未示出)捕获的用于正确地相对于所提供的粉末流调节激光束的其中保持了对称关系的区域9的图像。
在图2的最左侧,示意性地示出了可以由二维光学检测器阵列(在此未示出)检测的用于不正确地相对于所提供的粉末流调节激光束的其中保持了不对称关系的区域9的图像。
图4示出了区域9的真实图像,该图像由作为光学检测器阵列7的相机捕获并可以利用电子评估设备进行评估并可以用于调节。例如,在完全正确调节的情况下,获得了在最中心显示的捕获的图像。对于所有其它捕获的图像,与最佳目标调节之间存在或多或少的偏差,这可以从z轴方向上的形状、尺寸和/或长度看出。
如果调节不正确,则可能捕获弯曲的和/或不对称的图像,并在评估时将其考虑在内。这种弯曲的和/或不对称的图像特别可以在两个外部缝隙中看到。
图3以示意性的形式示出了具有工作头5的用于激光粉末沉积焊接的机构的完整示例,其中容纳有用于使激光束4成形的光学部件和用于光学部件的保护元件(未示出)。工作头5可以通过电子控制器10至少在两个自由度上移动,以便涂覆可以布置在支架13上的工件(未示出)的限定区域。粉末状材料经由管线12从粉末输送器11借助于气体流进给到工作头并在其中供应到环形缝隙式喷嘴1。如图1和图2所示,粉末从环形缝隙式喷嘴1排出。
该示例包括容纳有光学检测器阵列7和辐射源6的测量单元14。光学检测器阵列7连接到电子评估单元8。
辐射源6以及可能的反射元件布置在测量单元14中,使得由辐射源6发射的线性光束6.1引导到到区域9。线性光束6.1在垂直于线性光束(6.1)取向的平面中对准,也就是说,在笛卡尔坐标系的情况下在z轴方向上对准。
光学检测器阵列7的敏感表面在与其平行取向的平面中取向或布置。根据本说明书的一般部分中已说明的,在区域9与光学检测器阵列7之间的光束路径中将反射元件布置在区域9与光学检测器阵列7之间,然而情况并非一定如此。反射元件也可以布置在区域9和辐射源6之间。因此,可以减少所需的安装空间。
对于715nm至780nm的波长来说为透明的带通滤波器可以布置在光学检测器阵列8的上游。
线性光束6.1可以以具有760nm的波长的电磁辐射发射。
激光束4可以具有1064nm的波长。在调节期间,通常以在激光沉积焊接期间其正常操作功率的最大15%进行操作。这足以将在图像捕获期间布置在区域9中的粉末状材料的颗粒加热到一定温度,以使得它们发射在带通滤波器为透明的波长范围内的电磁辐射,因此利用光学检测器阵列7可以针对对应于光学检测器阵列7的分辨率的图像点进行空间分辨地捕获。在此,仅对超出指定强度阈值的图像点进行调节。
将由光学检测器阵列7捕获的分别对应于图像的测量信号馈送到电子评估单元8。
以未示出的形式,可以连续地捕获区域9的图像,并且可以在工作头5与辐射源6或测量单元14之间发生平移相对运动。它们可以相对于彼此以平移的方式移动。在此,线性光束6.1垂直于其辐射方向移动,并且在此过程中从一侧穿过整个区域9到达相对侧。以此方式,在任何情况下都可以辐射到区域9的中心,其中该区域在该平面上具有最小的延伸。在评估中至少应该将利用光学检测器阵列7在区域9的中心捕获的区域9的图像用于调节。
图3未示出用于使粉末进给部相对于激光束4的中心纵轴二维对准的设备。所述粉末进给部可以布置在工作头5上并可以具有根据说明书的一般部分所述的设计,因此也可以在调节期间进行操作。
图5旨在示出区域9的照射和利用光学检测器阵列7捕获测量信号。线性光束6.1由辐射源6,特别是激光辐射源发射,并且相对于z轴平行对准地辐射到区域9中。利用其敏感表面平行于线性光束6.1的发射方向取向的光学检测器7,以空间分辨的方式捕获区域9的图像,然后将以空间分辨的方式捕获的测量信号从光学检测器7传输到电子评估单元8,在该电子评估单元8中,可以根据说明书的一般部分中所述的进行用于调节的评估。
Claims (9)
1.一种用于相对于工作头的能量束的中心纵轴调节粉末流的装置,所述能量束特别是激光束,所述装置被设计成用于粉末沉积焊接,其中,
所述粉末流通过布置在所述工作头(5)的面向工件的一侧上的粉末进给部实现,并且所述粉末进给部形成有被实施为在所述工件的方向上呈圆锥形的环形缝隙式喷嘴(1)、多个环形布置的喷嘴或至少两个以一定角度倾斜且其排出口彼此面对的相对布置的喷嘴,并且所述粉末进给部被设计成使得粉末状材料(2)的颗粒以锐角从多个方向汇合在区域(3)中,
所述区域(3)布置在上面将要沉积通过所述能量束(4)的能量熔化的粉末状材料的表面的上方,
所述能量束(4)相对于上面将要沉积熔化的所述粉末状材料的平面对准,并且
用于使所述粉末进给部相对于所述能量束(4)的中心纵轴,特别是相对于所述激光束的光轴,二维或三维对准的设备在垂直于所述能量束(4)的中心纵轴取向的平面中设置所述工作头(5)上,
其特征在于,
来自辐射源(6)的电磁辐射作为线性光束(6.1)从一侧引导到其中所述粉末状材料的颗粒汇合的所述区域(3),
光学二维检测器阵列(7)布置在垂直于所述线性光束(6.1)取向的平面中,其中,
所述光学检测器阵列(7)被设计成用于空间分辨地捕获电磁辐射的强度,并且
所述光学检测器阵列(7)连接到电子评估单元(8),其中,
所述电子评估单元(8)被设计成用于确定照射区域(9)的形状、尺寸和/或长度,其中利用所述光学检测器阵列(7)以空间分辨的方式捕获所述照射区域中的超出指定阈值的强度,并且在所述过程中,
所述照射区域(9)从在调节期间以减小的功率操作的所述激光束(4)撞击的所述粉末状材料的颗粒表面开始延伸,直到在朝向工件表面加速的粉末状颗粒的方向上布置的所述照射区域(9)的部分区域,其中由所述激光束(4)加热的所述颗粒发散地移动。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述辐射源(6)以波长间隔发射电磁辐射,和/或在所述照射区域(9)和所述检测器阵列(7)之间布置有对于所述波长间隔来说是透明的带通滤波器,其中,相应的所述波长间隔优选在700nm至1200nm的范围内。
3.根据前述一项权利要求所述的装置,其特征在于,用作所述能量束(4)的所述激光束的波长在所述波长间隔以外,并且所述线性光束(6.1)的波长在所述波长间隔内。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,与所述粉末沉积焊接中使用的能量束相比,所述能量束(4)在调节期间能够以减小的功率操作,所述功率足以加热与所述能量束(4)相互作用的区域中的颗粒,但是避免了所述粉末状材料的颗粒的熔化。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,具有所述线性光束(6.1)的所述辐射源(6)能够平行于布置有所述检测器阵列(7)的平面移动,并且至少在所述粉末状材料的颗粒汇合的所述区域(3)的中心区域中,使用相应设计的所述电子评估单元(8)对于在移动期间的所述强度进行空间分辨地捕获和评估。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述电子评估单元(8)是能够用于通过所述用于使所述粉末进给部二维对准的设备进行手动调节的光学和/或声学指示单元和/或所述电子评估单元(8)被设计成使得能够获得所述用于使所述粉末进给部二维对准的设备的受控的、自动的调节。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述电子评估单元(8)被设计成使得确定并评估超出指定的强度阈值的并在所述照射区域(9)内捕获的各个捕获的图像点的数量,
和/或利用在所述照射区域(9)内检测到的所述图像点进行图案识别,优选考虑最佳图案。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述用于使所述粉末进给部相对于所述能量束(4)的中心纵轴二维对准的设备形成有两个平台,所述两个平台能够在彼此垂直对准的两个方向上彼此独立地移动,并且在所述平台上固定有所述粉末进给部和/或
使所述能量束(4)平行于其中心纵轴位移的光学单元,和/或
用于使所述粉末进给部相对于所述能量束(4)的中心纵轴三维对准的设备具有垂直于能够移动的所述平台取向的额外的移动可能性。
9.根据前述一项权利要求所述的装置,其特征在于,所述两个平台均能够通过驱动器,优选地通过线性驱动器,特别优选地通过步进马达移动,并且能够由所述电子评估单元(8)控制。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018202203.8 | 2018-02-13 | ||
DE102018202203.8A DE102018202203B4 (de) | 2018-02-13 | 2018-02-13 | Anordnung zur Justierung einer Pulverströmung in Bezug zur mittleren Längsachse eines Energiestrahls |
PCT/EP2019/053541 WO2019158580A1 (de) | 2018-02-13 | 2019-02-13 | Anordnung zur justierung einer pulverströmung in bezug zur mittleren längsachse eines energiestrahls |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN112074361A true CN112074361A (zh) | 2020-12-11 |
CN112074361B CN112074361B (zh) | 2023-03-28 |
Family
ID=65516492
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201980013223.2A Active CN112074361B (zh) | 2018-02-13 | 2019-02-13 | 用于相对于能量束的中心纵轴调节粉末流的装置 |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US11890675B2 (zh) |
EP (1) | EP3752309A1 (zh) |
JP (1) | JP7163396B2 (zh) |
CN (1) | CN112074361B (zh) |
DE (1) | DE102018202203B4 (zh) |
WO (1) | WO2019158580A1 (zh) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102021208745A1 (de) | 2021-08-11 | 2023-02-16 | Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Pulverinjektionsüberwachung beim Laserstrahlauftragschweißen |
US20230089809A1 (en) * | 2021-09-23 | 2023-03-23 | Rolls-Royce Corporation | Powder flow measurement in additive manufacturing systems |
DE102021133636B4 (de) | 2021-12-17 | 2024-03-07 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein | Pulverzufuhrdüse, insbesondere für die Pulverzufuhr beim Laserauftragschweißen, und Verfahren zum Betrieb der Pulverzufuhrdüse |
US11860080B2 (en) * | 2021-12-29 | 2024-01-02 | Rolls-Royce Corporation | System for monitoring particles suspended in fluid stream |
DE102022105913A1 (de) | 2022-03-14 | 2023-09-14 | HPL Technologies GmbH | Vorrichtung für ein Laser-Beschichtungsverfahren |
DE102022121926A1 (de) | 2022-08-30 | 2024-02-29 | HPL Technologies GmbH | Vorrichtung für ein Laser-Beschichtungsverfahren |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5396333A (en) * | 1992-05-21 | 1995-03-07 | General Electric Company | Device and method for observing and analyzing a stream of material |
DE102004057799A1 (de) * | 2004-11-30 | 2006-06-01 | Precitec Kg | Verfahren und Vorrichtung zum Regeln eines Pulverbeschichtungsprozesses |
EP1693141A2 (de) * | 2004-10-20 | 2006-08-23 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Anordnung und Verfahren zur ortsaufgelösten Temperaturmessung bei einem Laserbearbeitungsverfahren |
CN201071393Y (zh) * | 2007-08-15 | 2008-06-11 | 北京有色金属研究总院 | 一种快速使同轴送粉粉末焦点与激光光斑重合的装置 |
EP1967316A1 (fr) * | 2007-03-05 | 2008-09-10 | Air Liquide Welding France | Installation et procédé de contrôle du centrage d'un faisceau laser passant au travers d'une buse laser |
CN101264519A (zh) * | 2008-04-08 | 2008-09-17 | 西安交通大学 | 一种可调式激光同轴送粉喷嘴 |
CN102245343A (zh) * | 2008-11-13 | 2011-11-16 | 通快激光与系统工程有限公司 | 具有用于求得激光加工机粉末供给喷嘴的失调的手段的方法以及激光加工机 |
JP2016221538A (ja) * | 2015-05-29 | 2016-12-28 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 撮像装置、金属加工装置、及び撮像方法 |
WO2017114965A1 (fr) * | 2015-12-31 | 2017-07-06 | Ecole Centrale De Nantes | Procédé et système pour le réglage d'un dispositif de fabrication additive |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US539633A (en) | 1895-05-21 | Self-closing cock or faucet | ||
US6046426A (en) | 1996-07-08 | 2000-04-04 | Sandia Corporation | Method and system for producing complex-shape objects |
US6476343B2 (en) | 1996-07-08 | 2002-11-05 | Sandia Corporation | Energy-beam-driven rapid fabrication system |
US20120199564A1 (en) | 2011-02-09 | 2012-08-09 | Coherent, Inc. | Powder-delivery apparatus for laser-cladding |
GB2489493B (en) * | 2011-03-31 | 2013-03-13 | Norsk Titanium Components As | Method and arrangement for building metallic objects by solid freeform fabrication |
JP6359316B2 (ja) | 2014-03-31 | 2018-07-18 | 三菱重工業株式会社 | 三次元積層装置及び三次元積層方法 |
CA2958107C (en) * | 2014-08-20 | 2023-04-11 | Etxe-Tar, S.A. | Method and system for additive manufacturing using a light beam |
US20170087666A1 (en) | 2015-03-20 | 2017-03-30 | Technology Research Association For Future Additive Manufacturing | Processing nozzle, processing head, machining apparatus, and control method and control program of processing nozzle |
-
2018
- 2018-02-13 DE DE102018202203.8A patent/DE102018202203B4/de active Active
-
2019
- 2019-02-13 CN CN201980013223.2A patent/CN112074361B/zh active Active
- 2019-02-13 EP EP19706435.5A patent/EP3752309A1/de active Pending
- 2019-02-13 JP JP2020543160A patent/JP7163396B2/ja active Active
- 2019-02-13 US US16/969,272 patent/US11890675B2/en active Active
- 2019-02-13 WO PCT/EP2019/053541 patent/WO2019158580A1/de unknown
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5396333A (en) * | 1992-05-21 | 1995-03-07 | General Electric Company | Device and method for observing and analyzing a stream of material |
EP1693141A2 (de) * | 2004-10-20 | 2006-08-23 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Anordnung und Verfahren zur ortsaufgelösten Temperaturmessung bei einem Laserbearbeitungsverfahren |
DE102004057799A1 (de) * | 2004-11-30 | 2006-06-01 | Precitec Kg | Verfahren und Vorrichtung zum Regeln eines Pulverbeschichtungsprozesses |
EP1967316A1 (fr) * | 2007-03-05 | 2008-09-10 | Air Liquide Welding France | Installation et procédé de contrôle du centrage d'un faisceau laser passant au travers d'une buse laser |
CN201071393Y (zh) * | 2007-08-15 | 2008-06-11 | 北京有色金属研究总院 | 一种快速使同轴送粉粉末焦点与激光光斑重合的装置 |
CN101264519A (zh) * | 2008-04-08 | 2008-09-17 | 西安交通大学 | 一种可调式激光同轴送粉喷嘴 |
CN102245343A (zh) * | 2008-11-13 | 2011-11-16 | 通快激光与系统工程有限公司 | 具有用于求得激光加工机粉末供给喷嘴的失调的手段的方法以及激光加工机 |
JP2016221538A (ja) * | 2015-05-29 | 2016-12-28 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 撮像装置、金属加工装置、及び撮像方法 |
WO2017114965A1 (fr) * | 2015-12-31 | 2017-07-06 | Ecole Centrale De Nantes | Procédé et système pour le réglage d'un dispositif de fabrication additive |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20210046708A1 (en) | 2021-02-18 |
DE102018202203B4 (de) | 2022-06-23 |
JP2021521008A (ja) | 2021-08-26 |
DE102018202203A1 (de) | 2019-08-14 |
US11890675B2 (en) | 2024-02-06 |
WO2019158580A1 (de) | 2019-08-22 |
CN112074361B (zh) | 2023-03-28 |
JP7163396B2 (ja) | 2022-10-31 |
EP3752309A1 (de) | 2020-12-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN112074361B (zh) | 用于相对于能量束的中心纵轴调节粉末流的装置 | |
JP6972165B2 (ja) | 付加製造用の装置及び方法 | |
US20230001645A1 (en) | Method For Calibrating A Device For Producing A Three-Dimensional Object And Device Configured For Implementing Said Method | |
KR102274010B1 (ko) | 워크피스 내의 레이저 빔의 침투 깊이를 측정하기 위한 방법 및 레이저 머시닝 장치 | |
US9259801B2 (en) | Laser processing head and method for processing a workpiece by means of a laser beam | |
US9289854B2 (en) | Automated superalloy laser cladding with 3D imaging weld path control | |
CN108698061B (zh) | 用于调节增材制造装置的方法和系统 | |
KR20150053806A (ko) | 3d 이미징 용접 경로 제어에 의한 자동화 초합금 레이저 클래딩 방법 | |
CN114302782B (zh) | 使用增材制造技术制造三维工件的设备和系统 | |
CA2774745A1 (en) | Welding head and method for joining a workpiece | |
DE102009057209A1 (de) | Vorrichtung mit Scanner-Optik zur Materialbearbeitung mittels Laser | |
Donadello et al. | Coaxial laser triangulation for height monitoring in laser metal deposition | |
KR20190069472A (ko) | 열 커팅 프로세스 모니터링 장치 및 그 방법 | |
JP2022515952A (ja) | 加工プロセスの特性値を求める方法および加工機械 | |
CN111069787A (zh) | 用于加工工件的方法和加工机 | |
KR20130091340A (ko) | 집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치 및 방법 | |
WO2023117606A1 (en) | Method and device for calibrating an optical system | |
US20230294170A1 (en) | 3d printing apparatus | |
US20220297192A1 (en) | Additive manufacturing apparatus | |
KR20220020914A (ko) | 레이저 스캐닝 헤드 및 측방향 분말 분사에 의해 지향된 레이저 빔에 의해 작업편의 결정된 표면에 재료를 추가하기 위한 시스템 및 방법 | |
EP3647021A1 (en) | Determination device for determining at least one parameter of an energy beam | |
US20190240907A1 (en) | Apparatus for additively manufacturing three-dimensional objects | |
CN117773330A (zh) | 具有同轴的施加材料供给和测距装置的激光熔覆焊接装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |